CN110138332A - 一种光子晶体复合型无线充电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光子晶体复合型无线充电装置，用于生物体内的植入式设备，包括：太阳能电池；上转换发光装置，用于为太阳能电池提供可见光，其由上转换光子晶体复合材料制得，上转换光子晶体复合材料包括光子晶体和分布在光子晶体表面和/或内部的上转换发光颗粒，光子晶体具有光子禁带特性的周期性排布结构，上转换发光颗粒为表面改性后的红外上转换纳米颗粒。本发明通过光运输替代突变磁场实现无线充电，原料易取、方法简单、功能针对性强，在光电、能源领域等方面具备广泛的应用和极强的实际推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线充电技术领域，且特别涉及一种光子晶体复合型无线充电装置。
背景技术
目前，随着医疗技术的发展，体内植入式医疗设备越来越受欢迎，其功能也变得越来越丰富，从而对电能的供给提出了很大的要求，传统的锂电池具有有限的寿命，因为其坚硬的外壳、较差的生物相容性和多次更换的不安全性，使得生物相容性较好的体内可植入式无线充电装置成为未来发展的一个重要方向。
随着无线充电技术的日益发展，常见无线充电设备利用电磁感应原理，端传输能量，解除了传统充电设备对电线的依赖，使得人们日常生活更加便捷。然而，交变磁场辐射传输的无定向性、电磁波对人体或动物皮肤的低穿透性，使得大量能量浪费，并可能会对人体或者其他动物造成生命健康的危害。而某些近红外光(例如980nm)对人体或其他动物的生物组织具有较强的穿透能力，能达到几厘米的深度，并对人体或其他动物具有较低的生物毒性，可以应用在体内可植入式无线充电装置中。
上转换发光材料(通常为稀土上转换发光材料)具有非常独特的光学特性，反斯托克斯发光的性质，能通过多光子过程使能量较低的近红外光转变为能量较高的近红外光和可见光，后者能被常见的染料太阳能电池所吸收并利用，转换为电能。
CN109103965A、CN107332311A、CN108512277A均使用电磁感应原理进行无线充电。CN109066932A使用砷化镓基多维光子晶体封装的半导体器件作为光能接受器和发射器，先将充电设备的电能转化为光能传播，被充电设备再将接收的光能转化为电能储存，通过光运输代替了突变磁场。然而，这些无线充电设备或者使用电磁传感的原理，可能危害人体或其他动物的健康；或者制备过程复杂、高成本，限制了这些无线设备的应用与推广；没有解决锂电池外壳坚硬、生物相容性差的问题，无法应用于体内植入式无线充电设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光子晶体复合型无线充电装置，此无线充电装置光电转换效率高、生物相容性好。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种光子晶体复合型无线充电装置，用于生物体内的植入式设备，包括：
太阳能电池；
上转换发光装置，用于为所述太阳能电池提供可见光，其由上转换光子晶体复合材料制得，所述上转换光子晶体复合材料包括光子晶体和分布在所述光子晶体表面和/或内部的上转换发光颗粒，所述光子晶体具有光子禁带特性的周期性排布结构，所述上转换发光颗粒为表面改性后的红外上转换纳米颗粒。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述表面改性后的红外上转换纳米颗粒为二氧化硅包覆的红外上转换纳米颗粒。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述光子晶体选自限定间距排列的蛋白石型光子晶体、限定多孔间距的反蛋白石型光子晶体、周期性排布的阵列型光子晶体或周期性排布的螺旋型光子晶体。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述光子晶体为限定多孔间距的反蛋白石型光子晶体，则所述上转换光子晶体复合材料按如下步骤制备：
通过无皂乳液聚合法制备单分散的聚苯乙烯微球乳液，将所述聚苯乙烯微球乳液铺满在平整的基底，烘干获得牺牲模板；
