CN109638165A - 一种多功能的光电子器件 - Google Patents

Abstract

一种多功能的光电子器件，包括ITO玻璃、空穴传输层、异质结、电子传输层和金属电极，ITO玻璃为整个光电子器件的基板，所述ITO玻璃上依次自下至上设置有空穴传输层、异质结和电子传输层，或者所述ITO玻璃上依次自下至上设置有电子传输层、异质结和空穴传输层，金属电极镀置于位于最上层的电子传输层或空穴传输层表面，异质结由钙钛矿层和量子点层相叠合而成；空穴传输层形成P型半导体，异质结形成本征半导体，电子传输层形成N型半导体，以使整个光电子器件呈PIN结构，并在光电子器内形成一个由电子传输层指向空穴传输层的内建电场。本发明多功能的光电子器件在单个器件结构上可实现有效的能量收集、能量注入和能量探测等功能。

Description

一种多功能的光电子器件

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种多功能的光电子器件，以应用于光能与电能之间的相互转换。

背景技术

随着光电子器件的应用领域越来越广，当今时代对光电子器件轻便化、集成化和多功能化的需求也越来越大，例如，将多个光电子器件集成到一个系统中变得越来越重要。现有技术中，光电子器件仍未将低能耗、低工作电压、高响应速度、高能效、高质量连续光，以及对能量的收集、注入、探测等优点高效地集成于单一器件结构中，且现有技术的电子器件不仅存在面积大，而且各种功能需要由不同材料体系和器件结构来实现，使得不利于二次开发等问题，从而其无法满足光电子器件的集成需求。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的上述问题，提供了一种多功能的光电子器件，以解决现有光电子器未实现将多种功能集成于单一器件结构中，集成化程度低，且增加了应用成本等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多功能的光电子器件，包括ITO玻璃、空穴传输层、异质结、电子传输层和金属电极，所述ITO玻璃为整个光电子器件的基板，所述ITO玻璃上依次自下至上设置有空穴传输层、异质结和电子传输层，或者所述ITO玻璃上依次自下至上设置有电子传输层、异质结和空穴传输层，所述金属电极镀置于位于最上层的电子传输层或空穴传输层表面，所述异质结由钙钛矿层和量子点层相叠合而成；

其中，所述空穴传输层形成P型半导体，所述异质结形成本征半导体，所述电子传输层形成N型半导体，以使整个光电子器件呈PIN结构，并在光电子器内形成一个由电子传输层指向空穴传输层的内建电场。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述空穴传输层的材料为旋涂在ITO玻璃表面上的掺镁氧化镍，所述钙钛矿层的材料为旋涂在空穴传输层表面的钙钛矿，所述量子点层的材料为旋涂在光吸收层表面的量子点，所述电子传输层的材料为旋涂在发光层表面的氧化锌。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述ITO玻璃的厚度为1.1mm，所述空穴传输层、异质结、电子传输层和金属电极的总厚度不超过1μm。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述ITO玻璃为钠钙基基片玻璃或硅硼基基片玻璃，ITO玻璃上的ITO为透明导电薄膜，所述透明导电薄膜用于为负载器件的接入提供接入点，以形成阳极。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述金属电极为用于与外界交接的接触点，所述ITO玻璃上的透明导电薄膜与金属电极分别构成阴阳两极。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述金属电极的材质为银电极或金电极。

本发明的多功能的光电子器件可以达到如下有益效果：

1)本发明的多功能光电子器件，能在单个器件结构中同时实现能量收集、能量注入(发光)、光电探测、数据传输/接收等多种功能；

2)通过利用“钙钛矿-量子点”组成的异质结结构，可有效实现光生载流子收集和电荷注入，当处于不同工作模式时，可顺利地在各功能之间转换；

3)极大地改善了传统多功能器件，兼并了低能耗、低工作电压、高响应速度、高能效、高质量连续光等众多优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明多功能的光电子器件提供的一实例的结构示意图；

