CN111129308B - 非富勒烯有机光伏电池在室内光下的应用 - Google Patents

非富勒烯有机光伏电池在室内光下的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了非富勒烯有机光伏电池及其应用。所述非富勒烯有机光伏电池包括含有受体材料和给体材料的活性层，所述受体和给体为非富勒烯材料；所述应用为非富勒烯有机光伏电池在室内光下驱动微电子产品。本发明采用非富勒烯材料作为电池活性层、非富勒烯给体和受体结构得到的有机光伏电池，相较于市场上普遍商业化生产的太阳能电池，在室内光环境下能够实现18％以上的光电转化效率。

Description

非富勒烯有机光伏电池在室内光下的应用
技术领域
本发明属于有机光伏电池应用领域，具体涉及非富勒烯有机光伏电池在室内光下的应用以及非富勒烯光电材料。
背景技术
随着物联网时代的到来，各类分布式微电子产品得到广泛的使用。这类产品集中在室内环境下应用，具有微功耗、高分散分布、尺寸小等特征。光伏电池能够俘获室内光为这类产品提供持续的、离线型(off-grid)能源。与太阳光相比，人工照明设备的发射光谱和光强均有很大差异。发光二极管(LED)和荧光灯的发射光谱主要集中在400-700nm之间，而太阳光谱却是典型的黑体辐射，其发射光谱范围非常宽；另外，室内光的光强普遍的低于1mW/cm2，而太阳光辐照强度可以高达100mW/cm2。
目前，商业化的太阳能电池(像硅晶电池)在室外表现出非常高的光电转化效率，但是在室内光条件下使用，光电转化效率却非常的低(Energies 2014,7,1500-1516；Appl.Energy,2017,191,10-21)。进而，需要开发新型的光伏产品在室内光环境下实现高的光电转化效率来驱动微电子产品。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明首先提供非富勒烯有机光伏电池在室内光下的应用。
根据本发明的实施方案，所述非富勒烯有机光伏电池包括含有受体材料和给体材料的活性层，所述受体和给体为非富勒烯材料。
根据本发明的实施方案，所述给体材料可以包括但不限于以下物质中的一种、两种或更多种：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、寡聚小分子类。
根据本发明的实施方案，所述受体材料包括小分子受体材料和聚合物受体材料。例如所述受体材料可以包括但不限于以下物质中的一种、两种或更多种：苝及其衍生物、萘及其衍生物、IDT(引达省并二噻吩)及其衍生物。
根据本发明的实施方案，所述活性层优选为包括给体材料和受体材料的混合薄膜层。
根据本发明的实施方案，所述电池的制备可以包括如下步骤，将给体材料和受体材料溶解于氯苯中，制备成浓度为5～20mg/L(例如10mg/L)的共混活性层溶液，使用时旋涂成活性层。其中，所述给体材料和受体材料的重量比可以为1∶(0.5-5)，例如1∶(1-2)，示例性地，重量比为1∶1、1∶1.5。进一步地，所述活性层还可以包括1,8-二碘辛烷；优选地，所述1,8-二碘辛烷的加入量为共混活性层溶液体积的0.3～0.6％，例如0.5％。
根据本发明的实施方案，所述电池结构可以包括顺次排布的电极一、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层和电极二。
根据本发明的实施方案，所述电极一和电极二可以选自ITO、FTO、银纳米线、AZO、钙、镁、钡、铝、银、金、铜、镍、锌、钛、锰、铁、铂和钼中的一种、两种或更多种。示例性地，所述电极一和电极二均可以为ITO。
根据本发明的实施方案，所述阳极修饰层可以选自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一种、两种或更多种。示例性地，所述阳极修饰层可以选自PEDOT:PSS。
根据本发明的实施方案，所述阴极修饰层可以选自无机金属化合物、钛配合物、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，例如所述无机金属化合物可以选自氟化锂、氧化锌和氧化锡中的至少一种；所述含胺基聚芴类共轭高分子及其衍生物可以为PFN或者PFN-Br。示例性地，所述阴极修饰层为氧化锌，优选为纳米氧化锌。