将含有所述上转换发光颗粒的溶液与结构蛋白溶液混合均匀后浇注于牺牲模板中，自然晾干后浸于有机溶剂中除去牺牲模板，得到上转换光子晶体复合材料。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述上转换发光颗粒与所述结构蛋白的质量比为(0.0001-0.1):1。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述结构蛋白选自蚕丝蛋白、角蛋白、大豆蛋白中的一种或多种。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述光子晶体结构为一层或多层。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述上转换发光装置为柔性结构，所述太阳能电池为柔性太阳能电池，所述上转换发光装置设置于所述太阳能电池的背光侧作为光反射装置。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述上转换发光装置为呈曲面状，所述太阳能电池设置于所述上转换发光装置的反射光聚焦处。
本发明实施例的光子晶体复合型无线充电装置的有益效果是：
(1)本发明提供的光子晶体复合型无线充电装置利用上转换发光颗粒吸收红外光、发出可见光，光子晶体对该可见光进行增强发光后被太阳能电池吸收，可以实现无线充电功能，在红外光下具有较高的光电转化效率。
(2)本发明利用生物相容性较好的光子晶体和结构蛋白可构建生物相容性较好的无线充电设备，利用近红外光(例如980nm)对人体或其他动物的生物组织具有较强的穿透能力，能达到几厘米的深度，并对人体或其他动物具有较低的生物毒性，可以应用在体内可植入式无线充电装置中，如在人或其他动物体内为类似心脏起搏器、体内机器人等体内小型用电设备无线供电。
(3)本发明原料易取，实现方法简单，功能针对性强，在生物、光电、能源领域等方面具备广泛的应用和极强的实际推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例1中蛋白石型上转换增强型光子晶体材料的 SEM图；
图2为本发明实施例2中反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料的SEM图；
图3为本发明实施例4中矩阵型上转换增强型光子晶体材料的 SEM图；
图4为本发明对比例2中对比例1、实施例2和实施例3在980nm 红外光下的上转换发光谱图；
图5为本发明对比例2中反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料的显微照片，其中a)为白光下，b)为980nm光下；
图6为本发明对比例2在980nm红外光下在不同区域下的上转换发光谱图；
图7为本发明试验例2中光电数据测试示意图；
图8为本发明试验例2、对比例1和对比例3的电流密度-电压曲线对比图；
图9为本发明试验例3中弯曲的纤维状染料敏化太阳能电池的照片；
图10为本发明试验例3中纤维状染料敏化太阳能电池的能量转化效率变化曲线；
图11为本发明试验例4中不同样品在同一接种条件下的细胞生长情况对比图；
图12为本发明实施例5中串联纤维状敏化太阳能电池电流密度- 电压曲线对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的光子晶体复合型无线充电装置进行具体说明。
本发明提供了一种光子晶体复合型无线充电装置，用于生物体内的植入式设备，包括：
太阳能电池；
上转换发光装置，用于为所述太阳能电池提供可见光，其由上转换光子晶体复合材料制得，所述上转换光子晶体复合材料包括光子晶体和分布在所述光子晶体表面和/或内部的上转换发光颗粒，所述光子晶体具有光子禁带特性的周期性排布结构，所述上转换发光颗粒为表面改性后的红外上转换纳米颗粒。
所述太阳能电池具有很好的光捕获能力，可以是硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能、有机太阳能电池、量子点太阳能电池或钙钛矿太阳能电池等。优选的，太阳能电池选自纤维状染料敏化太阳能电池，其原料来源丰富、成本低、环保无毒、制备工艺相对简单。
其中，上转换发光颗粒吸收红外光，发出可见光，而光子晶体可增强上转换发光颗粒的发光强度，构建的上转换增强型光子晶体复合材料所发出的可见光可被太阳能电池吸收并进行光电转化，实现无线充电的功能。
