CN216751990U - 一种集成有机光伏电池的Zigbee通讯系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种集成有机光伏电池的Zigbee通讯系统。所述Zigbee通讯系统包括电连接的有机光伏模块、储电模块、电压转换模块和Zigbee数据采集传输模块。本发明采用的有机光伏在室内光的辐射强度下表现出优良的光电转化效率，相较于市场上普遍商业化生产的太阳能电池(如硅晶电池)，在室内光环境下能够实现30％以上的光电转化效率，因而将有机光伏电池应用于驱动低功率通讯系统，从而减少电池的更换频次，甚至做到不需要更换电池。本实用新型Zigbee通讯系统可满足装置长期稳定运行。

Description

一种集成有机光伏电池的Zigbee通讯系统
技术领域
本实用新型涉及一种集成有机光伏电池的Zigbee通讯系统，属于有机光伏电池的应用领域。
背景技术
随着智能化时代的到来，Zigbee通讯系统由于低功耗、低成本、稳定性高等优点被广泛应用于小型物联网设施的数据传输。由于Zigbee通讯系统的电源寿命与续航有限，无法满足通讯系统长期续航要求，而频繁更换电池不仅增加了额外的使用成本，还会对环境造成污染。同时，电池的储能密度、尺寸和质量，与容纳电池额外所需的机械结构，对于Zigbee通讯系统的长期使用造成影响。因此，设计一种能够从使用环境中获取可再生能源，并将多余能源加以储存的自供电装置，将有效解决以上问题。
目前，大多数使用Zigbee通讯系统的小型物联网设施在室内光环境下使用，光伏电池能够将室内光转化为电能为其提供可再生的能源。传统晶硅电池在室外发电方面具有优势，使用较为广泛，但其在室内光照条件下的光伏效率较低，无法满足通讯系统在室内光条件下的使用。新型光伏电池，如有机光伏和钙钛矿光伏电池在室内照明环境下具有优异的光伏性能。由于在室内环境下使用者需要长期接触集成光伏电池的电子设备，而钙钛矿含有重金属毒性物质，会对使用者健康造成危害。有机光伏电池(OPV)在室内光下具有高的光伏效率和优异的稳定性，且有机光伏电池的器件特征为刚性或者柔性，可塑形强。同时电池本身不含高毒性物质，对环境与使用者危害小。且它的光电转化效率仍然存在较大的提升空间，可满足基于zigbee的通讯系统的正常运行。因此，亟待开发一种利用室内光下具有高光电转化效率的有机光伏电池供能的通讯系统置。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种集成有机光伏电池的Zigbee通讯系统，在室内光条件下通过有机光伏电池为通讯系统提供可再生电能，并将电能通过超级电容或二次电池储能，实现通讯系统在室内光下自供电与电能储存，减少通讯系统的使用、降低使用成本、提高通讯系统集成度。
本实用新型所提供的集成有机光伏电池的Zigbee通讯系统，包括依次电连接的有机光伏模块、储电模块、电压转换模块和Zigbee数据采集传输模块；
所述有机光伏模块在室内光光光源或室外光环境下将室内光能转化为电能。
上述的Zigbee通讯系统中，所述有机光伏模块包括单节或串联的有机光伏电池。
上述的Zigbee通讯系统中，所述有机光伏电池为刚性或柔性，包括依次叠加的阳极、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层和阴极吗，如图2所示；
所述电极材料选自，但不仅限于：ITO、FTO、银纳米线、AZO、钙、镁、钡、铝、银、金、铜、镍、锌、钛、锰、铁、铂和钼中的任一种；
所述阳极修饰层的材料选自，但不仅限于：PEDOT:PSS(聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐)、三氧化钼、五氧化二钒和氧化镍中的任一种。
所述阴极修饰层的材料选自，但不仅限于：氟化锂、氧化锌、钛配合物、氧化锡、含胺基聚芴类共轭高分子及其衍生物中的一种、两种或更多种。
所述活性层由给体材料和受体材料制成；
所述给体材料选自聚(对亚苯基亚乙烯)类、聚(亚芳基亚乙烯基)类、聚(对亚苯基)类、聚(亚芳基)类、聚噻吩类、聚喹啉类、叶啉类、卟啉类、酞菁类和寡聚小分子类中任一种；
