CN113651971A - 一种多钼氧簇材料及其制备方法和应用、太阳能电池和有机发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多钼氧簇材料及其制备方法和应用、太阳能电池和有机发光二极管,属于光电子器件技术领域。本发明的多钼氧簇材料作为电极界面材料用于有机太阳能电池,开路电压为0.810~0.860V,短路电流密度为24.50~26.10mA/cm2,填充因子为68.7~78.8%,能量转换效率为14.21~17.42%;用于有机发光二极管,开启电压为2.3~3.5V,最大亮度为14330~43430cd/m2,电流效率为7.00~15.00cd/A,功率效率为3.50~13.00lm/W,具有良好的发光二极管性能。
Description
技术领域
本发明涉及光电子器件技术领域,尤其涉及一种多钼氧簇材料及其制备方法和应用、太阳能电池和有机发光二极管。
背景技术
有机太阳能电池(OSCs)具有无毒、低成本、质轻、柔性、半透明、可溶液加工以及可以卷对卷大面积制备等优势,已经成为可穿戴设备、建筑玻璃、智能温室及物联网等领域有潜力的电源候选者,是科研人员广泛研究的热点话题。随着非富勒烯受体不断发展,OSCs的能量转换效率(PCE)已经取得了显著提升,目前OSCs最大的PCE已经超过19%。合适电极界面层的使用是提升器件性能的一种有效策略。电极界面层的作用主要包括可以有效地调节电极的功函数,减小载流子的抽取势垒以及改善电极与活性层的接触等。根据修饰电极的不同,电极界面层通常分为阳极界面层(AIL)和阴极界面层(CIL)。在传统结构的器件中,AIL通常使用PEDOT:PSS,但是PEDOT:PSS本身吸潮且具有酸性,不利于器件的长期稳定性。常用的几种CIL如PFN-Br(Yong Cui,HuifengYao,Jianqi Zhang,Kaihu Xian,Tao Zhang,Ling Hong,Yuming Wang,Ye Xu,Kangqiao Ma,Cunbin An,Chang He,Zhixiang Wei,FengGao,and Jianhui Hou.Single-Junction Organic Photovoltaic Cells withApproaching 18%Efficiency.Adv.Mater.2020,32,1908205.)、PDINO(Zhi-Guo Zhang,Boyuan Qi,Zhiwen Jin,Dan Chi,Zhe Qi,Yongfang Li and Jizheng Wang.Perylenediimides:a thickness-insensitive cathode interlayer for high performancepolymer solar cells.Energy Environ.Sci.2014,7,1966.)、PNDIT-F3N(Kui Jiang,Qingya Wei,Joshua Yuk Lin Lai,Zhengxing Peng,Ha Kyung Kim,Jun Yuan,Long Ye,Harald Ade,Yingping Zou,and He Yan.Alkyl Chain Tuning of Small MoleculeAcceptors for Efficient Organic Solar Cells.Joule 2019,3,3020.)等尽管可以使OSCs获得较高的效率,但成本较高,并不适用于器件的大面积工业化生产。在钙钛矿太阳能电池中,通常阴极界面层为二氧化锡(SnO2)、浴铜灵(BCP)等,但是SnO2需要进行热退火处理,同时BCP又存在导电率低和价格较高的问题。OLEDs的阴极界面材料大多采用真空蒸镀技术,制备过程复杂,成本较高。因此,研究新型阴极界面材料,对于扩展光电子器件的发展意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多钼氧簇材料及其制备方法和应用、太阳能电池和有机发光二极管,所述多钼氧簇材料作为电极界面材料所制备的光电子器件具有优异的光电性能。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种多钼氧簇材料,具有式1所示组成:
式1中,n=4~12;x和y独立地为1~42且x+y≤42,x≠0,y≠42。
优选的,所述n=4、6、8、10或12。
本发明提供了上述技术方案所述多钼氧簇材料的制备方法,包括以下步骤:
将NH4-Mo132溶液和烷基溴化铵溶液混合,进行交换反应,得到多钼氧簇材料;
所述NH4-Mo132具有式2所示结构:
所述烷基溴化铵溶液中烷基溴化铵的结构式为(CnH2n+1)4NBr,其中,n=4~12。
优选的,所述NH4-Mo132溶液中NH4-Mo132和烷基溴化铵溶液中烷基溴化铵的摩尔比为1:(1~42)。
优选的,所述交换反应的温度为室温,时间为12~24h。
本发明提供了上述技术方案所述多钼氧簇材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的多钼氧簇材料作为阴极界面层材料在光电子器件领域中的应用。
本发明提供了一种有机太阳能电池,包括依次层叠设置的阳极、阳极界面层、活性层、阴极界面层和阴极;所述阴极界面层的材料为上述技术方案所述多钼氧簇材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的多钼氧簇材料。
本发明提供了一种有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池,包括依次层叠设置的阳极、阳极界面层、光活性层、电子传输层、阴极界面层和阴极;所述阴极界面层的材料为上述技术方案所述多钼氧簇材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的多钼氧簇材料。
