基于Bi2O2Se/CdSe垂直型II类异质结的宽带、高性能自供电光电探测器

Broadband, High-performance, and Self-Powered Photodetector based on a Bi2O2Se/CdSe vertical type-II heterojunction

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/EDL.2025.11175397

作者	Qianjin Wang · Qicheng Zhang · Peizhi Yang · Yingkai Liu · Qiuhong Tan
期刊	IEEE Electron Device Letters
出版日期	2025年9月
技术分类	拓扑与电路
相关度评分	★★★★ 4.0 / 5.0
关键词	光探测器 Bi₂O₂Se/CdSe异质结宽带高性能自供电特性

语言:

中文摘要

目前，基于 Bi₂O₂Se 的光电探测器存在响应度低、探测灵敏度有限以及宽带光响应能力不足等问题，这极大地阻碍了其在高性能光电器件中的实际应用。为克服这些局限，本研究设计并制备了一种基于垂直堆叠 Bi₂O₂Se/CdSe 异质结的宽带（300 - 1300 nm）高性能光电探测器。在 560 nm 光照和 5 V 偏置电压下，该器件表现出 6.18×10³ A/W 的高响应度、1.46×10⁴ 的开关比以及 1.95×10¹⁴ Jones 的比探测率。值得注意的是，即使在零偏置条件下，该器件仍能保持高达 1.99 A/W 的响应度、6.23×10¹⁰ Jones 的探测率和 2.52×10³ 的开关比，展现出出色的自供电特性。这项工作不仅为构建高性能异质结提出了一种有效策略，有效突破了传统光电探测器的局限，还阐明了界面工程在增强器件自驱动性能方面的关键作用，从而为低功耗、高性能光电探测系统的发展提供了理论基础和技术支持。

English Abstract

Photodetectors based on Bi _ {2} O _ {2} Se currently suffer from low responsivity, limited detection sensitivity, and insufficient broadband photoresponse capability, which significantly hinders their practical application in high-performance optoelectronic devices. To overcome these limitations, this study designs and fabricates a broadband (300–1300 nm), high-performance photodetector based on a vertically stacked Bi _ {2} O _ {2} Se/CdSe heterojunction. Under 560 nm illumination and a 5 V bias voltage, the device exhibits a high responsivity of 6.18 10 ^ {3} A/W, an on/off ratio of 1.46 10 ^ {4} , and a specific detectivity of 1.95 10 ^ {14} Jones. Remarkably, even under zero-bias conditions, the device maintains a responsivity of up to 1.99 A/W, a detectivity of 6.23 10 ^ {10} Jones, and an on/off ratio of 2.52 10 ^ {3} , demonstrating outstanding self-powered characteristics. This work not only proposes an efficient strategy for constructing high-performance heterojunction that effectively break through the limitations of conventional photodetectors, but also elucidates the critical role of interfacial engineering in enhancing the self-driven behavior of the device, thereby providing a theoretical foundation and technical support for the development of low-power, high-performance photodetection systems.

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看，该Bi₂O₂Se/CdSe异质结自供电光电探测器技术展现出与我司核心业务领域的多维度协同潜力。

**直接应用价值**：该器件在零偏压条件下仍保持1.99 A/W的响应度和2.52×10³的开关比，其自供电特性与我司分布式光伏和储能系统的智能监控需求高度契合。在光伏电站的组件级监控、热斑检测和IV曲线诊断等场景中，这类低功耗、宽光谱（300-1300 nm覆盖可见光至近红外）探测器可显著降低监控系统的寄生功耗，提升LCOE竞争力。特别是其Type-II异质结设计实现的高探测率（10¹⁴ Jones量级），为弱光环境下的微弱信号捕捉提供了技术基础。

**系统集成机遇**：该技术的界面工程策略可为我司逆变器的光耦隔离、储能系统的电弧检测以及氢能业务中的火焰监测等光电传感环节提供新思路。宽光谱响应特性使单一器件可替代多波段探测方案，有助于简化BOM成本和提高系统可靠性。

**技术挑战评估**：当前该技术尚处于实验室阶段，面临材料稳定性（Bi₂O₂Se的环境耐受性）、大面积制备工艺和成本控制等产业化瓶颈。CdSe的镉元素也存在RoHS合规风险。从技术成熟度看，距离工业级应用约需3-5年的工程化验证。

**战略建议**：建议跟踪该类二维材料异质结技术的演进路径，重点关注无镉替代方案和卷对卷制备工艺突破。可考虑与研究团队建立联合实验室，探索在智能组件、储能BMS传感器等细分场景的先导应用，为下一代智能化新能源系统储备核心传感技术。