其中，所述表面改性后的红外上转换纳米颗粒为二氧化硅包覆的红外上转换纳米颗粒。二氧化硅包覆的红外上转换纳米颗粒相对于未进行包覆的上转换纳米颗粒具有更好的分散性，更易于与构成光子晶体结构的基体材料进行复合。可以选自NaYF4：Yb，Er、LaF3:Nd,Tm、NaYF4:Yb,Tm等，本发明不做具体限定。优选的上转换纳米颗粒选自NaYF4:Yb,Er，其中，NaYF4为基质材料，Er做激活剂， Yb作为敏化剂，上转换发光效率高。
进一步地，所述光子晶体选自限定间距排列的蛋白石型光子晶体、限定多孔间距的反蛋白石型光子晶体、周期性排布的阵列型光子晶体或周期性排布的螺旋型光子晶体，也可以选自其他周期性排布具有光子禁带特性的光子晶体结构，本发明不做具体限定。
进一步地，所述光子晶体为限定多孔间距的反蛋白石型光子晶体，所述上转换光子晶体复合材料按如下步骤制备：
通过无皂乳液聚合法制备单分散的聚苯乙烯微球乳液，将所述聚苯乙烯微球乳液铺满在平整的基底，烘干获得牺牲模板；
将含有所述上转换发光颗粒的溶液与结构蛋白溶液混合均匀后浇注于牺牲模板中，自然晾干后浸于有机溶剂中除去牺牲模板，得到上转换光子晶体复合材料。
该实施例中，聚苯乙烯微球并非个例，其他聚合物微球如聚甲基丙烯酸甲酯微球、聚N-异丙基丙烯酰胺微球或上述聚合物微球的改性或复合物均可用于本发明。
其中，所述反蛋白石光子晶体的制备材料选择广泛、易于实现对光子禁带的多重调节。所述结构蛋白选自蚕丝蛋白、角蛋白、大豆蛋白中的一种或多种。在该实施例中，所述结构蛋白还可以是鱼蛋白、羽毛蛋白、β-乳球蛋白、大豆蛋白11S和S7、角蛋白等，结构蛋白之间存在较强的非公价交联作用，通过改变结构蛋白的种类和浓度可以进一步调控光子晶体材料的机械强度。在该实施例中，将上转换发光颗粒溶液与结构蛋白溶液混合均匀再进行浇注，可以避免红外上转换纳米颗粒在光子晶体材料表面或内部聚集，可以获得更加稳定均匀的上转换发光材料。
进一步地，所述红外上转换纳米颗粒与所述结构蛋白的质量比为 (0.0001-0.1):1。其中，红外上转换纳米颗粒所占的质量比提高时，所获得的材料上转换发光强度相应的增大。优选的，所述红外上转换纳米颗粒与所述结构蛋白的质量比为0.05:1，在该比例下，红外上转换增强型光子晶体材料具有较大的发光强度、均匀的结构和稳定的光电学性能。
进一步地，所述光子晶体结构为一层或多层。随着光子晶体结构层数的增加，上转换增强型光子晶体材料的上转换发光强度增加，因此，通过调节材料的光子晶体结构层数可以调控光子晶体材料的发光行为，对提高无线充电设备的光电转化效率具有很重要的意义。
进一步地，所述上转换发光装置为柔性结构，所述太阳能电池为柔性太阳能电池，所述上转换发光装置设置于所述太阳能电池的背光侧作为光反射装置。
其中，上转换发光装置的膜结构具有较好的柔韧性和生物相容性，柔性太阳能电池可使用生物相容性较好的高分子材料制备得到，使得该无线充电装置具有良好的生物相容性应用于可体内移植的光电转化器件。将上转换发光装置设置于太阳能电池的背光侧，上转换发光装置可吸收红外光而发出可见光被太阳能电池吸收。可以理解的是，上转换发光装置与太阳能电池可以固定连接也可以非固定连接，例如可以相互粘连、可拆卸连接或者相对放置，本发明不做具体限定。
进一步地，所述上转换发光装置为呈曲面状，所述太阳能电池设置于所述上转换发光装置的反射光聚焦处。曲面状结构有利于获得更大的光电转换效率，将太阳能电池设置于所述上转换发光装置的反射光聚焦处可以增大光吸收效率。优选的，所述曲面状结构为流线型曲面。
进一步地，所述太阳能电池为柔性纤维太阳能染料敏化电池，所述柔性纤维太阳能染料敏化电池为单根或多根纤维串联制得。多根纤维串联可有效地提高输出的供电电压。可选的，所述柔性纤维太阳能染料敏化电池还可以多根纤维并联，以提高供电电流，适应更多的用电器件，具有更大的应用范围。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置，由以下方法制备而成：
一、蛋白石型上转换增强型光子晶体材料的制备
1、制备粒径为400nm的单分散聚苯乙烯微球的乳液
通过无皂乳液聚合的方法(粒径范围为100nm-1000nm)，制备粒径为400nm的单分散聚苯乙烯微球，乳液的固含量约为10％(w/v)，步骤如下：
称取0.175g过硫酸铵于烧杯中，加入20mL去离子水使其溶解。量取0.33mL丙烯酸和38.5mL苯乙烯，溶于300mL去离子水，于 500mL四口烧瓶中以250r/min搅拌，打开冷却水，通入氮气鼓泡 20min，然后油浴加热至70℃稳定后，加入过硫酸铵水溶液，打开冷却水，在氮气保护下搅拌反应7小时，自然冷却，得到粒径分别为 400nm的单分散聚苯乙烯微球的乳液。