本发明提供了一种有机发光二极管,包括依次层叠设置的阳极、空穴传输层、发光层、电子传输层和阴极;所述电子传输层的材料为上述技术方案所述多钼氧簇材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的多钼氧簇材料。
本发明提供了一种多钼氧簇材料,该多钼氧簇材料是一类kepelerate型同多钼氧簇,该类型多钼氧簇材料具有表面多孔的中空结构,直径大约是2.9nm,结构明确可控,且能级可调。该多钼氧簇材料同时含有MoV和MoVI,即既能得电子也能失去电子,具备优异的氧化还原特性,而优良的氧化还原特性能够促进载流子的传输,有利于器件性能的提升,因此该多钼氧簇材料能够作为阴极界面层材料,提高光电子器件的性能。
本发明提供了所述多钼氧簇材料的制备方法,合成步骤简单,溶剂绿色,材料价格低廉。
本发明首次将{Mo132}类材料用于有机太阳能电池(OSCs)、钙钛矿太阳能电池以及有机发光二极管(OLEDs)领域,将本发明的多钼氧簇材料作为电极界面材料用于有机太阳能电池,开路电压为0.810~0.860V,短路电流密度为24.50~26.10mA/cm2,填充因子为68.7~78.8%,能量转换效率为14.21~17.42%;将本发明的多钼氧簇材料作为电极界面材料用于钙钛矿太阳能电池,开路电压为1.05~1.10V,短路电流密度为21.00~22.00mA/cm2,填充因子为75.0~77.0%,能量转换效率为17.00~18.50%,具有优异的太阳能电池性能。将本发明的多钼氧簇材料电极界面材料用于有机发光二极管,开启电压为2.3~3.5V,最大亮度为14330~43430cd/m2,电流效率为7.00~15.00cd/A,光功率效率为3.50~13.00lm/W,具有良好的发光二极管性能。
附图说明
图1为应用例1制备的有机太阳能电池的电流密度-电压曲线图;
图2为应用例2制备的有机太阳能电池的电流密度-电压曲线图;
图3为应用例3制备的钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压曲线图;
图4为应用例4制备的有机发光二极管的效率-电流密度曲线图;
图5为应用例5得到的有机发光二极管的效率-电流密度曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种多钼氧簇材料,具有式1所示组成:
式1中,n=4~12;x和y独立地为1~42且x+y≤42,x≠0,y≠42。
在本发明中,所述n优选=4、6、8、10或12;所述x+y优选=42。
本发明提供的多钼氧簇材料依靠有机部分(烷基季铵根阳离子)与多金属氧簇间的静电相互作用稳定存在。
在本发明的具体实施例中,所述多钼氧簇材料具体为:
本发明提供了上述技术方案所述多钼氧簇材料的制备方法,包括以下步骤:
将NH4-Mo132溶液和烷基溴化铵溶液混合,进行交换反应,得到多钼氧簇材料;
所述NH4-Mo132具有式2所示结构:
所述烷基溴化铵溶液中烷基溴化铵的结构式为(CnH2n+1)4NBr,其中,n=4~12。
在本发明中,若无特殊说明,所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
在本发明中,所述NH4-Mo132溶液中NH4-Mo132的制备过程优选包括:向含(NH4)6[Mo7O24](H2O)4(5.6g,4.5mmol)和CH3COONH4(12.5g,162.2mmol)的250mL水溶液中,加入N2H4(H2SO4)(0.8g,4.5mmol),将所得混合溶液搅拌10min(颜色变为蓝绿色),随后加入CH3COOH(83mL,质量分数50%)溶液,溶液变成绿色,储存在500mL敞口烧瓶中,20℃下搅拌,通风橱中溶液颜色缓慢变成深褐色,4天后在玻璃器皿上滤出红褐色晶体,分别用90%乙醇和乙醚冲洗后,空气中干燥,得到NH4-Mo132。
在本发明中,所述NH4-Mo132溶液所用溶剂优选包括水、乙醇-水或乙腈-水;所述乙醇-水中乙醇和水的体积比优选为(1~4):1;所述乙腈-水中乙腈和水的体积比优选为(1~4):1。
在本发明中,所述烷基溴化铵溶液所用溶剂优选与NH4-Mo132溶液所用溶剂相同。
在本发明中,所述烷基溴化铵中,n优选为4、6、8、10或12。本发明对所述(CnH2n+1)4NBr的来源没有特殊要求,采用本领域技术人员熟知的市售商品或本领域熟知的制备方法制备得到均可。
在本发明中,所述NH4-Mo132溶液中NH4-Mo132和烷基溴化铵溶液中烷基溴化铵的电荷摩尔比优选为1:(1~42),更优选为1:(1~40);所述电荷摩尔指的是原料的电荷数与其对应摩尔数的乘积。本发明对所述NH4-Mo132溶液和烷基溴化铵溶液的浓度以及二者的体积比没有特殊的限定,能够按照上述摩尔比反应即可。
本发明对所述NH4-Mo132溶液和烷基溴化铵溶液混合的过程没有特殊的限定,按照本领域熟知的过程将物料混合均匀即可;在本发明的实施例中,具体为将烷基溴化铵溶液滴加至NH4-Mo132溶液中;本发明对所述滴加的速率没有特殊的限定,不引起液体飞溅即可。
在本发明中,所述交换反应的温度优选为室温,时间优选为24h;所述交换反应优选在搅拌条件下进行,本发明对所述搅拌的过程没有特殊的限定,按照本领域熟知的过程保证反应顺利进行即可。在所述交换反应过程中,烷基季铵根阳离子与Mo132阴离子结合,形成表面活性剂包覆Mo132,即式1所示结构。
完成所述交换反应后,本发明优选将所得产物体系(或者先超声震荡1min,再分离)依次进行分离、洗涤和干燥,得到多钼氧簇材料。在本发明中,所述分离的方式优选为过滤或离心;所述洗涤所用试剂优选为极性试剂,更优选为水;所述干燥的方式优选为真空干燥,所述干燥的温度优选为40℃,真空度优选为0.09MPa,时间优选为12h。
在本发明中,本发明提供了上述技术方案所述多钼氧簇材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的多钼氧簇材料作为阴极界面层材料在光电子器件领域中的应用。
