Photodetector
광검출기

Our laboratory is also interested in the development of photodetector technology as a subcategory of solar cell research, leveraging the similarities in device structure and operating principles.  A photodetector is a device that absorbs light of a specific wavelength and converts it into an electrical signal, enabling light detection.​
In our research, we utilize the measurement of photocurrent generated upon photo-excitation of the photoactive layer (energy absorption layer) in solar cells as an indicator of photodetection performance. 
Currently, we are conducting research to enhance the efficiency and stability of devices by maintaining the fundamental structure of perovskite solar cells while introducing noble metal nanoparticles to induce surface plasmon resonance effects within the device or by controlling the dimensionality of the photoactive layer.
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본 연구실에서는 소자 구성 및 작동 원리의 유사성을 바탕으로 태양전지 연구의 한 범주로서 광 검출기 기술 개발에도 관심을 두고 있습니다. 
광 검출기란 특정 파장의 광원을 흡수하고 이것을 전기적인 신호로 바꾸어 줌으로써 광 검출의 기능을 하는 소자인데, 태양전지 소자에 적용되는 
광활성층(에너지흡수층)의 광여기(photo-excitation)시 발생하는 광전류(photocurrent) 측정을 광 검출의 표지로 이용합니다. 
현재 페로브스카이트 태양전지 소자의 기본 구성은 유지하되 귀금속 나노 입자를 도입하여 소자 내부에 표면 플라즈몬 공명 효과를 유발하거나 광활성층의
차원 제어를 통해 소자의 효율 및 안정성을 높이는 연구를 진행하고 있습니다.

Perovskite photodetector

Recently, perovskite materials have garnered significant attention in academia due to their various advantages, including high charge mobility, broad-spectrum absorption, and ease of processing.  
In particular, perovskite photodetectors have the potential to maximize detection capabilities due to their excellent photocurrent (and gain). As a result, research on their applications in various fields, such as optical communications and image sensing, is actively being conducted.



최근 페로브스카이트 물질은 높은 전하 이동성, 광대역 흡수, 용이한 공정 등 다양한 장점으로 인해 학계의 많은 관심을 받았으며, 
특히 페로브스카이트 광검출기는 우수한 광전류(및 이득)로 인해 검출 능력을 극대화할 수 있기에 광통신, 이미지 센싱 등 다양한 분야의 응용 연구가 
진행되고 있습니다.

A review paper on key active-layer materials for perovskite-based photodetectors and their applications (selected as a cover article)
페로브스카이트 기반 광검출기 핵심 활성층 소재와 광검출기 적용에 관한 리뷰 논문 (표지논문 선정)

Our laboratory has prepared a review article that provides a comprehensive overview of the key active-layer materials for perovskite-based photodetectors and the latest research on their application. 
In this review, we focus on the device configurations and the structures/morphologies of perovskite materials used in photodetectors, summarizing a wide range of recent global developments and various techniques for achieving high performance. 
Perovskites, which offer both the advantages of solution-based processing (as seen in organic semiconductors) and excellent charge mobility, are expected to serve as next-generation core materials for photodetection, potentially replacing commercially available silicon.


본 연구실에서는 페로브스카이트 기반 광검출기 핵심 활성층 소재와 이를 광검출기에 적용한 최근의 논문들을 포괄적으로 조망한 리뷰 논문을 작성하였습니다. 
 본 리뷰에서 저희 연구진은 소자 구성 및 소재의 구조/형태에 초점을 맞춘 페로브스카이트 기반 광 검출기의 최근 전세계적인 연구 성과에 대한 포괄적인 고찰과 우수한 성능 지표 도출에 대한 다양한 기법을 정리하여 기술하였습니다. 
 유기 반도체의 우수한 용액 공정 및 높은 전하 이동성 등의 장점을 동시에 보유하고 있는 페로브스카이트는 현재 상용 실리콘을 대체하는 차세대 광 검출 핵심 소재로써 응용될 수 있을 것으로 전망됩니다.

Development of Dimensionally Controlled Perovskite Photodetectors
차원제어 페로브스카이트 광 검출기 개발

Our laboratory has developed a self-powered, highly stable photodiode using dimensionally controlled perovskites. 
By incorporating quasi-2D perovskites, we overcame the critical issue of low stability seen in conventional 3D perovskites (such as MAPbI₃) and successfully fabricated a self-powered diode that operates at 0 V. 
The resulting perovskite diode demonstrated outstanding performance, with a detectivity (D*) of 2.20 × 10^12 J and a responsivity (R) of 0.53 A/W. 
Furthermore, the introduction of quasi-2D perovskites reduced leakage current and improved stability beyond what is attainable with 3D perovskites. 
Under ambient conditions, the quasi-2D perovskite photodiode retained 76% of its initial current density after 80 days—significantly higher than the 15% maintained by its 3D perovskite counterpart. By enhancing perovskite stability and preserving high performance, this study overcomes the limitations of existing 3D materials and proposes a new class of high-stability, high-efficiency quasi-2D perovskite photodiodes. 
We anticipate that these findings will advance the commercialization of perovskite photodiodes and have broad applications in LEDs, transistors, and other optoelectronic devices.