2、制备二氧化硅包覆的红外上转换纳米颗粒
通过一锅溶剂热法合成二氧化硅包覆的红外上转换纳米颗粒 NaYF4：Yb，Er，步骤如下：
2.1、将0.8mmol YCl3·6H2O、0.18mmol YbCl3·6H2O和0.02mmol ErCl3·6H2O加入到6mL OA和15mL十八烷中，将混合液在室温下搅拌1小时，然后在氩气流下加热至150℃并保持30分钟直至形成澄清均匀的溶液，除去加热套并冷却至室温。
2.2、将0.10g NaOH和0.148g NH4F的甲醇溶液加入烧瓶中并搅拌1小时，然后将溶液加热至110℃并通过真空蒸发15分钟进一步除水。然后在氩气流下将温度升至300℃并在该温度下保持1小时。冷却至室温后，加入丙酮沉淀纳米颗粒，然后将混合物离心、洗涤，获得OA包覆的红外上转换纳米颗粒(UCNP@OA)。
2.3、将UCNP@OA加入20mL环己烷中均匀分散，加入5mL IGEPAL CO-520搅拌1小时，然后加入0.16mL 33wt％氢氧化铵搅拌 1h后滴加0.08mL原硅酸四乙酯。继续搅拌2天后，将混合物离心、洗涤，获得二氧化硅包覆的上转换纳米颗粒(UCNP@SiO2)。
3、将单分散聚苯乙烯微球的乳液(5wt％)与上转换纳米颗粒溶液(1mg/mL)按体积比10：1混合均匀，涂覆在平整的基底上，放入40℃烘箱干燥，即获得蛋白石型上转换增强型光子晶体材料。
二、制备纤维状敏化太阳能电池
1、敏化光电阳极的制备
1.1将直径25μm的钛(Ti)线分别用丙酮、去离子水和乙醇超声清洗15分钟后取出。
1.2将Ti线和一块石墨分别连接到直流(DC)电源的正极和负极上，浸入含有0.25％(w/w)的NH4F和0.6％(v/v)的H2O的乙二醇溶液中，先在60V下将Ti线阳极氧化6小时，然后在去离子水中超声波清洗后，在60V下阳极氧化10小时。
1.3将样品在450℃(空气)退火30min，然后以2℃/min的速率冷却至室温。
1.4将阳极氧化的Ti线浸入0.3mmol L-1的N719的乙醇溶液，并在80℃下加热24小时，然后用乙醇洗涤以获得敏化光电阳极。
2、对电极的制备
将直径25μm的铂(Pt)线分别用丙酮、去离子水和乙醇超声清洗15分钟后取出，获得对电极。
3、封装过程
用热封胶封装双电极，用针管注入电解液。
三、制备蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置
将蛋白石型上转换增强型光子晶体材置于纤维状敏化太阳能电池的背光侧形成蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置。
实施例2
本实施例提供了一种反蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置，由以下方法制备而成：
一、反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料的制备
1、制备聚苯乙烯蛋白石型光子晶体结构模板：
按照实施例1的方法制备粒径为400nm的单分散聚苯乙烯微球的乳液，将10μl所述单分散聚苯乙烯微球的乳液涂敷在弯曲的基底上，放入40℃烘箱干燥，获得聚苯乙烯蛋白石型光子晶体结构模板。
2、制备二氧化硅包覆的红外上转换纳米颗粒
按照实施例1制备二氧化硅包覆的红外上转换纳米颗粒NaYF4： Yb，Er。
3、制备蚕丝蛋白溶液：
3.1将碎蚕茧用0.05％(w/v)碳酸氢钠洗涤去除丝胶，用去离子水洗涤、干燥，得到蚕丝纤维；
3.2、在60℃下将所述蚕丝纤维溶解在9.2mol/L溴化锂溶液中，透析除去溴化锂，得到浓度为5％(w/v)的蚕丝蛋白溶液。
4.将二氧化硅包覆的红外上转换纳米颗粒溶液(1mg/mL)与蚕丝蛋白溶液(2wt％)按体积比1:10混合均匀，将混合液浇注到聚苯乙烯蛋白石型光子晶体结构模板中自然干燥5h，然后浸于四氢呋喃中4h去除聚苯乙烯微球，最后从基底上揭下，即获得反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料。
二、制备纤维状敏化太阳能电池
按照实施例1制备纤维状敏化太阳能电池。
三、制备反蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置