本发明提供了一种有机太阳能电池,包括依次层叠设置的阳极、阳极界面层、活性层、阴极界面层和阴极;所述阴极界面层的材料为上述技术方案所述多钼氧簇材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的多钼氧簇材料。
本发明提供的有机太阳能电池包括阳极;所述阳极优选为氧化铟锡(ITO);所述ITO使用前优选在紫外臭氧下处理30min;所述阳极的厚度优选为100~200nm,更优选为110~150nm,进一步优选为135nm。
在本发明中,所述阳极优选附着在基片上,所述基片优选为玻璃基片。本发明对所述基片的厚度没有特殊要求,本领域熟知的厚度均可。
本发明提供的有机太阳能电池包括层叠设置于所述阳极一侧表面的阳极界面层。在本发明中,所述阳极界面层的材料优选为NH4-Mo132或PEDOT:PSS;当所述阳极界面层的材料为PEDOT:PSS时,所述阳极界面层的厚度优选为10~40nm,更优选为25~35nm,进一步优选为30nm;当所述阳极界面层的材料为NH4-Mo132时,所述阳极界面层的厚度优选为5~10nm,更优选为7nm。本发明对所述PEDOT:PSS的来源没有特殊的限定,本领域熟知的市售商品即可。
本发明提供的有机太阳能电池包括层叠设置于所述阳极界面层表面的活性层。在本发明中,所述活性层优选为给体材料和受体材料的混合物;所述给体材料优选为PTB7-Th、PTB7、PCDTBT、PBDB-T和PM6中的一种或两种;所述受体材料优选为PC61BM、PC71BM、ITIC、IEICO-4F、IT-4F、Y6、BTP-BO-4Cl和L8-BO中的一种或两种。在本发明中,所述给体材料与受体材料的质量比优选为1:(0.8~2),更优选为1:(1.2~1.5)。
在本发明中,所述活性层更优选为一种给体材料与一种受体材料的混合物、一种给体材料与两种受体材料的混合物、或者两种给体材料与一种受体材料的混合物。当所述活性层为一种给体材料与两种受体材料的混合物时,在满足给体材料与受体材料的质量比为1:(0.8~2)的前提下,本发明对所述两种受体材料的配比没有任何特殊的限定,任意配比均可。当所述活性层为两种给体材料与一种受体材料的混合物时,本发明对两种给体材料的配比没有任何特殊的限定,任意配比均可。
在本发明中,所述活性层中各物质的结构式如下所示:
在本发明中,所述活性层的厚度优选为80~120nm,更优选为90~110nm,最优选为100nm。
本发明提供的有机太阳能电池包括层叠设置于所述活性层表面的阴极界面层。在本发明中,所述阴极界面层优选为上述技术方案所述式1结构的多钼氧簇材料。
在本发明中,所述阴极界面层的厚度优选为0.5~20nm,更优选为4~15nm,最优选为5nm。
本发明提供的有机太阳能电池包括层叠设置于所述阴极界面层表面的阴极。在本发明中,所述阴极优选为银、铝、铜或金;所述阴极的厚度优选为80~120nm,更优选为90~110nm,最优选为100nm。
在本发明中,所述有机太阳能电池的制备方法,优选包括以下步骤:
在阳极表面涂覆阳极界面层材料溶液,在阳极表面形成阳极界面层;
在所述阳极界面层表面涂覆活性层溶液,溶剂挥发后在阳极界面层表面形成活性层;
在所述活性层表面涂覆阴极界面层材料有机溶液,在活性层表面形成阴极界面层;
在所述阴极界面层表面蒸镀阴极,得到有机太阳能电池。
本发明在阳极表面涂覆阳极界面层材料溶液,在阳极表面形成阳极界面层。在本发明中,所述阳极优选附着在基片上。本发明优选在基片表面蒸镀阳极,将阳极附着到基片上。本发明对所述蒸镀的条件没有特殊要求,采用本领域熟知的蒸镀条件即可。在本发明中,所述阳极蒸镀的厚度对应上述技术方案中所述阳极的厚度。
在本发明中,当所述阳极界面层材料为NH4-Mo132,所述阳极界面层材料有机溶液所用溶剂优选为甲醇;所述阳极界面层材料溶液的浓度优选为0.25~2mg/mL,更优选为1~1.25mg/mL。在本发明中,所述涂覆的方式优选为旋涂,所述旋涂的速度优选为1900~2100r/min,更优选为2000r/min。本发明对所述涂覆的时间没有特殊要求,根据涂覆厚度调整即可。在本发明中,阳极界面层材料的涂覆厚度对应阳极界面层的厚度。
在本发明中,当所述阳极界面层材料为PEDOT:PSS,优选为购自德国Heraeus公司型号为Clevios PVPAl 4083的PEDOT:PSS水溶液。本发明优选将PEDOT:PSS水溶液经过0.45μm的滤膜过滤后使用。在本发明中,所述涂覆的方式优选为旋涂,所述旋涂的速度优选为3000~4000r/min,更优选为3500r/min。
当所述阳极界面层材料为PEDOT:PSS,完成所述涂覆后,本发明优选进行退火处理;当所述阳极界面层材料为NH4-Mo132,完成所述涂覆后,本发明优选在氮气手套箱中静置2~5min,使得溶剂挥发。在本发明中,所述退火处理的温度优选为100~120℃,更优选为110℃;所述退火处理的时间优选为20~30min,更优选为30min。本发明利用退火处理除去薄膜中的水分,从而利于有机太阳能电池器件的稳定性。
形成阳极界面层后,本发明优选在所述阳极界面层表面涂覆活性层溶液,溶剂挥发后在阳极界面层表面形成活性层。本发明对所述活性层溶液所用溶剂种类没有特殊要求,根据活性层成分的不同,采用本领域熟知的相应的溶剂即可。在本发明中,所述活性层溶液的浓度优选为10~30mg/mL,进一步优选为16~25mg/mL。此外,本发明优选根据活性层成分,根据实际需求选择使用添加剂。本发明对所述添加剂的种类、使用方式和用量没有特殊要求,根据本领域熟知的方式进行选择和使用即可;在本发明的应用例中,活性层为PM6:Y6,添加剂为氯萘。
在本发明中,所述涂覆的方式优选为旋涂,所述旋涂的速度优选为1000~3000r/min,更优选为1500~2500r/min。本发明对所述涂覆的时间没有特殊要求,根据涂覆厚度调整即可。在本发明中,活性层溶液的涂覆厚度对应活性层的厚度。
