CN216902949U - 钙钛矿太阳能电池和氮化镓基led集成结构及半导体器件 - Google Patents

钙钛矿太阳能电池和氮化镓基led集成结构及半导体器件 Download PDF

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周溯沅
闫其昂
王国斌
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Abstract

本实用新型公开了一种钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构，包括氮化镓基LED，包括从下至上依次堆叠的P型氮化镓层、电子阻挡层、多量子阱层和N型氮化镓层；钙钛矿太阳能电池，包括在N型氮化镓层上从下至上依次堆叠的金属电极层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和ITO电极层；N型氮化镓层与金属电极层键合，氮化镓基LED与钙钛矿太阳能电池共用金属电极层，ITO电极层与P型氮化镓层电连接，钙钛矿太阳能电池用于将太阳能转化成电能，转化的电能通过金属电极层传输至N型氮化镓层，为氮化镓基LED供电。本实用新型将钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED整合为一体，通过钙钛矿太阳能电池为氮化镓基LED供电，无需经常更换电源，使用起来更加方便。

Description

钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构及半导体器件
技术领域
本实用新型涉及半导体技术领域，具体涉及一种钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构及半导体器件。
背景技术
Si和GaAs分别为传统半导体材料第一代、第二代的代表。它们的发展推动了微电子技术、光电子技术的发展，以此为基础的信息技术给人类社会和生活带来了翻天覆地的变化。由于材料本身的限制，第一代、第二代半导体材料只能工作在200℃以下的环境中，而且抗辐射、耐高压击穿性能以及发射可见光波长范围都不能完全满足现代电子技术发展对高温、大功率、高频、高压以及抗辐射、能发射蓝光的新要求。在这种情况下，新型电子器件材料的选择推出了以GaN为代表的第三代半导体材料。
氮化镓作为第三代半导体材料的典型代表，具有禁带宽度大、击穿场强高、饱和电子迁移速率高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强，以及良好的化学稳定性，适合制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件，而且可以制作蓝、绿和紫外发光器件和光探测器件。
氮化镓基发光二极管(LED)广泛应用于手机及手提电脑背光源、交通灯、户外全彩显示屏等领域，并逐渐向普通照明领域发展，且在普通照明领域拥有广阔前景。现有的氮化镓基LED使用的电源多为外接电源，外接电源与氮化镓基LED为相互独立的两个部分，存在电源占据空间大，且电源需要经常更换，从而导致使用不便的问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题在于提供一种将钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED整合为一体、通过钙钛矿太阳能电池为氮化镓基LED供电、无需经常更换电源、使用起来更加方便的钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构，其包括：
氮化镓基LED，包括从下至上依次堆叠的P型氮化镓层、电子阻挡层、多量子阱层和N型氮化镓层；
钙钛矿太阳能电池，包括在所述N型氮化镓层上从下至上依次堆叠的金属电极层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和ITO电极层；
所述N型氮化镓层与金属电极层键合，所述氮化镓基LED与钙钛矿太阳能电池共用所述金属电极层，所述ITO电极层与P型氮化镓层电连接，所述钙钛矿太阳能电池用于将太阳能转化成电能，转化的电能通过所述金属电极层传输至所述N型氮化镓层，为所述氮化镓基LED供电。
作为本实用新型的进一步改进，所述空穴传输层为PEDOT:PSS。
作为本实用新型的进一步改进，所述钙钛矿层为MAPbI3。
作为本实用新型的进一步改进，所述电子传输层为PC61BM或PC71BM。
作为本实用新型的进一步改进，所述金属电极为铝电极、银电极或锌电极。
作为本实用新型的进一步改进，所述ITO电极层通过导线与P型氮化镓层连接。
作为本实用新型的进一步改进，所述钙钛矿太阳能电池的输出电压与所述氮化镓基LED的工作电压相匹配，所述钙钛矿太阳能电池的输出电流与所述氮化镓基LED的工作电流相匹配。
作为本实用新型的进一步改进，所述钙钛矿太阳能电池采用一步溶液法或两步溶液法制备。
作为本实用新型的进一步改进，所述氮化镓基LED通过先在蓝宝石衬底上MOCVD外延生长，然后用激光剥离蓝宝石衬底得到。
为了解决上述技术问题，本实用新型还提供了一种半导体器件，包括上述任一所述的钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构。
本实用新型的有益效果：
本实用新型的钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构将钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED整合为一体，封装为一个器件，通过钙钛矿太阳能电池为氮化镓基LED供电，无需经常更换电源，使用起来更加方便，应用场景更加广泛，可应用于户外等场景。
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本实用新型优选实施例中钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构的结构示意图。
标记说明：
11、P型氮化镓层；12、电子阻挡层；13、多量子阱层；14、N型氮化镓层；
21、金属电极层；22、电子传输层；23、钙钛矿层；24、空穴传输层；25、ITO电极层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。
如图1所示，为本实用新型优选实施例中钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构，包括氮化镓基LED和钙钛矿太阳能电池。
氮化镓基LED包括从下至上依次堆叠的P型氮化镓层11、电子阻挡层12、多量子阱层13和N型氮化镓层14；钙钛矿太阳能电池包括在N型氮化镓层14上从下至上依次堆叠的金属电极层21、电子传输层22、钙钛矿层23、空穴传输层24和ITO电极层25。
N型氮化镓层14与金属电极层21键合，氮化镓基LED与钙钛矿太阳能电池共用金属电极层21，ITO电极层25与P型氮化镓层11电连接，钙钛矿太阳能电池用于将太阳能转化成电能，转化的电能通过金属电极层21传输至N型氮化镓层14，为氮化镓基LED供电。