将反蛋白石型上转换增强型光子晶体材置于纤维状敏化太阳能电池的背光侧形成反蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置。
实施例3
本实施例提供了一种反蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置，由以下方法制备而成：
一、反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料的制备
按照实施例2制备反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料，其中，与实施例2的区别之处在于：聚苯乙烯蛋白石型光子晶体结构模板的制备过程中将20μl所述单分散聚苯乙烯微球的乳液涂敷在弯曲的基底上。
二、制备纤维状敏化太阳能电池
按照实施例1制备纤维状敏化太阳能电池。
三、制备反蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置
按照实施例2制备反蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置。
实施例4
本实施例提供了一种矩阵型光子晶体复合型无线充电装置，由以下方法制备而成：
一、制备矩阵型上转换增强型光子晶体材料：
1.1按照实施例1制备二氧化硅包覆的红外上转换纳米颗粒，按照实施例2制备蚕丝蛋白溶液；
1.2将二氧化硅包覆的红外上转换纳米颗粒(1mg/mL)与蚕丝蛋白溶液(2wt％)按体积比1:10混合均匀，加入3％的光敏小分子邻硝基苯甲醛(2-NBA)，混合均匀得到混合液；
1.3将混合液涂敷在基底上，以矩阵型图案的光刻模板作为掩膜版，使用紫外光照射，引发快速成胶，获得矩阵型上转换增强型光子晶体材料。
二、制备纤维状敏化太阳能电池
按照实施例1制备纤维状敏化太阳能电池。
三、制备矩阵型光子晶体复合型无线充电装置
将矩阵型上转换增强型光子晶体材置于纤维状敏化太阳能电池的背光侧形成矩阵型光子晶体复合型无线充电装置。
实施例5
本实施例提供了一种反蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置，由以下方法制备而成：
一、反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料的制备
按照实施例2制备反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料。
二、制备串联纤维状敏化太阳能电池
按照实施例1制备纤维状敏化太阳能电池，将多根纤维状敏化太阳能电池串联。
三、制备反蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置
将反蛋白石型上转换增强型光子晶体材置于串联纤维状敏化太阳能电池的背光侧形成反蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置。
对比例1
本对比例提供了一种无线充电装置，由以下方法制备而成：
一、上转换增强材料的制备
按照实施例2制备反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料，其中，聚苯乙烯蛋白石型光子晶体结构模板的制备过程中将0μl所述单分散聚苯乙烯微球的乳液涂敷在弯曲的基底上。
二、制备纤维状敏化太阳能电池
按照实施例1制备纤维状敏化太阳能电池。
三、制备反蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置
将上转换增强材料置于纤维状敏化太阳能电池的背光侧形成无线充电装置。
对比例2
本对比例提供了一种反蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置，由以下方法制备而成：
一、反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料的制备
1.1、按照实施例2制备聚苯乙烯蛋白石型光子晶体结构模板、二氧化硅包覆的红外上转换纳米颗粒和蚕丝蛋白溶液；
1.2、将蚕丝蛋白溶液(2wt％)浇注到聚苯乙烯蛋白石型光子晶体结构模板中自然干燥5h，然后浸于四氢呋喃中4h去除聚苯乙烯微球，最后从玻璃片上揭下得到反蛋白石型光子晶体材料，将上转换纳米颗粒溶液(1mg/mL)滴到该光子晶体材料上，自然干燥后即获得反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料。