在本发明中,所述溶剂挥发的方式优选为退火处理或真空过夜。当添加剂的用量超过溶剂与添加剂总体积的0.5%时,本发明优选通过在真空条件下过夜以使溶剂挥发;当不使用添加剂或添加剂的用量占溶剂与添加剂总体积的比例在0.5%以下时,本发明优选通过退火处理以使溶剂挥发。在本发明中,所述退火处理的温度优选为60~110℃,更优选为70~100℃,时间优选为10~30min。本发明所述退火处理能够改变活性层的结晶性,形成更好的相分离结构,有利于载流子的传输,增加电流。
形成活性层后,本发明在所述活性层表面涂覆阴极界面层材料有机溶液,在活性层表面形成阴极界面层。在本发明中,所述阴极界面层材料有机溶液所用溶剂优选为甲醇;所述阴极界面层材料有机溶液的浓度优选为0.25~2mg/mL,更优选为0.5~1mg/mL,进一步优选为0.5mg/mL。
在本发明中,所述涂覆的方式优选为旋涂,所述旋涂的速度优选为1900~2100r/min,更优选为2000r/min。本发明对所述涂覆的时间没有特殊要求,根据涂覆厚度调整即可。在本发明中,所述阴极界面层材料有机溶液的涂覆厚度对应所述阴极界面层的厚度。
形成阴极界面层后,本发明在所述阴极界面层表面蒸镀阴极,得到有机太阳能电池。本发明对所述蒸镀的方法没有任何的特殊要求,采用本领域熟知的方法进行蒸镀即可。在本发明中,所述蒸镀优选以铝、银、铜或金为原料,所述蒸镀的速度优选为更优选为最优选为所述蒸镀的真空度优选为(1.7~1.9)×10-4Pa,更优选为1.8×10-4Pa;所述蒸镀的电流优选为32~40A,更优选为34~37A;所述蒸镀的电压优选为2~4V,更优选为3.5~4V。本发明对蒸镀所用金属的形态没有特殊要求,采用本领域熟知的市售的蒸镀用铝、银、铜和金(粉、条、片或块)即可。
本发明提供了一种有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池,包括依次层叠设置的阳极、阳极界面层、光活性层、电子传输层、阴极界面层和阴极;所述阴极界面层的材料为上述技术方案所述多钼氧簇材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的多钼氧簇材料。
本发明提供的有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池包括阳极。在本发明中,所述阳极优选为氧化铟锡;所述阳极的厚度优选为100~200nm,更优选为110~150nm,最优选为135nm。
在本发明中,所述阳极优选附着在基片上,所述基片优选为玻璃基片。本发明对所述基片的厚度没有特殊要求,本领域熟知的厚度即可。
本发明提供的有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池包括层叠设置于所述阳极表面的阳极界面层。在本发明中,所述阳极界面层优选为NH4-Mo132或PTAA(聚[双4-苯基2,4,6-三甲基苯基胺])。本发明对所述PTAA没有特殊的限定,本领域熟知的市售商品即可。在本发明中,所述阳极界面层的厚度优选为5~20nm,更优选为10nm。
本发明提供的有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池包括层叠设置于所述阳极界面层表面的光活性层。在本发明中,所述光活性层的材料优选为具有钙钛矿晶体结构的ABX3型化合物,其中A位为有机阳离子,包括甲胺离子(MA+)、甲脒离子(FA+)或一价金属阳离子,所述一价金属阳离子优选包括铯离子(Cs+)或铷离子(Rb+);B位为二价金属铅离子(Pb2+);X位为卤素阴离子,所述卤素阴离子优选包括碘离子(I﹣)、溴离子(Br﹣)或氯离子(Cl﹣)。
在本发明中,所述光活性层的厚度优选为100~1000nm,更优选为300~600nm。
本发明提供的有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池包括层叠设置于所述光活性层表面的电子传输层。在本发明中,所述电子传输层得材料优选为PC61BM,厚度优选为30nm。
本发明提供的有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池包括层叠设置于所述电子传输层表面的阴极界面层。在本发明中,所述阴极界面层的材料为上述技术方案所述式1结构的多钼氧簇材料;所述阴极界面层的厚度优选为0.5~20nm,更优选为2~15nm,最优选为4nm。
本发明提供的有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池包括层叠设置于所述阴极界面层表面的阴极。在本发明中,所述阴极优选为银、铜或金;所述阴极的厚度优选为80~120nm,更优选为90~110nm,最优选为100nm。
在本发明中,所述有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池的制备方法优选包括以下步骤:
在阳极表面涂覆阳极界面层材料有机溶液,在阳极表面形成阳极界面层;
在所述阳极界面层表面涂覆活性层溶液,依次进行反溶剂处理和退火处理,在阳极界面层表面形成光活性层;
在所述光活性层表面涂覆电子传输层材料有机溶液,在光活性层表面形成电子传输层;
在所述电子传输层表面涂覆阴极界面层材料有机溶液,在电子传输层表面形成阴极界面层;
在所述阴极界面层表面蒸镀阴极,得到钙钛矿太阳能电池。
本发明在阳极表面涂覆阳极界面层材料有机溶液,在阳极表面形成阳极界面层。在本发明中,所述阳极优选附着在基片上。本发明优选在基片表面蒸镀阳极,将阳极附着到基片上。本发明对所述蒸镀的条件没有特殊要求,采用本领域熟知的蒸镀条件即可。在本发明中,所述阳极蒸镀的厚度对应上述技术方案中所述阳极的厚度。