본 연구실은 차원이 제어된 페로브스카이트를 사용하여 자가동력이 가능한 고안정성의 광다이오드를 제작하였습니다. 
본 연구는 준2차원 페로브스카이트를 사용하여 기존의 3차원 페로브스카이트(MAPbI3)가 가지고 있는 낮은 안정성의 치명적인 문제점을 극복하고, 0 V에서 작동하는 자가동력형 다이오드 제작에 성공하였습니다. 
개발된 페로브스카이트 다이오드는2.20 × 10^12 J의 검출도 (D *)와 0.53 A/W의 감응도(R)라는 우수한 성능을 보였습니다. 이에 더하여, 준2차원 
페로브스카이트의 도입으로 인해서 기존의 3차원에서 가지지 못했던 낮은 누설 전류와 안정성을 개선할 수 있었습니다. 
 준2차원 페로브스카이트 광 다이오드는 대기 조건에서 80 일이 경과한 후에도 초기 수준의 전류 밀도의 76%를 유지하였으며, 이는 3차원 페로브스카이트의 경우 (15% 유지)에 비해 월등히 개선된 안정성을 확인할 수 있었습니다. 
 본 연구는 페로브스카이트의 안정성을 개선하며 우수한 성능을 유지함으로써, 기존의 3차원 물질이 가진 한계점을 극복하고 고안정성/고효율의 준2차원 페로브스카이트 광다이오드의 출현을 제안하였습니다. 
 본 연구는 향후 페로브스카이트 광다이오드의 상용화 및 LED, 트랜지스터 등 전반적인 응용분야에 적용될 것으로 기대됩니다.

Fabrication of Perovskite Photodetectors Incorporating Gold Nanorods
금 나노 막대를 도입한 페로브스카이트 광 검출기 제작

In this study, our research group adopted a vertical photoconductor structure and introduced plasmonic effects to overcome existing limitations and achieve high output even at low operating voltages. 
By leveraging the enhanced absorption, near-field amplification, and scattering effects derived from the surface plasmonic properties of gold nanorods, we successfully fabricated a high-performance perovskite photodetector. 
At an operating voltage of -1 V, the device exhibited an impressively high responsivity of up to 317 A/W, representing an increase of more than 60% compared to devices without metal nanoparticles (200 A/W)—a performance believed to be the highest reported thus far among vertical perovskite devices. 
Additionally, the introduction of gold nanorods facilitated efficient charge extraction and transport, resulting in an extremely fast response time of approximately 95 ns. 
Through this work, we present a new perspective and theoretical model for designing and integrating plasmonic nanostructures to enhance perovskite photodetector performance. 
The proposed approach is expected to serve as a valuable guideline not only for perovskite photodetectors but also for various other perovskite-based electronic devices, including transistors, solar cells, and LEDs.


​본 연구진은 기존의 한계를 극복하여 낮은 구동전압에서도 높은 출력을 
가지는 광 검출기를 제작하고자, 수직형 광전도체(photoconductor) 구조를 채택하고 플라즈모닉 효과를 도입하였습니다. 
금속 나노막대의 표면 플라즈몬 효과에서 기인하는 향상된 흡수, 근접장 증폭 및 산란 효과 등을 통해, 고성능의 페로브스카이트 광검출기를 도출하였습니다. 
 본 연구에서는 -1V의 낮은 구동전압에서 최대 317A/W의 높은 응답성을 발현하여 금속 나노입자가 도입되지 않은 소자의 성능(200 A/W) 대비 약 60% 이상 증대된 결과를 얻었으며, 이는 지금까지 보고된 수직형 페로브스카이트 소자 가운데 가장 우수한 성능을 기록한 것으로 보고됩니다. 
 또한, 금속 나노막대가 도입된 하이브리드 페로브스카이트 소자는 전하 추출 및 수송을 용이하게 하여 약 95 ns 수준의 매우 빠른 응답 속도를 보였습니다. 
 본 연구를 통해 페로브스카이트 광검출기 성능 향상을 위한 플라즈모닉 나노 구조체의 설계 및 도입에 관한 새로운 관점과 이론적 모델을 제시하였고, 도출된 기법은 페로브스카이트 광검출기 뿐만 아니라 향후 트랜지스터, 태양전지, LED 등 다양한 페로브스카이트 전자소자에 응용될 수 있는 유용한 지침을 제공한 것으로 평가됩니다.

 Representative works in PNML:

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Y. Nah, O. Allam, et al., ACS Nano 2021, 15(1), 1486 – 1496
J. Lim et al. Nano Energy 2020, 75, 104984.
J. Han et al. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 2105-2113.
H. Kwon et al. Nanoscale 2019, 11, 19586-19594.
Y. Jang et al. J. Power Sources 2019, 438, 227031.
J. Lim et al. J. Power Sources 2019, 438, 226956.
J. Lim et al. Nano Energy 2019, 57, 761-770.
H. Wang et al. Adv. Opt. Mater. 2018, 6, 1701397.
J. Lim et al. Nano Energy 2017, 33, 1-20.
Y. H. Jang et al. ACS Energ. Lett. 2017, 2, 117−123.
Y. Oh,§ J. W. Lim,§ et al. ACS Nano 2016, 10(11), 10143 – 10151.
L. N. Quan et al. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138(8), 2649 – 2655.
L. N. Quan et al. ChemSusChem 2014, 7(9), 2590 − 2596.
Y. H. Jang et al. Nanoscale 2014, 6(3), 1823 − 1832.
Y. H. Jang et al. Nano Lett. 2012, 12(1), 479 – 485.