根据本发明的实施方案，所述电池还包括防水氧保护层，所述防水氧保护层设置在电极一和/或电极二的外表面，即不与阳极修饰层和/或阴极修饰层接触的一面。例如，所述防水氧保护层可以为涂有封装材料的玻璃背板；示例性地，所述防水氧保护层可以通过在玻璃背板上涂上紫外封装胶压，然后压在电池的背电极上，经过紫外线照射成型。
根据本发明示例性的实施方案，所述电池具有如图1所示的结构。
根据本发明的实施方案，所述非富勒烯有机光伏电池，可以通过本领域已知方法制备得到，例如喷墨打印、狭缝涂布、刮涂等方式制备。
根据本发明的实施方案，所述非富勒烯有机光伏电池在室内光下的应用优选为在室内光下实现高的光电转化效率并驱动微电子产品。
根据本发明的实施方案，所述微电子产品可以是，但不限于计算器、电子时钟、指示牌和电子标签。
根据本发明的实施方案，所述室内光的光源可以为LED灯、荧光灯、白炽灯、和卤素灯等中的至少一种。例如，驱动时，所述室内光分布在有机光伏电池上的辐照强度为0-5000lux，例如200-2500lux、500-1500lux；示例性地，辐照强度为200lux、500lux、1000lux。
根据本发明的实施方案，适用于上述非富勒烯光伏电池在室内光下应用的给体材料，优选具有如下式A结构：
Figure BDA0001851470710000031
其中，R1、R2、R3、R4相同或不同，选自H或C1-20烷基；
Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8、Y9、Y10相同或不同，选自O，S或Se；
Z1、Z2相同或不同，选自卤素，所述卤素为F、Cl、Br、I，优选为F或Cl；
优选的，所述R1、R2、R3、R4为C3-C12烷基，更优选的，所述R1、R2、R3、R4为C4-C8烷基；
其中，n＝10-50；可优选的，n＝20-40；进一步优选的，n＝25-35。
根据本发明的实施方案，所述式A可以为下述式A1结构：
Figure BDA0001851470710000041
其中，R1、R2、R3、R4、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8和n的定义同式A。
根据本发明的实施方案，所述式A结构优选为如下化合物PBDB-TF：
Figure BDA0001851470710000042
其中，R1、R2、R3、R4均为2-乙基己基；n＝20。
本发明进一步提供了一种适用于上述非富勒烯光伏电池在室内光下应用的受体材料，优选具有如式I所示的结构：
Figure BDA0001851470710000051
其中，Ra、Rb、Rc、Rd相同或不同，选自H或C1-20烷基；
X1、X2、X3、X4相同或不同，选自O或S；
A1、A2相同或不同，选自任选被一个、两个或三个选自＝O，＝S，卤素，
Figure BDA0001851470710000052
的取代基所取代的
Figure BDA0001851470710000053
结构，其中Ar为C5-C12芳环或芳杂环。
根据本发明的实施方案，所述卤素为F、Cl、Br、I，优选为F或Cl；
优选的，所述Ra、Rb、Rc、Rd为C3-C12烷基，更优选的，所述Ra、Rb、Rc、Rd为C4-C8烷基；
优选的，所述Ar为苯环、噻吩环、呋喃环、吡咯环、氰基茚酮或者茚酮。
根据本发明的实施方案，所述式I可以为下述式Ⅱ结构：
Figure BDA0001851470710000061
其中，Ra、Rb、Rc、Rd、X1、X2、X3、X4的定义同式(I)。
根据本发明的实施方案，所述式I可以为下述式III结构：
Figure BDA0001851470710000062
其中，Ra、Rb、Rc、Rd、X1、X2、X3、X4的定义同式(I)。
根据本发明的实施方案，所述式I可以为下述式IV结构：
Figure BDA0001851470710000071
其中，Ra、Rb、Rc、Rd、X1、X2、X3、X4的定义同式(I)。
根据本发明的实施方案，所述式(I)结构优选为如下化合物IO-4Cl：
Figure BDA0001851470710000072
本发明还提供所述式I(包括式II、式III、式IV)的制备方法，包括如下步骤：将M1与M2进行反应得到。其中，M1为任选被一个、两个或三个选自＝O，＝S，卤素，
