CN106058052A - 一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源开发应用领域，涉及一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，它包括基板、OPV器件、超级电容器和OLED发光器件，所述OPV器件、超级电容器和OLED发光器件集成在一块基板的同一个平面上。光照射到OPV器件，产生的电能存储于超级电容器中，超级电容器既可以用于驱动OLED发光器件发光，也可以作为便携式供电装置。本发明将OPV器件、OLED发光器件及超级电容器连接，既可以避免了由于OPV器件对光的吸收造成的光强损失，又可以应用在柔性技术中。
Description
技术领域
本发明属于新能源开发应用领域，特别是涉及一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统。
背景技术
每年地球受到的太阳辐射大约有5.44x1024J，相当于人类每年消耗量的10000倍，而太阳能电池作为最好的太阳能利用元件，是通过材料的光伏效应产生电能的器件。
目前，以硅(SI)为代表的无机太阳能电池，占据着太阳能电池的主要市场，该种太阳能电池制造成本昂贵，制备工艺能源消耗大，需要使用较多的有毒化学品及水资源，且无机太阳能器件无柔韧性，不能弯曲，无机半导体材料的窄带隙特性使其光腐蚀现象严重，严重影响无机太阳能电池的使用寿命。
有机太阳能电池(Organic Photovoltaic，OPV)具有柔韧性、可弯曲、生产过程简单、制造成本低,无污染、大面积均匀膜层和寿命长等优点，有望成为通信、建筑、交通、照明等领域的新型能源。有机电致发光器件(Organic LightEmittingDevice，OLED)由于具有超轻薄、高亮度、响应快、低功耗、效率高及制作简单等特性，广泛应用于平板显示器、背光模组以及照明等领域，其为直流驱动，可以避免由于交流电产生的高频辐射对人体的危害。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，将OPV器件、超级电容器和OLED发光器件相结合，通过OPV器件将太阳能转换成电能，把电能存储到超级电容器中，既可以驱动OLED发光，实现照明目的，也可以当做便携式供电装置使用。
为达到上述目的，一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统的技术方案为：它包括基板、基板同一平面上的OPV器件、OLED发光器件，及连接OPV器件和OLED发光器件的超级电容器，所述OPV器件单元采用正置结构，从基板由内及外依次为OPV阳极、OPV有机功能层、OPV阴极。光照射OPV器件，OPV器件吸收入射光产生激子，通过传输、解离、电荷收集产生光生电流，通过与超级电容器相连接，将电荷存储于超级电容器之中，既可以将超级电容器中存储的电荷用于驱动OLED发光，也可以当做便携式供电装置使用。避免了由于OPV器件对光的吸收造成的光强损失。
作为一种优选实施方式，所述基板为玻璃基板或PET柔性基板。
作为一种优选实施方式，所述OPV器件选用IT0、ZnO、FTO、GZO、石墨烯、石墨烯/碳纳米管复合电极中的一种或多种作透明阳极，选用Au/Ag合金、Al、IT0中的一种或多种作为透明或半透明阴极。
作为一种优选实施方式，所述超级电容器使用的是薄膜技术，其中包括喷墨打印、印刷等工艺。
作为一种优选实施方式，所述OLED发光器件采用底发射结构，从基板由内及外依次为OLED阳极、OLED有机功能层、OLED阴极。
作为一种优选实施方式，所述OLED发光器件为荧光OLED发光器件或磷光OLED发光器件，OLED器件选用IT0、Au、聚苯胺、石墨烯、石墨烯/碳纳米管复合薄膜中的一种或多种作透明阳极，选用Ag、Al、Mg、Ga、In、Li中的一种或多种作为透明或半透明阴极。其中OLED发光器件可根据颜色的选择用于不同的用途，如照明，将不同颜色OLED发光器件图案化用于装饰、显示等。
作为一种优选实施方式，所述OPV器件和OLED发光器件采用的是共阳极结构。
此外，也可以将OPV器件与超级电容器相连后单独用于便携式供电装置。
由于OPV器件和OLED发光器件具有可弯曲性，可用于刚性或柔性基板，根据用途不同，选择合适的基板用于照明、装饰或显示。
本发明将正置结构的OPV器件和OLED发光器件与超级电容器连接，OLED发光器件可以采用底发射结构，避免了由于OPV器件对光的吸收造成的光强损失。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明将OPV器件、超级电容器和OLED发光器件集成在一块基板的同一平面上，光照射到OPV器件，产生的电能存储于超级电容器中，超级电容器既可以用于驱动OLED发光器件发光，也可以作为便携式供电装置。本发明将OPV器件、OLED发光器件及超级电容器连接，既可以避免了由于OPV器件对光的吸收造成的光强损失，又可以应用在柔性技术中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一、实施例二、实施例三的结构示意图。
图2为本发明实施例四的结构示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：