在本发明中,所述阳极界面层材料优选为NH4-Mo132或PTAA(聚[双4-苯基2,4,6-三甲基苯基胺])。在本发明中,当所述阳极界面层材料为NH4-Mo132,所述阳极界面层材料有机溶液所用溶剂优选为甲醇;所述阳极界面层材料有机溶液的浓度优选为0.25~2mg/mL,更优选为1~1.5mg/mL;所述涂覆的方式优选为旋涂,所述旋涂的速度优选为1900~2100r/min,更优选为2000r/min。
在本发明中,当所述阳极界面层材料为PTAA时,所述阳极界面层材料有机溶液所用溶剂优选为氯苯,所述阳极界面层材料有机溶液的浓度优选为3.0mg/mL;所述涂覆的方式优选为旋涂,所述旋涂的速度优选为5000~7000r/min,更优选为6000r/min。本发明对所述涂覆的时间没有特殊要求,根据涂覆厚度调整即可。在本发明中,所述阳极界面层材料的涂覆厚度对应阳极界面层的厚度。
当所述阳极界面层材料为PTAA时,完成所述涂覆后,本发明优选进行退火处理。在本发明中,所述退火处理的温度优选为80~120℃,更优选为100℃,时间优选为10~30min。当所述阳极界面层材料为NH4-Mo132,优选在氮气手套箱中静置2~5min,使得溶剂挥发。
形成阳极界面层后,本发明在所述阳极界面层表面涂覆活性层溶液,反溶剂处理和退火处理后在阳极界面层表面形成光活性层。本发明对所述活性层溶液所用溶剂的种类没有特殊的要求,根据光活性层成分的不同,采用本领域熟知的相应的溶剂即可。在本发明中,所述活性层溶液的浓度优选为1~2M,进一步优选为1.4M。
在本发明中,所述涂覆的方式优选为旋涂,所述旋涂的过程优选为先在1000rpm的转速下旋涂10s,再以转速5000rpm旋涂30s。本发明对所述涂覆的总时间没有特殊的要求,根据涂覆厚度调整即可。在本发明中,所述活性层溶液的涂覆厚度对应活性层的厚度。
完成所述涂覆后,本发明优选对涂覆后所得材料依次进行反溶剂处理和退火处理,在阳极界面层表面形成光活性层。在本发明中,所述反溶剂处理优选为在活性层溶液旋涂剩余5s时,迅速加入反溶剂,进行反溶剂处理;所述反溶剂优选为氯苯。本发明对所述反溶剂的用量没有特殊的限定,根据实际需求调整即可。
在本发明中,所述退火处理的温度优选为80~120℃,更优选为100℃,时间优选为10~30min,更优选为20min,形成黑色的活性钙钛矿层。
形成活性层后,本发明优选在所述光活性层表面涂覆电子传输层材料有机溶液,在活性层表面形成电子传输层。在本发明中,所述电子传输层的材料优选为PC61BM,所述电子传输层材料有机溶液所用溶剂优选为氯苯;所述电子传输层有机溶液的浓度优选为15~25mg/mL,更优选为20mg/mL。
在本发明中,所述涂覆的方式优选为旋涂,所述旋涂的速度优选为800~2000r/min,更优选为1000r/min;所述旋涂的时间优选为30~60s,更优选为40s。
形成电子传输层后,本发明在所述电子传输层表面涂覆阴极界面层材料有机溶液,在电子传输层表面形成阴极界面层。在本发明中,所述阴极界面层材料有机溶液所用溶剂优选为醇类溶液,所述醇溶液优选为乙醇;所述阴极界面层材料有机溶液的浓度优选为0.25~2mg/mL,更优选为0.5~1mg/mL,进一步优选为0.5mg/mL。
在本发明中,所述涂覆的方式优选为旋涂,所述旋涂的速度优选为2000~3000r/min,更优选为3000r/min。本发明对所述涂覆的时间没有特殊要求,根据涂覆厚度调整即可。
形成阴极界面层后,本发明在所述阴极界面层表面蒸镀阴极,得到钙钛矿太阳能电池。本发明对所述蒸镀的方法没有任何的特殊要求,采用本领域熟知的方法进行蒸镀即可。在本发明中,所述蒸镀优选以银、铜或金为原料,所述蒸镀的速度优选为更优选为最优选为所述蒸镀的真空度优选为(1.7~1.9)×10-4Pa,更优选为1.8×10-4Pa;所述蒸镀的电流优选为32~40A,更优选为34~37A;所述蒸镀的电压优选为2~4V,更优选为3.5~4V。本发明对蒸镀所用金属的形态没有特殊要求,采用本领域熟知的市售的蒸镀用银、铜和金(粉、条、片或块)即可。
本发明提供了一种有机发光二极管,包括依次层叠设置的阳极、空穴传输层、发光层、电子传输层和阴极;所述阴极界面层的材料为上述技术方案所述多钼氧簇材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的多钼氧簇材料。
本发明提供的有机发光二极管包括阳极。在本发明中,所述阳极优选为氧化铟锡;所述阳极的厚度优选为100~200nm,更优选为110~160nm,最优选为135nm。
在本发明中,所述阳极优选附着在基片上,所述基片优选为玻璃基片。本发明对所述基片的厚度没有特殊要求,本领域熟知的厚度均可。
本发明提供的有机发光二极管包括层叠设置于所述阳极一侧表面的空穴传输层。在本发明中,所述空穴传输层的材料优选为NH4-Mo132或PEDOT:PSS;当所述空穴传输层的材料为PEDOT:PSS时,所述空穴传输层的厚度优选为20~40nm,更优选为25~35nm;当所述空穴传输层的材料为NH4-Mo132时,所述空穴传输层的厚度优选为5~10nm,更优选为7nm。
本发明提供的有机发光二极管包括层叠设置于所述空穴传输层表面的发光层。在本发明中,所述发光层的材料优选为P-PPV、SuperYellow或F8BT;本发明对所述发光层的材料的来源没有特殊的限定,本领域熟知的市售商品即可。在本发明中,所述发光层的厚度优选为70~100nm,更优选为80~90nm,最优选为85nm。
在本发明中,所述发光层中各物质的结构式为:
本发明提供的有机发光二极管包括层叠设置于所述发光层表面的电子传输层。在本发明中,所述电子传输层的材料为上述技术方案式1所示结构的多钼氧簇材料。在本发明中,所述电子传输层的厚度优选为0.5~20nm,更优选为5~15nm,最优选为4nm。
本发明提供的有机发光二极管包括层叠设置于所述电子传输层表面的阴极。在本发明中,所述阴极优选为银或铝;所述阴极的厚度优选为80~120nm,更优选为90~110nm,最优选为100nm。
在本发明中,所述有机发光二极管的制备方法,优选包括以下步骤:
在阳极表面涂覆空穴传输层材料溶液,在阳极表面形成空穴传输层;