Figure BDA0001851470710000073
的取代基所取代的
Figure BDA0001851470710000074
化合物，所述Ar定义同通式I中所定义，优选的，M1为如下结构：
Figure BDA0001851470710000081
所述M2为如下结构：
Figure BDA0001851470710000082
其中，A1、A2、Ra、Rb、Rc、Rd、X1、X2、X3、X4的定义同式(I)。
根据本发明的实施方案，所述反应可在有机溶剂及选自吡啶、哌啶或四氢吡咯中的一种或几种试剂存在条件下进行，其中有机溶剂可以选自氯仿、二氯甲烷、甲醇或者乙醇中的一种或几种；
根据本发明的实施方案，优选的，所述M1和M2的质量比可以为1∶(1-1.5)，例如1∶(1-1.3)；所述有机溶剂与M1的体积质量比(mL/g)可以为1∶(16-25)，例如1∶(18-22)，示例性地，体积质量比为1∶20；所述有机溶剂与吡啶的体积比可以为(90-110)∶1，例如(95-105)∶1，示例性地，体积比为100∶1。
根据本发明的实施方案，所述反应过程中通入惰性气体进行保护，所述惰性气体可以为氦气或者氩气，优选为氩气。
根据本发明的实施方案，所述反应温度为40-100℃，优选为50-80℃。
根据本发明的实施方案，所述方法还包括反应后处理步骤，例如对所述非富勒烯小分子化合物进行提纯。所述提纯可以采用本领域已知方法，例如采用色谱柱提纯。
示例性地，所述受体的合成路线如图1所示。
本发明还提供所述式I、式II、式III、式IIII在非富勒烯有机光伏电池中的应用。所述光伏电池优选应用于室内光下。
本发明还提供了一种非富勒烯光伏电池，所述电池包括含有受体材料和给体材料的活性层。
所述受体材料、给体材料可以选择如前文所述的非富勒烯材料。所述受体材料优选为式I、式II、式III、式IIII结构，所述给体材料优选为式A结构，更优选的，所述给体材料为化合物PBDB-TF。
根据本发明的实施方案，所述电池的活性层优选为包括给体材料和受体材料的混合薄膜层。
根据本发明的实施方案，所述电池的制备可以包括如下步骤，将给体材料和受体材料溶解于氯苯中，制备成浓度为5～20mg/L(例如10mg/L)的共混活性层溶液，使用时旋涂成活性层。其中，所述给体材料和受体材料的重量比可以为1∶(0.5-5)，例如1∶(1-2)，示例性地，重量比为1∶1、1∶1.5。进一步地，所述活性层还可以包括1,8-二碘辛烷；优选地，所述1,8-二碘辛烷的加入量为共混活性层溶液体积的0.3～0.6％，例如0.5％。
根据本发明的实施方案，所述电池结构可以包括顺次排布的电极一、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层和电极二。
根据本发明的实施方案，所述电极一和电极二可以选自ITO、FTO、银纳米线、AZO、钙、镁、钡、铝、银、金、铜、镍、锌、钛、锰、铁、铂和钼中的一种、两种或更多种。示例性地，所述电极一和电极二均可以为ITO。
根据本发明的实施方案，所述阳极修饰层可以选自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一种、两种或更多种。示例性地，所述阳极修饰层可以选自PEDOT:PSS。
根据本发明的实施方案，所述阴极修饰层可以选自无机金属化合物、钛配合物、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，例如所述无机金属化合物可以选自氟化锂、氧化锌和氧化锡中的至少一种；所述含胺基聚芴类共轭高分子及其衍生物可以为PFN或者PFN-Br。示例性地，所述阴极修饰层为氧化锌，优选为纳米氧化锌。
根据本发明的实施方案，所述电池还包括防水氧保护层，所述防水氧保护层设置在电极一和/或电极二的外表面，即不与阳极修饰层和/或阴极修饰层接触的一面。例如，所述防水氧保护层可以为涂有封装材料的玻璃背板；示例性地，所述防水氧保护层可以通过在玻璃背板上涂上紫外封装胶压，然后压在电池的背电极上，经过紫外线照射成型。
根据本发明示例性的实施方案，所述电池具有如图1所示的结构。