所述受体材料选自富勒烯或其衍生物、苝或其衍生物、萘或其衍生物和IDT(引达省并二噻吩)或其衍生物中任一种；
所述有机光伏电池可以通过喷墨打印、狭缝涂布刮涂等方式制备。
上述的Zigbee通讯系统中，所述储电模块包括依次电连接的电压电流检测装置、过充过流保护装置和储电机构，所述电压电流检测装置与所述有机光伏模块电连接，所述储电机构与所述电压转换模块电连接。
上述的Zigbee通讯系统中，所述储电机构为单节或串联的镍氢电池或锂离子电池；
所述镍氢电池的供电电压为3～8V，容量为40mAh、60mAh或80mAh，可驱动所述Zigbee数据采集传输模块工作。
上述的Zigbee通讯系统中，所述Zigbee数据采集传输模块包括电连接的数据采集装置和Zigbee数据传输装置，所述数据采集装置与所述电压转换模块电连接，通过所述电压转换模块稳定电压，并在所述Zigbee数据采集传输模块工作时供电；
所述Zigbee数据传输装置采用2.6V～5V电压供电。
上述的Zigbee通讯系统中，所述室内光光源为LED灯、荧光灯、白炽灯或卤素灯，辐照强度为10～5000lux，例如200～2500lux、500～1500lux；示例性地，辐照强度为500lux。所述有机光伏电池在该条件下具有良好的光电转化效率，可达30％以上。
所述有机光伏模块在室内环境下将室内光能转化为电能，以直流电形式为储电机构充电。
本实用新型具有如下有益效果：
1、本实用新型基于有机光伏在室内光的辐射强度下(通常为50～1000lux)表现出优良的光电转化效率，相较于市场上普遍商业化生产的太阳能电池(如硅晶电池)，在室内光环境下能够实现30％以上的光电转化效率，因而首次将有机光伏电池应用于驱动通讯系统，从而实现在室内光环境下以更高的光电转化效率来驱动Zigbee数据采集传输模块。
2、本实用新型提供的集成有机光伏电池的Zigbee通讯系统，由有机光伏电池在室内外光环境下为储电模块充电，由储电机构为通讯和数据传输模块供电，稳定性强。
3、本实用新型提供的集成有机光伏电池的Zigbee通讯系统，采用有机光伏作为供电装置，无需更换干电池，或为如锂电池等二次电池充电，实现通讯系统自供电，减少使用成本与丢弃电池对环境的污染，并去除通讯系统容纳电池、更换电池与为电池充电的结构，使装置轻量化，提升装置可靠性，不易出现故障。
附图说明
图1为本实用新型集成有机光伏电池的Zigbee通讯系统的结构示意图。
图2为有机光伏电池的结构示意图。
图3为标准AM 1.5G太阳光谱图以及其积分电流密度。
图4为LED灯和荧光灯在2700K和6500K的色温下归一化曲线。
图5为单晶硅电池在太阳光谱下和2700K色温LED灯下的电流-电压曲线。
图6为制备有机光伏电池样品用到的有机材料的结构式。
图7为有机光伏电池在太阳光谱下电流-电压曲线。
图8为有机光伏电池在2700K色温LED灯下的电流-电压曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步说明，但本实用新型并不局限于以下实施例。
如图1所示，为本实用新型提供的集成有机光伏电池的Zigbee通讯系统的结构示意图，包括依次电连接的有机光伏模块1、储电模块2、电压转换模块3、Zigbee数据采集传输模块4。
本实施例中，有机光伏模块1为四块串联的有机光伏电池，在室内光环境下最大输出功率点对应电压可达5V。
本实施例中，储电模块2包括依次电连接的电压电流检测装置5、过充过流保护装6和储电机构7，电压电流检测装置5与有机光伏模块1连接，储电机构7与电压转换模块3连接。电压电流检测装置5实时监测有机光伏模块1输出的电压电流和储电机构的电压，过充过流保护装置6在储电机构7充满电或电路内电流超过安全阙值时断开电路，防止过度充电或者电路短路对设备造成的损害。
本实施例中，储电机构7为四节串联的镍氢电池，串联镍氢电池供电电压为4.8V，容量包括但不限于40mAh、60mAh、80mAh。、
本实施例中，Zigbee数据采集传输模块4通过电压转化模块3与储电机构7电连接。具体地，电压转换模块采用AMS1117电压转换芯片，将储电机构7输出的不稳定电压转换为稳定的3.3V电压，以满足Zigbee数据采集传输模块正常工作。