在所述空穴传输层表面涂覆发光层溶液,溶剂挥发后在空穴传输层表面形成发光层;
在所述发光层表面涂覆电子传输层材料有机溶液,在发光层表面形成电子传输层;
在所述电子传输层表面蒸镀金属阴极,得到有机发光二极管器件。
本发明在阳极表面涂覆空穴传输层材料溶液,在阳极表面形成空穴传输层。在本发明中,所述阳极优选附着在基片上。本发明优选在基片表面蒸镀阳极,将阳极附着到基片上。本发明对所述蒸镀的条件没有特殊要求,采用本领域熟知的蒸镀条件即可。在本发明中,所述阳极蒸镀的厚度对应上述技术方案中所述阳极的厚度。
在本发明中,当所述空穴传输层材料为NH4-Mo132时,所述空穴传输层材料有机溶液所用溶剂优选为甲醇;所述空穴传输层材料有机溶液的浓度优选为0.25~2mg/mL,更优选为1~1.25mg/mL。在本发明中,所述涂覆的方式优选为旋涂,所述旋涂的速度优选为1900~2100r/min,更优选为2000r/min。
在本发明中,当所述空穴传输层材料为PEDOT:PSS时,优选为购自德国Heraeus公司型号为Clevios PVPAl 4083的PEDOT:PSS水溶液;本发明优选将PEDOT:PSS水溶液经过0.45μm的滤膜过滤后使用,所述涂覆的方式优选为旋涂,所述旋涂的速度优选为3000~4000r/min,更优选为3500r/min。本发明对所述涂覆的时间没有特殊要求,根据涂覆厚度调整即可。在本发明中,所述空穴传输层材料的涂覆厚度对应空穴传输层的厚度。
当所述空穴传输层材料为PEDOT:PSS时,完成所述涂覆后,本发明优选进行退火处理;在本发明中,所述退火处理的温度优选为80~120℃,更优选为110℃,时间优选为10~30min。本发明利用退火处理除去薄膜中的水分,从而利于有机发光二极管器件的稳定性。当所述空穴传输层材料为NH4-Mo132时,完成所述涂覆后,本发明优选在氮气手套箱中静置2~5min,使得溶剂挥发。
形成空穴传输层后,本发明在所述空穴传输层表面涂覆发光层溶液,溶剂挥发后在空穴传输层表面形成发光层。本发明对所述发光层溶液所用溶剂种类没有特殊的限定,根据发光层成分的不同,采用本领域熟知的相应的溶剂即可。
在本发明中,所述发光层溶液的浓度优选为4~10mg/mL,进一步优选为5~6mg/mL。在本发明中,所述涂覆的方式优选为旋涂,所述旋涂的速度优选为800~1500r/min,更优选为1000r/min。本发明对所述涂覆的时间没有特殊要求,根据涂覆厚度调整即可。在本发明中,发光层溶液的涂覆厚度对应发光层的厚度。
在本发明中,所述溶剂挥发的方式优选为对涂覆后所得材料进行真空处理,所述真空处理的时间优选为10~60min,更优选为30min。
形成发光层后,本发明在所述发光层表面涂覆电子传输层材料有机溶液,在发光层表面形电子传输层。在本发明中,所述电子传输层材料有机溶液所用溶剂优选为甲醇;所述电子传输层材料有机溶液的浓度优选为0.25~2mg/mL,更优选为0.5~1mg/mL,进一步优选为0.5mg/mL。
在本发明中,所述涂覆的方式优选为旋涂,所述旋涂的速度优选为1900~2100r/min,更优选为2000r/min。本发明对所述涂覆的时间没有特殊要求,根据涂覆厚度调整即可。在本发明中,所述电子传输层材料有机溶液的涂覆厚度对应所述电子传输层的厚度。
形成电子传输层后,本发明在所述电子传输层表面蒸镀金属阴极,得到有机发光二极管器件。本发明对所述蒸镀的方法没有特殊的限定,采用本领域熟知的方法进行蒸镀即可。在本发明中,所述蒸镀所用原料优选为铝或银,所述蒸镀的速度优选为更优选为最优选为所述蒸镀的真空度优选为(1.7~1.9)×10-4Pa,更优选为1.8×10-4Pa;所述蒸镀的电流优选为32~40A,更优选为34~37A;所述蒸镀的电压优选为2~4V,更优选为3.5~4V。本发明对所述金属的形态没有特殊要求,采用本领域熟知的市售蒸镀用铝或银(粉、条、片或块)即可。
下面将结合本发明中的实施例,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做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。
以下实施例中,所用NH4-Mo132的制备方法为:
向含(NH4)6[Mo7O24](H2O)4(5.6g,4.5mmol)和CH3COONH4(12.5g,162.2mmol)的250mL水溶液中,加入N2H4(H2SO4)(0.8g,4.5mmol),将所得混合溶液搅拌10min(颜色变为蓝绿色),随后加入CH3COOH(83mL,质量分数50%)溶液,溶液变成绿色,储存在500mL敞口烧瓶中,20℃下搅拌,通风橱中溶液颜色缓慢变成深褐色,4天后在玻璃器皿上滤出红褐色晶体,分别用90%乙醇和乙醚冲洗后,空气中干燥,得到NH4-Mo132。
实施例1
(C4)15-Mo132的制备:
化合物NH4-Mo132和四丁基溴化铵按1:25的电荷摩尔比反应,将NH4-Mo132(100mg)溶于10mL水中,将四正丁基溴化铵(34mg)溶于10mL水,再将四正丁基溴化铵溶液滴加到NH4-Mo132溶液中,室温搅拌24h后进行过滤,用蒸馏水冲洗三遍,在40℃、0.09MPa真空干燥12h,得到多钼氧簇材料,记为(C4)15-Mo132。
实施例2
(C6)20-Mo132的制备:
化合物NH4-Mo132和四己基溴化铵按1:35的电荷摩尔比反应,分别将化合物NH4-Mo132(200.7mg)和四己基溴化铵(131.3mg)溶于6mL H2O中,并将说的四己基溴化铵的水溶液滴加至NH4-Mo132水溶液中,室温搅拌24小时后,溶液呈现深褐色,超声震荡1min后过滤,用蒸馏水冲洗三遍,在40℃、0.09MPa真空干燥12h,得到多钼氧簇材料,记为(C6)20-Mo132。
实施例3
(C6)21-Mo132的制备:
化合物NH4-Mo132和四己基溴化铵按1:40的电荷摩尔比反应,分别将化合物NH4-Mo132(200.7mg)和四己基溴化铵(149.6mg)溶于6mL H2O中,并将所得四己基溴化铵的水溶液滴加到NH4-Mo132的水溶液中,室温搅拌24小时后,溶液呈现深褐色,超声震荡1min后过滤,用蒸馏水冲洗三遍,在40℃、0.09MPa真空干燥12h,得到多钼氧簇材料,记为(C6)21-Mo132。
实施例4
(C8)11-Mo132的制备:
化合物NH4-Mo132和四辛基溴化铵按1:20的电荷摩尔比反应,将NH4-Mo132(100mg)溶于10mL水和乙腈的混合溶液中(水和乙腈的体积比为1:1),将四正辛基溴化铵(40mg)溶于10mL水和乙腈的混合溶液中(水和乙腈体积比为1:1),再将所得四正辛基溴化铵溶液滴加到NH4-Mo132溶液中,室温搅拌24h后进行过滤,用蒸馏水冲洗三遍,在40℃、0.09MPa真空干燥12h,得到多钼氧簇材料,记为(C8)11-Mo132。
实施例5
(C8)19-Mo132的制备:
化合物NH4-Mo132和四辛基溴化铵按1:30的电荷摩尔比反应,将NH4-Mo132(200.3mg)溶于6mL水和乙腈的混合溶液中(水和乙腈的体积比为1:4),将四正辛基溴化铵(141.4mg)溶于6mL水和乙腈的混合溶液中(体积比为1:4),将所得四正辛基溴化铵溶液滴入NH4-Mo132溶液中,室温搅拌24h后过滤,用蒸馏水冲洗三遍,在40℃、0.09MPa真空干燥12h,得到多钼氧簇材料,记为(C8)19-Mo132。
实施例6
(C8)31-Mo132的制备:
化合物NH4-Mo132和四辛基溴化铵按1:42的电荷摩尔比反应,将NH4-Mo132(100mg)溶于10mL水和乙腈的混合溶液中(水和乙腈的体积比为1:1),将四正辛基溴化铵(80mg)溶于10mL水和乙腈的混合溶液中(水和乙腈体积比为1:1),再将所得四正辛基溴化铵溶液滴加到NH4-Mo132溶液中,室温搅拌24h后进行过滤,用蒸馏水冲洗三遍,在40℃、0.09MPa真空干燥12h,得到多钼氧簇材料,记为(C8)31-Mo132。
实施例7
(C10)20-Mo132的制备:
化合物NH4-Mo132和四癸基溴化铵按1:30的电荷摩尔比反应,将NH4-Mo132(100mg)溶于10mL水和乙腈的混合溶液中(水和乙腈的体积比为1:4),将四正癸基溴化铵(85mg)溶于10mL水和乙腈的混合溶液中(水和乙腈体积比为1:4),再将所得四正癸基溴化铵溶液滴加到NH4-Mo132溶液中,室温搅拌24h后进行过滤,用蒸馏水冲洗三遍,在40℃、0.09MPa真空干燥12h,得到多钼氧簇材料,记为(C10)20-Mo132。
应用例1
ITO/PEDOT:PSS/PM6:Y6/(C8)31-Mo132/Al有机太阳能电池的制备:
采用实施例6制备的阴极界面层材料作为阴极界面层;
在镀有135nm的ITO阳极的玻璃基片上,经紫外臭氧处理后,再将经过0.45μm滤膜过滤的PEDOT:PSS水溶液以3500r/min的速度旋涂在ITO阳极上,涂覆厚度35nm,然后110℃退火30min,退火完成后迅速转移至手套箱中,形成阳极界面层;在PEDOT:PSS阳极界面层上旋涂的PM6:Y6活性层溶液(PM6和Y6的质量比为1:1.2,总浓度为16mg/mL,溶剂为氯仿,添加剂氯萘,溶剂和氯萘的体积比为995:5),旋涂的速度为2500r/min,并置于70℃的热板退火10min,形成厚度100nm的活性层;将浓度为0.5mg/mL的(C8)31-Mo132甲醇溶液在2000r/min的转速下旋转40s,形成厚度为4nm的阴极界面层;将所得材料置于蒸镀舱中,以的速度蒸镀Al阴极,蒸镀的真空度为1.8×10-4Pa;蒸镀的电流为36A;蒸镀的电压为3.4V,阴极厚度为100nm,得到有机太阳能电池。
对本应用例得到的有机太阳能电池器件在模拟的AM 1.5G太阳光(100mW/cm2)下进行电流密度-电压性能测试,结果如图1所示。由图1可知,该器件开路电压为0.850V,短路电流密度为25.73mA cm-2,填充因子0.747,经计算,光电转化效率为16.34%。
应用例2
ITO/NH4-Mo132/PM6:Y6/(C8)31-Mo132/Al有机太阳能电池的制备:
采用的阳极界面层材料为NH4-Mo132,采用的阴极界面层材料为实施例6制备得到;
将镀有135nm的ITO阳极的玻璃基片在紫外臭氧下处理30min,将1.25mg/mL的NH4-Mo132甲醇溶液以2000r/min的速度旋涂在ITO上,涂覆厚度10nm,溶剂挥发后,形成阳极界面层;在NH4-Mo132阳极界面层表面旋涂PM6:Y6活性层溶液(PM6和Y6质量比为1:1.2,总浓度为16mg/mL,溶剂为氯仿,添加剂氯萘,氯仿和氯萘的体积比为995:5),置于70℃的热板上退火10min,形成厚度100nm的活性层;将浓度为0.5mg/mL的(C8)31-Mo132甲醇溶液在2000r/min的转速下旋转40s,得到厚度为4nm的阴极界面层;将所得材料置于蒸镀舱中,以的速度蒸镀Al阴极,蒸镀的真空度为1.8×10-4Pa;蒸镀的电流为36A;蒸镀的电压为3.4V,阴极厚度为100nm,得到有机太阳能电池。
对本应用例制备的太阳能电池器件在模拟的AM 1.5G太阳光(100mW/cm2)下进行电流密度-电压性能测试,结果如图2所示。由图2可知,该器件开路电压为0.815V,短路电流密度为25.69mA cm-2,填充因子0.695,经计算光电转化效率为14.55%。
应用例3
ITO/PTAA/Perovskite/PC61BM/(C8)19-Mo132/Al钙钛矿太阳能电池的制备:
采用实施例5制备的(C8)19-Mo132作为阴极界面层材料;
