【国际论文】韩国仁川国立大学：用于可穿戴光电器件全波整流的柔性透明 Ga₂O₃/NiO 光伏二极管

        由韩国仁川国立大学的研究团队在学术期刊 Advanced Electronic Materials 发布了一篇名为Flexible and Transparent Ga₂O₃/NiO Photovoltaic Diode for Full-Wave Rectification in Wearable Optoelectronics（用于可穿戴光电器件全波整流的柔性透明 Ga₂O₃/NiO 光伏二极管）的文章。

        柔性透明电子器件是下一代可穿戴光电器件的核心，这类系统普遍需要轻量化、可弯折且光学透明的电源管理单元。摩擦纳米发电机、压电纳米发电机输出为交流电，必须经过整流转换为直流电才可以供可穿戴设备使用。传统硅基整流器件质地坚硬、不透明，无法适配柔性透明电子的应用需求。

        宽禁带氧化物半导体可以低温制备，适配柔性聚合物衬底。非晶 Ga₂O₃ 具备超宽禁带，NiO 是稳定透明 p 型半导体，二者构建 p-n 异质结具备优异整流特性。但同时实现高效全波整流、高透光与良好机械柔性，依旧存在较大技术难点。本文在 PET 柔性衬底上制备 Ga₂O₃/NiO 异质结光伏二极管，研究器件光电与弯曲力学性能，并将器件集成到全波整流电路，验证其在自驱动可穿戴光电器件中的应用潜力。

        本文在 PET 柔性衬底上制备了溅射沉积的 Ga₂O₃/NiO 异质结光伏二极管阵列，器件可见光透过率可达 65 %，0 V 漏电流低至 1.07 nA，±2 V 下整流比达到 8.505×10³。在 UVC 紫外光照条件下，器件表现出光伏效应，开路电压 462 mV，短路电流密度 103.08 μA cm⁻²；同时具备自驱动光电探测能力，响应度为 13 mA W⁻¹，探测率可达 2.43×10¹¹ Jones。将该二极管集成至全波整流电路，可以成功实现交流电到直流电的转换，器件经过弯曲测试后依旧维持整流功能，证明该结构在透明柔性自驱动可穿戴器件领域具备应用前景。

        ① 在 PET 柔性衬底上实现溅射制备 Ga₂O₃/NiO p-n 异质结，器件同时实现可见光高透过率与良好二极管整流特性。

        ② 该异质结器件兼具光伏能量收集与日盲紫外自驱动光电探测双重功能，获得较高的响应度与探测率。

        ③ 器件具备优异的机械耐受能力，多次弯曲后依旧保留整流性能，适配动态形变的可穿戴应用场景。

        ④ 将柔性透明 Ga₂O₃/NiO 二极管成功集成全波整流电路，完成交流-DC信号转换。

        ⑤ 实现光伏发电与整流单元一体化，为下一代透明可穿戴自驱动光电器件提供新器件方案。

        本研究构建基于 Ga₂O₃/NiO 异质结的集成器件，同时实现光伏能量产生与柔性透明全波整流功能。在 265 nm 紫外光照下，器件拥有 462 mV 开路电压以及 103.08 μA cm⁻² 的短路电流密度，器件响应度为 13 mA W⁻¹，探测率达到 2.43×10¹¹ Jones。异质结理想因子为 1.59，±2 V 整流比为 8.505×10³，反向漏电流低至 1.07 nA；过度弯曲会引入应变损伤，劣化结特性与整流性能。该器件兼顾光伏、整流、高透光与机械柔性，在柔性透明电子领域具备应用潜力。宽禁带 Ga₂O₃ 与 p 型 NiO 的结合，在可见光范围光损耗较低，可以制备高性能整流结。整流电路多次弯曲后电学性能保持稳定，适合形变电子系统。该工作为柔性传感器、能量收集电路以及可穿戴光子器件开发开辟可行路径。

图 1 (a) Ga₂O₃/NiO 基柔性二极管结构示意图；(b) ITO-Ga₂O₃/NiO-AgNWs 二极管横截面透射电镜图像；(c) 玻璃衬底上 Ga₂O₃ 与 NiO 薄膜的 XRD 谱图；(d) 二极管结构中 In、Sn、Ga、Ni、Ag、O 元素的 EDS 面分布；(e) Ga₂O₃、NiO 以及完整器件的透过光谱；(f) Ga₂O₃、NiO 以及完整器件的吸收光谱；(g) Tauc 图，给出 Ga₂O₃ 和 NiO 的光学带隙分别为 4.12 eV 和 3.9 eV。

图 2 (a) 光照条件下透明 Ga₂O₃/NiO 二极管示意图；(b) Ga₂O₃/NiO 异质结能带图；(c) 黑暗与光照条件下 Ga₂O₃/NiO 的 I-V 特性曲线；(d) 250 nm 光照下瞬态电流响应，包含上升、下降时间；(e) 透明 Ga₂O₃/NiO 二极管弯曲测试测试平台示意图；(f) 平坦、弯曲半径 1.25 cm、弯曲半径 1 cm 条件下器件暗态电流响应，插图为弯曲测试实物示意图。

图 3 (a) Ga₂O₃/NiO 二极管构成的透明柔性整流电路实物照片；(b) 整流电路器件排布与连接方式；(c) 整流电路内部单只二极管连接示意图；(d) 整流电路输入交流电压波形；(e) 整流电路原理图，负载端并联 10 kΩ 电阻与 25 V 220 µF 电容；(f) 无滤波电容时输出纹波直流电压；(g) 接入平滑电容后的输出电压与无电容输出对比；(h) 输入交流、纹波直流、滤波后直流信号对比波形；(i) 电路测试平台实物照片。

图 4 可穿戴模式下柔性透明 Ga₂O₃/NiO 二极管整流电路测试平台实物照片。

DOI：

10.1002/aelm.70587