根据本发明的实施方案，所述非富勒烯有机光伏电池，可以通过本领域已知方法制备得到，例如喷墨打印、狭缝涂布、刮涂等方式制备。
根据本发明的实施方案，所述非富勒烯有机光伏电池可应用于室内光下，且优选在室内光下实现高的光电转化效率并驱动微电子产品。
根据本发明的实施方案，所述微电子产品可以是，但不限于计算器、电子时钟、指示牌和电子标签。
根据本发明的实施方案，所述室内光的光源可以为LED灯、荧光灯、白炽灯、和卤素灯等中的至少一种。例如，驱动时，所述室内光分布在有机光伏电池上的辐照强度为0-5000lux，例如200-2500lux、500-1500lux；示例性地，辐照强度为200lux、500lux、1000lux。
本发明还提供含有所述非富勒烯光伏电池的微电子产品。
本发明的有益效果是：
1.申请人发现，非富勒烯材料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，因而首次将非富勒烯有机光伏电池应用于室内光下，从而实现在室内光环境下以更高的光电转化效率来驱动微电子产品；
2.本发明采用非富勒烯材料作为电池活性层，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18％以上的光电转化效率，最高可达24.9％；
3.本发明采用的非富勒烯受体结构，特别适用于在室内光发射光谱下(如LED和荧光灯的发射光谱主要集中在400-700nm之间)实现较高的光电转化效率。
术语定义和说明
除非另有说明，本申请说明书和权利要求书中记载的基团和术语定义，包括其作为实例的定义、示例性的定义、优选的定义、表格中记载的定义、实施例中具体化合物的定义等，可以彼此之间任意组合和结合。这样的组合和结合后的基团定义及化合物结构，应当属于本申请说明书记载的范围内。
术语“C1-20烷基”应理解为优选表示具有1～20个碳原子的直链或支链饱和一价烃基，优选为C3-12烷基。“C3-12烷基”应理解为优选表示具有3、4、5、6、7、8、9、10、11或12个碳原子的直链或支链饱和一价烃基。所述烷基是例如丙基、丁基、戊基、己基、异丙基、异丁基、仲丁基、叔丁基、异戊基、2-甲基丁基、1-甲基丁基、1-乙基丙基、1,2-二甲基丙基、新戊基、1,1-二甲基丙基、4-甲基戊基、3-甲基戊基、2-甲基戊基、1-甲基戊基、2-乙基丁基、1-乙基丁基、3,3-二甲基丁基、2,2-二甲基丁基、1,1-二甲基丁基、2,3-二甲基丁基、1,3-二甲基丁基或1,2-二甲基丁基等或它们的异构体。特别地，所述基团具有4、5、6、7、8个碳原子(“C4-8烷基”)，例如丁基、异丙基、戊基、己基、异丁基、仲丁基、叔丁基、异戊基、2-乙基己基等。
术语“C5-C12芳环”应理解为优选表示具有6～12个碳原子的一价芳香性或部分芳香性的单环或双环，优选“C6芳基”。
术语“C5-C12芳杂环”应理解为包括这样的一价单环或双环芳族环系：其具有5～12个环原子且包含1-4个独立选自N、O和S的杂原子，例如噻吩环、呋喃环或吡咯环。
附图说明
图1为本发明所述非富勒烯有机光伏电池结构示意图。
图2为实施例1中IO-4Cl的合成路线图。
图3为实施例2到实施例4中制备的非富勒烯有机光伏电池所需的活性层材料。
图4为实施例1中IO-4Cl的质谱图。
图5为实施例1中IO-4Cl的氢谱图。
图6为实施例1中IO-4Cl的碳谱图。
图7为标准AM 1.5G太阳光谱图以及其积分电流密度。
图8为LED灯和荧光灯在2700K和6500K的色温下归一化曲线。对比于图7中标准太阳光谱，常见的LED灯和荧光灯具有非常窄的光谱范围。
图9为2700K的LED灯在500lux下发射功率和积分功率曲线。
图10为实施例2-4中所用活性层的吸收光谱。
图11为对比例1中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12为实施例2中制备的非富勒烯有机光伏电池在太阳光下的电流-电压曲线。
图13为实施例2中制备的非富勒烯有机光伏电池在2700K色温LED灯下的电流-电压曲线。
图14为实施例3中制备的非富勒烯有机光伏电池在太阳光下的电流-电压曲线。
图15为实施例3中制备的非富勒烯有机光伏电池在2700K色温LED灯下的电流-电压曲线。
图16为实施例4中制备的非富勒烯有机光伏电池在太阳光下的电流-电压曲线。