图2为本发明多功能的光电子器件行使发光功能的示意图；

图3为本发明多功能的光电子器件行使光-电能量转换的示意图；

图4为本发明多功能的光电子器件行使光电探测功能的示意图，

图5-A为本发明多功能的光电子器件的工作原理图；

图5-B为本发明多功能的光电子器件发光强度、电流密度与电压之间的关系示意图；

图5-C为本发明多功能的光电子器件的电流效率、外量子效率与电压之间的关系示意图；

图6-A为不同结构下器件的光伏特效示意图；

图6-B为本发明器件与钙钛矿单层结构器件的光/暗电流对比示意图；

图6-C为本发明器件的在0.6V偏压、450nm激发光的光响应特性示意图；

图6-D为本发明器件的响应时间示意图；

图6-E为发明本器件产生的效果与目前普遍使用的硅探测器的响应时间对比图；

图6-F为本发明器件在不同波长光下的光的响应示意图。

图中：00-电源负极，01-电源正极，1-ITO玻璃，2-空穴传输层，3-钙钛矿层，4-量子点层，5-电子传输层，6-金属电极，7-异质结，8-内建电场，e-电子，h-空穴，p-光子，s-太阳光。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，多功能的光电子器件包括ITO玻璃1、空穴传输层2、异质结7、电子传输层5和金属电极6，所述ITO玻璃1为整个光电子器件的基板，所述ITO玻璃1上依次自下至上设置有空穴传输层2、异质结7和电子传输层5，或者所述ITO玻璃1上依次自下至上设置有电子传输层5、异质结7和空穴传输层2，所述金属电极6镀置于位于最上层的电子传输层5或空穴传输层2表面，所述异质结7由钙钛矿层3和量子点层4相叠合而成；

其中，所述空穴传输层2形成P型半导体，所述异质结7形成本征半导体，所述电子传输层5形成N型半导体，以使整个光电子器件呈PIN结构，并在光电子器内形成一个由电子传输层5指向空穴传输层2的内建电场8；

空穴传输层2主要作用是传输空穴h并阻挡电子e，从而起到防止电荷复合的目的，继而提升电池的效率和寿命；

异质结7的主要作用为吸收光，以及作为电子e与空穴h复合的场所并将能量以光子p的形式释放；

电子传输层5与空穴传输层2相对，能在协助电子e传输的同时有效阻挡空穴h，从而明显减少电子e与空穴h的复合；

金属电极6与ITO玻璃1相互形成光电子器件的阴阳极，以构成与外界器件电连接的导电回路。

具体实施中，所述空穴传输层2的材料为旋涂在ITO玻璃1表面上的掺镁氧化镍，所述钙钛矿层3的材料为旋涂在空穴传输层2表面的钙钛矿，所述量子点层4的材料为旋涂在光吸收层表面的量子点，所述电子传输层5的材料为旋涂在发光层表面的氧化锌。

具体实施中，所述ITO玻璃1的厚度为1.1mm，所述空穴传输层2、异质结7、电子传输层5和金属电极6的总厚度不超过1μm。

具体实施中，所述ITO玻璃1为钠钙基基片玻璃或硅硼基基片玻璃，ITO玻璃1上的ITO为透明导电薄膜，ITO玻璃1能为透明导电薄膜材料的生长提供立足点。同时能作为电极并起支撑整个器件的作用，所述透明导电薄膜用于为负载器件的接入提供接入点，以形成阳极。所述金属电极6为用于与外界交接的接触点，所述ITO玻璃1上的透明导电薄膜与金属电极6分别构成阴阳两极，所述金属电极6的材质为银电极或金电极，制作过程中，金属电极6的材料通过真空蒸镀置于位于最上层的电子传输层5上。

为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，下面详述本发明的功能原理。

发光功能：如图2所示，若给予本发明的多功能的光电子器件(以下简称器件)正向偏压(即将ITO玻璃1接到电源正极01，金属电极6接到电源负极00)，电子e会通过电子传输层5注入量子点层4，空穴h会通过空穴传输层2注入钙钛矿层3，电子e与空穴h会根据所施加的电压大小，在钙钛矿层3或量子点层4发生复合，并以光子p的形式释放能量，所释放的光的波长由量子点或者钙钛矿的能级大小所决定。

光-电能量转换：如图3所示，若将本器件置于太阳光s下，作为本器件光吸收层的“钙钛矿-量子点”异质结7大量吸收能量，当吸收大于或等于能带宽度的光子p能量后，粒子便可以逃脱内核的束缚变为自由态，形成电子e空穴h对，并在内建电场8的作用下使得激发态的电子e向金属电极6做定向运动累积，当接入负载时，便可形成由金属电极6流向ITO玻璃1的电流，从而完成由光到电的能量转换。

光电探测功能：如图4所示，外界光s照射于器件上时，作为本器件光吸收层的“钙钛矿3-量子点”异质结7大量吸收能量，当吸收大于或等于能带宽度的光子p能量后，粒子便可以逃脱内核的束缚变为自由态，形成电子e空穴h对，并在内建电场8的作用下使得激发态的电子e向金属电极6做定向运动，而在此时，若给予本器件反向偏压(即将ITO玻璃1接到电源负极00和金属电极6接到电源正极01)，本器件会将吸收的光信号转换为电信号，从而对外界的光起到检测的作用。