参考图1，一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，包括：基板（1）、电容器（2）、OPV器件（3）、超级和OLED发光器件（4）。其特征在于：所述基板（1）、超级电容器（2）、OPV器件（3）和OLED发光器件（4）集成在同一块基板的同一个平面上。
实施例二：
本实施例和实施例一基本相同，特别之处如下：所述基板（1）为玻璃基板或PET柔性基板。所述OPV器件（3）使用的是薄膜技术，从基板（1）由内及外依次为OPV阳极（31）、OPV有机功能层（32）、OPV阴极（33）。所述OPV器件(3)选用IT0、ZnO、FTO、GZO、石墨烯、石墨烯/碳纳米管复合薄膜中的一种或多种作为透明阳极，选用Au/Ag合金、Al、IT0中的一种或多种作为透明或半透明阴极。所述超级电容器（2）使用的是薄膜技术，其中由喷墨打印、印刷等工艺制成。所述OLED发光器件（4）使用的是薄膜技术，从基板由内及外依次为OLED阳极（41）、OLED有机功能层（42）、OLED阴极（43）。所述OLED发光器件（4）为荧光OLED发光器件或磷光OLED发光器件，OLED发光器件（4）选用IT0、Au、聚苯胺、石墨烯、石墨烯/碳纳米管复合薄膜中的一种或多种作透明阳极，选用Ag、Al、Mg、Ga、In、Li中的一种或多种作为透明或半透明阴极。所述OPV器件（3）和OLED发光器件（4）采用的是共阳极结构。
实施例三：
在本实施例中，参见图1，一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，包括玻璃基板（1）、超级电容器（2），OPV器件（3）、OPV阳极（31）、OPV有机功能层（32）、OPV阴极（33）、OLED发光器件（4）、OLED阳极（41）、OLED有机功能层（42）、OLED阴极（43）。
在本实施例中，一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，包括：基板、基板同一平面上的OPV器件、OLED发光器件，及连接OPV器件和OLED发光器件的超级电容器，所述OPV器件采用正置结构，从基板由内及外依次为OPV阳极、OPV有机功能层、OPV阴极。OLED发光器件采用底发射结构，OPV器件和OLED发光器件采用共阳极结构。光照射OPV器件，OPV器件吸收入射光产生激子，通过传输、解离、电荷收集产生光生电流，通过与超级电容器相连接，将电荷存储于超级电容器之中，将超级电容器中存储的电荷用于驱动OLED器件发光。
在本实施例中，一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，OPV器件的制作包括如下步骤：
一．预处理工艺
1. ITO(indium tin oxide)电极的图案化。（1）取一块100mm*100mm面积的全ITO玻璃基板，旋涂一层光刻胶并115℃下退火15 min；（2）将预先设计好的不透明ITO图案放在光刻胶上并曝光；（3）曝光后放入显影液中50 s，取出并用去离子清洗；130℃退火15 min；（4）退火后，将其放入酸中刻蚀5 min左右。最后得出图案化的ITO电极。在此我们在ITO上刻蚀出SHU-SUES字样。
2. 清洗基板。由于基板上可能有残留的光刻胶，空气中的灰尘或者水汽，因此，需要对基板进行清洗处理。首先通过湿法清洗：将ITO玻璃洗洁精和去离子水清洗超声60min，然后分别用丙酮和异丙醇超声60 min，然后放在钨灯下烘烤10 min；接着干法清洗：指对ITO表面进行紫外线（UV）臭氧处理或者氧离子处理20 min。
二． 成膜工艺
采用真空蒸镀法或涂布旋涂的方法制膜。真空蒸镀：首先，在真空腔体的基板座上放置上经过预处理的ITO玻璃基板，然后把准备好的有机无机材料放入指定的坩埚或钨舟上，关闭蒸镀腔并对腔体抽真空。待蒸镀腔内真空度10-6 Pa时，对坩埚和钨舟加热，依次蒸镀空穴注入层、空穴传输层、活性层、电子传输层，电子注入层、阴极。其中阴极蒸镀速率在5-10 A/s，其他材料控制在0.6-1A/s。涂布旋涂：将经过预处理的ITO玻璃基板转移到手套箱中的匀胶机上，设定匀胶速率以及匀胶时间；首先旋涂空穴传输层材料，并进行退火；接着旋涂活性层材料，通过擦拭出电极；之后转移至蒸镀舱依次蒸镀电子传输层、电子注入层、以及阴极。
在本实施例中，一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，OLED发光器件的制作包括如下步骤：
一．预处理工艺
1. ITO(indium tin oxide)电极的图案化。ITO作为阳极，与之后沉积的阴极形成“围棋盘”的形状，电压施加在它们的交叉部分，这通过将ITO薄膜不需要的部分去除（刻蚀）来实现，即保留ITO必要的部分，将其他部分剥离掉。在此我们在ITO 上刻蚀出SHU SUES(Shanghai University Shanghai Univeisity Of Engineering Science)字样, 字体大小是38×6mm。所用的刻蚀液是HCl : HNO3 : H2O = 9:1:6的王水。在匀胶台上将光刻胶均匀的涂覆在ITO基板上，周围环境温度保持在223℃，湿度低于60%，然后在干燥箱里进行烘干，使胶膜干燥以增加胶膜与表面的黏附性和胶膜的耐磨性。接着在涂好的光刻胶表面覆盖掩模版，用紫外进行照射，使受光部位的光刻胶发生化学变化，改变其在显影液中的溶解度，继而把曝光后的基板放入显影槽中，喷洒显影液使不需要的ITO被腐蚀掉，最后用碱液把剩余的光刻胶去除。