图17为实施例4中制备的非富勒烯有机光伏电池在2700K色温LED灯下的电流-电压曲线。
图18为实施例4中制备的非富勒烯有机光伏电池在2700K色温荧光灯下的电流-电压曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。此外，应理解，在阅读了本发明所公开的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的保护范围之内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1制备IO-4Cl化合物
参照图2的合成路线，将199.1mg化合物1(从朔纶有机光电科技(北京)有限公司购买)和214.8mg化合物2(从朔纶有机光电科技(北京)有限公司购买)加入到50mL圆底烧瓶中，通入氩气除去瓶中的空气，进行氩气保护。随后加入20mL氯仿和0.2mL吡啶。再把圆底烧瓶移入65℃的油浴锅中搅拌反应15小时。待反应结束之后，采用色谱柱提纯得到208.6mg化合物IO-4Cl。
m/z:[M+H]+1469。
1H-NMR(CDCl3,400MHz):δ(ppm),8.43(s,2H),7.99(s,4H),7.92(s,2H),7.64(s,2H),7.22(d,8H),7.15(d,8H),2.57(t,8H),1.59(t,8H),1.31(m,24H),0.86(t,12H)。
13C-NMR(CDCl3,400MHz):δ(ppm),187.94,187.19,155.36,151.82,147.28,145.25,143.77,142.47,140.70,139.65,139.53,139.33,139.16,139.01,137.88,136.84,135.03,128.82,127.87,124.78,124.61,122.97,118.37,63.19,35.58,31.67,31.23,29.15,22.56,14.06,-0.02。
实施例2基于PBDB-TF/ITCC体系制备光伏电池
将PBDB-TF(从SolamerMeterialInc购买)与ITCC(从SolamerMeterialInc购买)以重量比为1:1共混溶解于氯苯制备10mg/mL的共混活性层溶液，然后将0.5％体积比的1,8-二碘辛烷加入共混活性层溶液中备用。器件制备按照如下流程：首先，将常用的阳极修饰层PEDOT:PSS旋涂在ITO表面，以150℃退火20分钟。随后将基片移到手套箱中，将上述共混活性层溶液在PEDOT:PSS层上旋涂成膜(2000rmp/min，90s)。随后将薄膜在100℃下，退火10分钟。待基片冷却以后，将ZnO纳米粒子(分散在甲醇溶液中)旋涂在活性层薄膜上。最后，在大约10-4Pa的压力下蒸镀100nm铝层，得到有机光伏电池。
图7为标准AM 1.5G太阳光谱图以及其积分电流密度，图8为LED灯和荧光灯在2700K和6500K的色温下归一化曲线，图9为2700K的LED灯在500lux下发射功率和积分功率曲线。图8对比于图7中标准太阳光谱，说明常见的LED灯和荧光灯具有非常窄的光谱范围。
在充满N2的手套箱中使用太阳光模拟器进行测试，电流密度-电压曲线示于图12：光电转化效率为10.3％，相应的电压为1.10V，电流为14.5mA/cm2，填充因子为0.643。在充满N2的手套箱中使用2700K色温LED灯进行测试，测试后的电流密度-电压曲线示于图13：在200lux下，其中开路电压为0.918V，短路电流为19.2uA/cm2,填充因子为0.700，光电转化效率为20.4％；在500lux下，其中开路电压为0.948V，短路电流为47.8uA/cm2,填充因子为0.706，光电转化效率为21.2％；在1000lux下，其中开路电压为0.962V，短路电流为95.8uA/cm2,填充因子为0.722，光电转化效率为22.0％。结果证明本实施例的非富勒烯有机光伏电池在室内光下比太阳光下光电转化效率明显提高。非富勒烯有机光伏电池非常适合在室内光条件下应用。
实施例3基于PBDB-TF/IT-4F体系制备光伏电池