数据传输/接收功能：在光电探测的基础上，本器件成功将电信号转换为光信号，而光信号便可以作为一个极佳的数据传输/接收介质，从而达到对数据传输/接收的目的。

本发明将LED(发光二极管)、太阳能电池、光电探测、数据传输/接收等功能集成在单个器件结构上，成功实现了在单个器件结构上有效的能量收集、能量注入和能量探测，实现了多功能的性能。

本发明采用钙钛矿-量子点的异质结7结构，钙钛矿为目前最具有发展潜力的太阳能电池材料之一，极大地提高了吸光的效率，继而大幅提高光-电的转换效率。器件工作在发光模式下的性能图，如图5-A至5-C所示，其中：

图5-A为本发明多功能的光电子器件的工作原理图，图中1为电子与空穴注入；2为俄歇复合释放能量；3为附近的空穴/电子获取俄歇复合释放的能量；4为空穴/电子向附近活性层的注入；

图5-B为本发明多功能的光电子器件发光强度、电流密度与电压之间的关系示意图，其可获得的最高亮度达21900cd/m2；

图5-C为本发明多功能的光电子器件的电流效率、外量子效率与电压之间的关系示意图，有图可视，其可获得的最高外量子效率达7.5％以上。

利用量子点所构成的异质结7，不仅降低了工作电压，更是加快了响应速度，达到了低能耗、高响应速度的目的，使得光电检测、数据传输/接收更加的准确。器件作为能量收集器件和光探测器件的性能图，如图6-A至6-F所示，其中：

图6-A为不同结构下器件的光伏特效示意图，本发明具有异质结结构的器件具有高达1730mV的超高开路电压；

图6-B为本发明器件与钙钛矿单层结构器件的光/暗电流对比示意图，本发明异质结结构在很大范围内具有更高的光探测的灵敏度；

图6-C为本发明器件的在0.6V偏压、450nm激发光的光响应特性示意图，由此可以看到，本发明的器件具有探测极弱光的能力；

图6-D为本发明器件的响应时间示意图，其响应时间在3.4-5.6us；

图6-E为发明本器件产生的效果与目前普遍使用的硅探测器的响应时间对比图；

图6-F为本发明器件在不同波长光下的光的响应示意图。

本发明的多功能的光电子器件基于单个器件结构，器件整体结构精简，制作工艺简单，器件尺寸较小，很好地解决了传统器件集成实现多功能成本高、集成难度大、器件面积大而不利于二次开发等问题。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种多功能的光电子器件，其特征在于，包括ITO玻璃、空穴传输层、异质结、电子传输层和金属电极，所述ITO玻璃为整个光电子器件的基板，所述ITO玻璃上依次自下至上设置有空穴传输层、异质结和电子传输层，或者所述ITO玻璃上依次自下至上设置有电子传输层、异质结和空穴传输层，所述金属电极镀置于位于最上层的电子传输层或空穴传输层表面，所述异质结由钙钛矿层和量子点层相叠合而成；

其中，所述空穴传输层形成P型半导体，所述异质结形成本征半导体，所述电子传输层形成N型半导体，以使整个光电子器件呈PIN结构，并在光电子器内形成一个由电子传输层指向空穴传输层的内建电场。

2.根据权利要求1所述的多功能的光电子器件，其特征在于，所述空穴传输层的材料为旋涂在ITO玻璃表面上的掺镁氧化镍，所述钙钛矿层的材料为旋涂在空穴传输层表面的钙钛矿，所述量子点层的材料为旋涂在光吸收层表面的量子点，所述电子传输层的材料为旋涂在发光层表面的氧化锌。

3.根据权利要求2所述的多功能的光电子器件，其特征在于，所述ITO玻璃的厚度为1.1mm，所述空穴传输层、异质结、电子传输层和金属电极的总厚度不超过1μm。

4.根据权利要求3所述的多功能的光电子器件，其特征在于，所述ITO玻璃为钠钙基基片玻璃或硅硼基基片玻璃，ITO玻璃上的ITO为透明导电薄膜，所述透明导电薄膜用于为负载器件的接入提供接入点，以形成阳极。

5.根据权利要求4所述的多功能的光电子器件，其特征在于，所述金属电极为用于与外界交接的接触点，所述ITO玻璃上的透明导电薄膜与金属电极分别构成阴阳两极。

6.根据权利要求1至5任一项所述的多功能的光电子器件，其特征在于，所述金属电极的材质为银电极或金电极。