具体地，在接受太阳光照射时，钙钛矿层23首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿激子束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。而且，因为这些钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，所以载流子的扩散距离和寿命较长。
然后，这些未复合的电子和空穴分别被电子传输层22和空穴传输层24收集，即电子从钙钛矿层23传输到电子传输层22，被ITO电极层25收集；空穴从钙钛矿层23传输到空穴传输层24，被金属电极21收集，并传输到N型氮化镓层14，为氮化镓基LED供电。
本实用新型的钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构将钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED整合为一体，封装为一个器件，体积更小，省去了很多电池和LED的外部连接线路，通过钙钛矿太阳能电池为氮化镓基LED供电，无需经常更换电源，可以延长使用寿命，使用起来更加方便，应用场景更加广泛，可应用于户外等场景。
可选地，空穴传输层24为PEDOT:PSS。PEDOT:PSS是一种高分子聚合物的水溶液，导电率很高，根据不同的配方，可以得到导电率不同的水溶液。PEDOT:PSS是由PEDOT和PSS两种物质构成。PEDOT是EDOT(3，4-乙烯二氧噻吩单体)的聚合物，PSS是聚苯乙烯磺酸盐。这两种物质在一起极大地提高了PEDOT的溶解性。
可选地，钙钛矿层23为MAPbl3(甲基胺碘化铅)等材料。电子传输层22为PC61BM或PC71BM等材料。金属电极为铝电极、银电极Ag/Ag+、锌电极Zn/Zn2+等。
可选地，ITO电极层25通过导线与P型氮化镓层11连接，以形成闭合回路。
为了保证钙钛矿太阳能电池可以稳定为氮化镓基LED供电，并保证氮化镓基LED正常工作，钙钛矿太阳能电池的输出电压与氮化镓基LED的工作电压相匹配，钙钛矿太阳能电池的输出电流与氮化镓基LED的工作电流相匹配。且氮化镓基LED和钙钛矿太阳能电池均为层状结构，方便键合，便于制备。
可选地，氮化镓基LED通过先在蓝宝石衬底上MOCVD外延生长，然后用激光剥离蓝宝石衬底得到。MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V主族、Ⅱ-Ⅵ副族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。
本实施例中，钙钛矿太阳能电池通过两步溶液法制备。在本实用新型的其他实施例中，钙钛矿太阳能电池可采用一步溶液法制备。
具体地，以两步溶液法为例，本实用新型的钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构，其制备方法如下：
步骤S1、在镀有ITO的玻璃上面依次旋涂空穴传输层溶液、钙钛矿前驱体溶液(第一步为PbI2溶液，第二步为MAI溶液，经加热反应后形成钙钛矿层)、电子传输层溶液，最后蒸镀上金属电极，得到钙钛矿太阳能电池；在本实用新型的其他实施例中，玻璃可用PET薄膜等材料替代。
步骤S2、在蓝宝石衬底上利用MOCVD外延生长垂直结构氮化镓基LED，依次生长P型氮化镓层、电子阻挡层、多量子阱层和N型氮化镓层，后用激光剥离将其剥离蓝宝石衬底，得到垂直结构的氮化镓基LED。
步骤S3、将N型氮化镓层与金属电极层键合在一起，使得氮化镓基LED与钙钛矿太阳能电池共用金属电极层21，最后通过导线将ITO电极层与P型氮化镓层电连接。
其中，步骤S1和S2不分先后，在本实用新型的另一实施例中，步骤S2在前，步骤S2在后。
可选地，钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED两部分均可以做成柔性器件结构，以获得更广的适用范围。
本实用新型优选实施例还公开了一种半导体器件，其包括上述实施例中的钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构。通过将钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED封装为一个器件，通过钙钛矿太阳能电池为氮化镓基LED供电，在工作时，保证钙钛矿太阳能电池能够接触到阳光，在光照的作用下，将太阳能转化成电能为氮化镓基LED供电，无需经常更换电源，方便了半导体器件的使用。
以上实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构，其特征在于，包括：
氮化镓基LED，包括从下至上依次堆叠的P型氮化镓层、电子阻挡层、多量子阱层和N型氮化镓层；
钙钛矿太阳能电池，包括在所述N型氮化镓层上从下至上依次堆叠的金属电极层、电子传输层、钙钛矿层、空穴传输层和ITO电极层；
所述N型氮化镓层与金属电极层键合，所述氮化镓基LED与钙钛矿太阳能电池共用所述金属电极层，所述ITO电极层与P型氮化镓层电连接，所述钙钛矿太阳能电池用于将太阳能转化成电能，转化的电能通过所述金属电极层传输至所述N型氮化镓层，为所述氮化镓基LED供电。
2.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池的输出电压与所述氮化镓基LED的工作电压相匹配，所述钙钛矿太阳能电池的输出电流与所述氮化镓基LED的工作电流相匹配。
3.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构，其特征在于，所述金属电极为铝电极、银电极或锌电极。
4.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构，其特征在于，所述ITO电极层通过导线与P型氮化镓层连接。
5.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构，其特征在于，所述电子传输层为PC61BM或PC71BM。
6.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构，其特征在于，所述空穴传输层为PEDOT:PSS。
7.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构，其特征在于，所述钙钛矿层为MAPbI3。
8.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构，其特征在于，所述钙钛矿太阳能电池采用一步溶液法或两步溶液法制备。
9.如权利要求1所述的钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构，其特征在于，所述氮化镓基LED通过先在蓝宝石衬底上MOCVD外延生长，然后用激光剥离蓝宝石衬底得到。
10.半导体器件，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的钙钛矿太阳能电池和氮化镓基LED集成结构。
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