二、制备纤维状敏化太阳能电池
按照实施例2制备纤维状敏化太阳能电池。
三、制备反蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置
按照实施例2制备反蛋白石型光子晶体复合型无线充电装置。
对比例3
本对比例提供了一种串联纤维状敏化太阳能电池，按照实施例5 进行制备。
试验例1
测量对比例1、实施例2和实施例3中反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料的发光强度，如图4所示，其中对比例1中光子晶体结构层数为0，实施例2中光子晶体结构层数为5，光子晶体结构层数为10。可以看出，与添加等量红外上转换纳米颗粒的无光子晶体结构的上转换增强材料相比，随着光子晶体结构层数的增加，上转换增强型光子晶体材料的上转换发光强度增加，当光子晶体结构为10层时，荧光发射强度增加到对照样(对比例1)的5倍。
图5为本发明对比例2中反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料的显微照片，其中a)为白光下，b)为980nm红外光下。
图6为本发明对比例2在980nm红外光下在不同区域下的上转换发光谱图。可以看出，滴涂上转换纳米颗粒溶液的光子晶体材料上不同区域的上转换发光情况差异很大，滴在光子晶体材料上的上转换纳米颗粒溶液自然干燥后聚集在一起，在上转换颗粒聚集体处的上转换发光强度很大，甚至超出光谱仪检测范围，而光子晶体膜的其他区域的上转换发光强度很小，使用直接滴涂的方式会导致上转换纳米颗粒在基体材料上的聚集，无法获得均匀稳定的上转换发光材料，所以先将上转换纳米颗粒溶液与蚕丝蛋白溶液共混后再浇注，是制备反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料的优选制备方法。
表1为本发明实施例5中串联纤维状敏化太阳能电池在扩束后 1W的980nm光(圆形光斑，直径为2cm)的辐照下电流密度、开路电压、填充因子、能量转化效率和相对能量转化效率等光电学数据的对比。从表中可以看出，当纤维状染料敏化太阳能电池的串联数目从1增加到5时，电流密度逐渐减小，开路电压逐渐增大，填充因子和能量转化效率基本不变，其中当串联数目从1增加到5时，开路电压增加到原来的6倍。
表1光电学数据测试表
图12为本发明实施例5中串联纤维状敏化太阳能电池在扩束后 1W的980nm光(圆形光斑，直径为2cm)的辐照下的电流密度-电压曲线对比图。可以看出，当纤维状染料敏化太阳能电池的串联数目从1增加到5时，电流密度逐渐减小，开路电压逐渐增大，其中当串联数目从1增加到5时，电流密度减小到原来的20％，而开路电压增加到原来的5倍。
试验例2
对实施例2、对比例1和对比例3进行光电数据测试。在1W的 980nm点光源的辐照下测量其电流密度、开路电压、填充因子、能量转化效率和电流密度-电压曲线等光电学数据，结果如下表2所示。
表2光电学数据测试表
通过对比可以看出，在使用了上转换增强型光子晶体材料后，纤维状染料敏化太阳能电池的电流密度、开路电压、填充因子、能量转化效率均有提高，并且能量转化效率提高到原来的49.2倍。
图7为本发明试验例2中光电数据测试示意图；图8为本发明实施例2、对比例1和对比例3的电流密度-电压曲线对比图。可以看出，在使用了上转换增强型材料和上转换增强型光子晶体材料后，纤维状染料敏化太阳能电池的光电学性能有了明显的提高，并且电流密度和能量转化效率分别提高到原来的28.7倍和49.2倍。
试验例3
对实施例2中的纤维状染料敏化太阳能电池进行弯折试验，考察其光电性能的稳定性。具体的，使用中国台湾光炎太阳光模拟器在一个太阳(150mW/cm2)的辐照下分别测量其弯折0次、弯折50次和弯折 100次的电流密度、开路电压、填充因子、能量转化效率和电流密度 -电压曲线等光电学测试数据，其中每次弯折角度需超过120°，测量结果如表3所示。
表3光电学数据测试表
从上表可以看出在0～100次弯折过程中，纤维状染料敏化太阳能电池的能量转化效率逐渐减小，经过100次弯折后能量转化效率能达到原来的86％。