在镀有135nm的ITO阳极的玻璃基片上旋涂3.0mg/mL的PTAA的氯苯溶液,旋涂转速为6000rpm,旋涂时间为30s,然后将所形成的PTAA阳极界面层在100℃的热板上退火10min,PTAA阳极界面层的厚度为10nm;然后在PTAA阳极界面层表面涂覆钙钛矿前驱体溶液(1.4M的Cs0.05FA0.8MA0.15PbI2.7Br0.3溶液,溶剂为DMF:DMSO,DMF与DMSO体积比为4:1),先迅速在1000rpm的低速下旋涂10s,再5000rpm的高速条件下旋涂30s,并且在最后5s快速滴加300μL氯苯进行反溶剂处理,旋涂完毕后,立即放置于100℃的热板上烘烤20min,形成厚度为500nm的黑色钙钛矿活性层;然后在钙钛矿活性层表面涂覆电子传输层,将20mg/mL的PC61BM氯苯溶液滴加到钙钛矿活性层上,于1000rpm的转速旋涂40s,形成厚度为30nm的电子传输层;随后旋涂浓度为0.5mg/mL的阴极界面层材料(C8)19-Mo132的乙醇溶液,于3000rpm的速率旋涂40s,得到阴极界面层的厚度为4nm;然后将制备好的片子置于蒸镀舱中,以的速度蒸镀Ag阴极,蒸镀的真空度为1.8×10-4Pa;蒸镀的电流为36A;蒸镀的电压为3.4V,阴极厚度为100nm,得到钙钛矿太阳能电池。
对本应用例制备的钙钛矿太阳能电池器件在模拟的AM 1.5G太阳光(100mW/cm2)下进行电流密度-电压性能测试,结果如图3所示。由图3可知,该器件开路电压为1.085V,短路电流密度为21.75mA cm-2,填充因子0.757,经计算光电转化效率为17.84%。
应用例4
ITO/PEDOT:PSS/SuperYellow/(C8)31-Mo132/Al有机发光二极管的制备:
采用实施例6制备的(C8)31-Mo132作为阴极界面层材料;
在镀有160nm的ITO阳极的玻璃基片上,经紫外臭氧处理后,再将经过0.45μm滤膜过滤的PEDOT:PSS水溶液以3500r/min的速度旋涂在ITO上,涂覆厚度35nm,然后110℃退火30min,退火完成后迅速转移至手套箱中,形成空穴传输层;在PEDOT:PSS空穴传输层上旋涂SuperYellow溶液(总浓度为6mg/mL,溶剂为甲苯),旋涂的速度为1000r/min,真空处理30min,形成厚度85nm的发光层;然后将浓度为0.5mg/mL的(C8)31-Mo132甲醇溶液在2000r/min的转速下旋转40s,得到厚度为4nm的电子传输层;然后将制备好的片子置于蒸镀舱中,以的速度蒸镀Al阴极,蒸镀的真空度为1.8×10-4Pa;蒸镀的电流为36A;所述蒸镀的电压为3.4V,阴极厚度为100nm,得到有机发光二极管。
对本应用例得到的有机发光二极管电池器件在暗态下进行效率-电流密度性能测试,结果如图4所示。由图4可知,该器件的开启电压为2.7V,最大亮度为26630cd/m2,电流效率为12.82cd/A,功率效率为8.11lm/W,说明此器件具有良好的二极管性能。
应用例5
ITO/NH4-Mo132/SuperYellow/(C8)31-Mo132/Al有机发光二极管的制备:
采用的空穴传输层材料为NH4-Mo132;采用的电子传输层材料为实施例6制备的(C8)31-Mo132;
将镀有160nm的ITO阳极的玻璃基片在紫外臭氧下处理30min,然后将1.25mg/mL的NH4-Mo132甲醇溶液以2000r/min的速度旋涂在ITO上,涂覆厚度10nm,形成空穴传输层;在NH4-Mo132空穴传输层表面旋涂厚度85nm的SuperYellow溶液(总浓度为6mg/mL,溶剂为甲苯),旋涂的速度为1000r/min,然后真空处理30min,形成厚度85nm的发光层;然后将浓度为0.5mg/mL的(C8)31-Mo132甲醇溶液在2000r/min的转速下旋转40s,得到厚度为4nm的电子传输层;然后将制备好的片子置于蒸镀舱中,以的速度蒸镀Al阴极,蒸镀的真空度为1.8×10-4Pa;蒸镀的电流为36A;所述蒸镀的电压为3.4V,阴极厚度为100nm,得到有机发光二极管。
对本应用例得到的有机发光二极管电池器件在暗态下进行效率-电流密度性能测试,结果如图5所示。由图5可知,该器件的开启电压为3.1V,最大亮度为20620cd/m2,电流效率为8.15cd/A,功率效率为4.02lm/W,说明此器件具有良好的二极管性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
2.根据权利要求1所述的多钼氧簇材料,其特征在于,所述n=4、6、8、10或12。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述NH4-Mo132溶液中NH4-Mo132和烷基溴化铵溶液中烷基溴化铵的电荷摩尔比为1:(1~42)。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于,所述交换反应的温度为室温,时间为12~24h。
6.权利要求1或2所述多钼氧簇材料或权利要求3~5任一项所述制备方法制备得到的多钼氧簇材料作为阴极界面层材料在光电子器件领域中的应用。
7.一种有机太阳能电池,包括依次层叠设置的阳极、阳极界面层、活性层、阴极界面层和阴极;所述阴极界面层的材料为权利要求1或2所述多钼氧簇材料或权利要求3~5任一项所述制备方法制备得到的多钼氧簇材料。
8.一种有机无机杂化的钙钛矿太阳能电池,包括依次层叠设置的阳极、阳极界面层、光活性层、电子传输层、阴极界面层和阴极;所述阴极界面层的材料为权利要求1或2所述多钼氧簇材料或权利要求3~5任一项所述制备方法制备得到的多钼氧簇材料。
9.一种有机发光二极管,包括依次层叠设置的阳极、空穴传输层、发光层、电子传输层和阴极;所述电子传输层的材料为权利要求1或2所述多钼氧簇材料或权利要求3~5任一项所述制备方法制备得到的多钼氧簇材料。
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- 2022-07-21 US US17/870,281 patent/US20230096595A1/en active Pending
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