本实施例中，Zigbee数据采集传输模块4包括与电压转换模块3相连的数据采集装置8和Zigbee数据传输装置9。具体地，数据采集装置8收集外部传感器等数据，发送至Zigbee数据传输装置9。Zigbee数据传输装置9采用CC2530芯片驱动，将传感器等数据，发送至接收终端。
经研究发现，单晶硅电池作为一种商业化的光伏电池，在室外发电方面具有优势，使用较为广泛，但其在室内光照条件下的光伏效率较低，无法满足红外遥控装置在室内光条件下的使用。有机光伏电池在室内光下具有高的光伏效率和优异的稳定性，且它的光电转化效率仍然存在较大的提升空间，更符合红外遥控装置的工作环境、满足装置运行条件。
本实用新型比较了有机光伏电池相较于晶硅电池在室内光环境下的优势：
晶硅电池：在充满N2的手套箱中使用太阳光模拟器和LED灯进行测试，测试单晶硅电池的电流密度-电压曲线示于图5。
单晶硅电池的光电转化效率为11.9％，相应的电压为5.75V，电流为2.79mA/cm2，填充因子为0.737。当电池采用2700K色温的LED进行测试的时候，在500lux下，器件的光电转化效率仅为3.60％，相应的电压为2.71V，电流为4.62uA/cm2，填充因子为0.434。
有机光伏电池：使用PBQx-TCl/BTA3(质量比1：1)体系按照本领域常规的加工工艺制备有机光伏电池(器件结构为ITO/PEDOT:PSS/PBQx-TCl:BTA3/PFN-Br/Al)，其中，PBQx-TCl(式中n为20)和BTA3的结构式如图6所示。
在充满N2的手套箱中使用太阳光模拟器进行测试，该有机光伏电池的电流密度-电压曲线示于图7。光电转化效率为12.0％，相应的电压为1.24V，电流为13.1mA/cm2，填充因子为0.737。
在充满N2的手套箱中使用2700K色温LED灯进行测试。在500lux下，测试后的电流密度-电压曲线示于图8。其中开路电压为1.07V，短路电流为49.1uA/cm2，填充因子为0.785，光电转化效率为27.7％。
标准AM 1.5G太阳光谱图以及其积分电流密度如图3所示，LED灯和荧光灯在2700K和6500K的色温下归一化曲线如图4所示。
以上对比结果证实，单晶硅在室内光下的光电转化效率显著低于太阳光照下，有机光伏电池在室内光环境中光电转化效率高于阳光下，表明有机光伏电池更加适合室内光环境下使用。
以上，对本实用新型的实施方式进行了说明。但是，本实用新型不限定于上述实施方式。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种集成有机光伏电池的Zigbee通讯系统，包括依次电连接的有机光伏模块、储电模块、电压转换模块和Zigbee数据采集传输模块；
所述有机光伏模块在室内光光光源或室外光环境下将室内光能转化为电能。
2.根据权利要求1所述的Zigbee通讯系统，其特征在于：所述有机光伏模块包括单节或串联的有机光伏电池。
3.根据权利要求2所述的Zigbee通讯系统，其特征在于：所述有机光伏电池为刚性或柔性，包括依次叠加的阳极、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层和阴极。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的Zigbee通讯系统，其特征在于：所述储电模块包括依次电连接的电压电流检测装置、过充过流保护装置和储电机构，所述电压电流检测装置与所述有机光伏模块电连接，所述储电机构与所述电压转换模块电连接。
5.根据权利要求4所述的Zigbee通讯系统，其特征在于：所述储电机构为镍氢电池或锂离子电池；
所述镍氢电池的供电电压为3～8V，容量为40mAh、60mAh或80mAh。
6.根据权利要求4所述的Zigbee通讯系统，其特征在于：所述Zigbee数据采集传输模块包括电连接的数据采集装置和Zigbee数据传输装置，所述数据采集装置与所述电压转换模块电连接。
7.根据权利要求4所述的Zigbee通讯系统，其特征在于：所述室内光光源为LED灯、荧光灯、白炽灯或卤素灯，辐照强度为10～5000lux。
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