图9为实施例2中弯曲的纤维状染料敏化太阳能电池的照片；图 10为实施例2中纤维状染料敏化太阳能电池的能量转化效率变化曲线。可以看出，在0～100次弯折过程中，纤维状染料敏化太阳能电池的能量转化效率逐渐减小至后期平稳状态，经过100次弯折后能量转化效率稳定到原来的86％。
试验例4
对玻璃、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和实施例2中的反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料三个样品进行细胞相容性实验。
S1、将大鼠间充质干细胞(rMSC)从Sprague-Dawley大鼠(重量为～100g)的股骨和胫骨中取出，在37℃、5％CO2气氛中，在含有α修饰的培养基(α-MEM)的细胞培养瓶中培养，从烧瓶中收获的rMSC用于下一次细胞接种和培养。所述α-MEM含有有1％(v/v) 抗生素青霉素-链霉素和10％(v/v)胎牛血清。
S2、将所有样品紫外(UV)照射消毒30分钟，将rMSC以1.5 ×104个/cm2的密度接种在样品上。
S3、将接种后的样品培养一天，将rMSC与钙黄绿素-AM一起温育，用于荧光观察。
图11为不同样品在同一接种条件下的细胞生长情况对比图，可以看出，玻璃上细胞数目较少、铺展面积小，而上转换增强型光子晶体材料比PET上细胞数目较多，铺展面积大。因此，相比玻璃，PET 与上转换增强型光子晶体材料具有更好的生物相容性。
综上所述，本发明实施例的光子晶体复合型无线充电装置具有更强的上转换发光强度和光电转换效率。其中，纤维状染料敏化太阳能电池在100次弯折实验后，能量转化效率能达到原来的86％，具有稳定的光电学性能。通过与结构蛋白溶液共混可以获得均匀稳定的反蛋白石型上转换增强型光子晶体材料，在接种细胞后表现出较好的细胞相容性，在可体内移植的光电转化器件方面具有广泛的应用。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种光子晶体复合型无线充电装置，用于生物体内的植入式设备，其特征在于，包括：
太阳能电池；
上转换发光装置，用于为所述太阳能电池提供可见光，其由上转换光子晶体复合材料制得，所述上转换光子晶体复合材料包括光子晶体和分布在所述光子晶体表面和/或内部的上转换发光颗粒，所述光子晶体具有光子禁带特性的周期性排布结构，所述上转换发光颗粒为表面改性后的红外上转换纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的光子晶体复合型无线充电装置，其特征在于，所述表面改性后的红外上转换纳米颗粒为二氧化硅包覆的红外上转换纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的光子晶体复合型无线充电装置，其特征在于，所述光子晶体选自限定间距排列的蛋白石型光子晶体、限定多孔间距的反蛋白石型光子晶体、周期性排布的阵列型光子晶体或周期性排布的螺旋型光子晶体。
4.根据权利要求3所述的光子晶体复合型无线充电装置，其特征在于，所述光子晶体为限定多孔间距的反蛋白石型光子晶体，所述上转换光子晶体复合材料按如下步骤制备：
通过无皂乳液聚合法制备单分散的聚苯乙烯微球乳液，将所述聚苯乙烯微球乳液铺满在平整的基底，烘干获得牺牲模板；
将含有所述上转换发光颗粒的溶液与结构蛋白溶液混合均匀后浇注于牺牲模板中，自然晾干后浸于有机溶剂中除去牺牲模板，得到上转换光子晶体复合材料。
5.根据权利要求4所述的光子晶体复合型无线充电装置，其特征在于，所述上转换发光颗粒与所述结构蛋白的质量比为(0.0001-0.1):1。
6.根据权利要求4所述的光子晶体复合型无线充电装置，其特征在于，所述结构蛋白选自蚕丝蛋白、角蛋白、大豆蛋白中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的光子晶体复合型无线充电装置，其特征在于，所述光子晶体结构为一层或多层。
8.根据权利要求1所述的光子晶体复合型无线充电装置，其特征在于，所述上转换发光装置为柔性结构，所述太阳能电池为柔性太阳能电池，所述上转换发光装置设置于所述太阳能电池的背光侧作为光反射装置。
9.根据权利要求1所述的光子晶体复合型无线充电装置，其特征在于，所述上转换发光装置为呈曲面状，所述太阳能电池设置于所述上转换发光装置的反射光聚焦处。
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