2.清洗基板。 由于基板上可能有残留的光刻胶，空气中的灰尘或者水汽，因此，需要对基板进行清洗处理。首先通过湿法清洗，依次用去离子水+洗洁精(90min）→丙酮(90min)→去离子水+洗洁精(90min)→去离子水(3次，15min)→异丙醇(90min)，最后通过干法清洗。干法清洗是指对ITO 表面进行紫外线（UV）臭氧处理或者氧离子处理，时间控制在15~20min。
二．成膜工艺
我们采用真空蒸镀法来完成有机薄膜的形成。首先，在真空腔体的基板座上，把已经图案化的ITO基板（ITO面向下）放置好，然后把准备好的材料放入坩埚和舟内，开始抽真空,当真空度≤1×10-5时进行蒸镀。通过对坩埚和舟高温加热达到材料的升华温度，使其开始气化，并附着在放置好的ITO基板表面，蒸发速率控制在0.6~1.2Å/s, 通过控制速率和厚度完成每一层的蒸镀。按照下面的顺序形成各层薄膜：
（1）空穴注入层（ITO的电极上）
（2）空穴传输层
（3）发光层
（4）电子传输层
（5）电子注入层
（6）阴极（电极）
三． 封装工艺
由于OLED对水氧很敏感，所以需要把其进行封装。所谓封装，就是加个盖板，并将基板和盖板用环氧树脂粘结，整个封装过程在充满氮气的手套箱内完成。这样在基板和盖板之间就形成了一个密闭的空间把器件和空气隔开。因此，比较有效地防止了OLED各功能层以及阴极与空气中的水，氧等成分发生反应。
实施例四：
在本实施例中，参见图2，一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，包括玻璃基板（1）、超级电容器（2），OPV器件（3）、OPV阳极（31）、OPV有机功能层（32）、OPV阴极（33）、OLED发光器件（4）、OLED阳极（41）、OLED有机功能层（42）、OLED阴极（43）、开关（5）、小功率用电器（6）。
在本实施例中，本实施例与实施例三基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图2，在连接OLED发光器件之前增加了一个开关5，开关可以控制OLED发光器件和小功率用电器的断开和连接。当需要使用小功率用电器，而不使用OLED发光器件时，使开关断开OLED发光器件的连接线，连接小功率用电器的连接线。因此，可以将OPV器件与超级电容器相连后单独用于便携式供电装置。
Claims (8)
1.一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，包括：基板（1）、超级电容器（2）、OPV器件（3）和OLED发光器件（4），其特征在于：所述基板（1）、超级电容器（2）、OPV器件（3）和OLED发光器件（4）集成在同一块基板的同一个平面上。
2.如权利要求1所述的一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，其特征在于：所述基板（1）为玻璃基板或PET柔性基板。
3.如权利要求1所述的一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，其特征在于：所述OPV器件（3）使用的是薄膜技术，从基板（1）由内及外依次为OPV阳极（31）、OPV有机功能层（32）、OPV阴极（33）。
4.如权利要求1所述的一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，其特征在于：所述OPV器件(3)选用IT0、ZnO、FTO、GZO、石墨烯、石墨烯/碳纳米管复合薄膜中的一种或多种作为透明阳极，选用Au/Ag合金、Al、IT0中的一种或多种作为透明或半透明阴极。
5.如权利要求1所述的一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，其特征在于：所述超级电容器（2）使用的是薄膜技术，其中由喷墨打印、印刷等工艺制成。
6.如权利要求1所述的一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，其特征在于：所述OLED发光器件（4）使用的是薄膜技术，从基板由内及外依次为OLED阳极（41）、OLED有机功能层（42）、OLED阴极（43）。
7.如权利要求1所述的一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，其特征在于：所述OLED发光器件（4）为荧光OLED发光器件或磷光OLED发光器件，OLED发光器件（4）选用IT0、Au、聚苯胺、石墨烯、石墨烯/碳纳米管复合薄膜中的一种或多种作透明阳极，选用Ag、Al、Mg、Ga、In、Li中的一种或多种作为透明或半透明阴极。
8.如权利要求1所述的一种基于薄膜发电、储能、发光的集成系统，其特征在于：所述OPV器件（3）和OLED发光器件（4）采用的是共阳极结构。
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