将PBDB-TF(从SolamerMeterialInc购买)与IT-4F(从SolamerMeterialInc购买)以重量比为1:1共混溶解于氯苯制备10mg/mL的共混活性层溶液，然后将0.5％体积比的1,8-二碘辛烷加入共混活性层溶液中备用。器件制备按照如下流程：首先，将常用的阳极修饰层PEDOT:PSS旋涂在ITO表面，以150℃退火20分钟。随后将基片移到手套箱中，将上述共混活性层溶液在PEDOT:PSS层上旋涂成膜(2000rmp/min，90s)。随后将薄膜在100℃下，退火10分钟。待基片冷却以后，将ZnO纳米粒子(分散在甲醇溶液中)旋涂在活性层薄膜上。最后，在大约10-4Pa的压力下蒸镀100nm铝层，得到有机光伏电池。在充满N2的手套箱中使用太阳光模拟器进行测试，电流密度-电压曲线示于图14：光电转化效率为12.2％，相应的电压为0.872V，电流为20.4mA/cm2，填充因子为0.687。在充满N2的手套箱中使用2700K色温LED灯进行测试，测试后的电流密度-电压曲线示于图15：在200lux下，其中开路电压为0.659V，短路电流为22.8uA/cm2,填充因子为0.734，光电转化效率为18.2％；在500lux下，其中开路电压为0.692V，短路电流为56.6uA/cm2,填充因子为0.756，光电转化效率为19.6％；在1000lux下，其中开路电压为0.712V，短路电流为113.0uA/cm2,填充因子为0.780，光电转化效率为20.8％。结果证明本实施例的非富勒烯有机光伏电池在室内光下比太阳光下光电转化效率明显提高。非富勒烯有机光伏电池非常适合在室内光条件下应用。
实施例4基于PBDB-TF/IO-4Cl体系制备光伏电池
将PBDB-TF(从SolamerMeterialInc购买)与实施例1制备的IO-4Cl以重量比为1:1.5共混溶解于氯苯制备10mg/mL的共混活性层溶液。将常用的阳极修饰层PEDOT:PSS旋涂在ITO表面，以150℃退火20分钟。随后将基片移到手套箱中，将上述共混活性层溶液在PEDOT:PSS层上旋涂成膜(2000rmp/min,90s)。随后将薄膜在160℃下，退火10分钟。待基片冷却以后，将ZnO纳米粒子(分散在甲醇溶液中)旋涂在活性层薄膜上。最后，在大约10-4Pa的压力下蒸镀100nm铝层，得到有机光伏电池。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16：光电转化效率为9.64％，相应的电压为1.24V，电流为11.6mA/cm2，填充因子为0.670。在充满N2的手套箱中使用2700K色温LED灯进行测试，在1000lux下，测试后的电流密度-电压曲线示于图17：开路电压为1.09V，短路电流为90.3uA/cm2,填充因子为0.730，光电转化效率为23.8％。在充满N2的手套箱中使用2700K色温荧光灯进行测试，在1000lux下，测试后的电流密度-电压曲线示于图18：开路电压为1.09V，短路电流为73.3uA/cm2,填充因子为0.774，光电转化效率为24.9％。结果证明本实施例的非富勒烯有机光伏电池在室内光下比太阳光下光电转化效率明显提高。非富勒烯有机光伏电池非常适合在室内光条件下应用。
图10为实施例2-4中所用活性层的吸收光谱。从图10中可以看到实施例2-4中所用活性层对室内光(400-700nm)具有很好的吸收特性，能够避免室内光的能量损失。进而，由实施例2-4所用活性层制备的非富勒烯有机光伏电池也非常适合在室内光条件下应用。
以上结果证明本实施例的非富勒烯有机光伏电池在室内光下比太阳光下光电转化效率明显提高。非富勒烯有机光伏电池非常适合在室内光条件下应用。
对比例1基于单晶硅体系光伏电池
单晶硅电池作为一种广泛商业化的光伏电池，从一般商业渠道购买。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11。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。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，并不适合室内光下应用。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.非富勒烯有机光伏电池在室内光下的应用，其特征在于，所述非富勒烯有机光伏电池中包括含有受体材料和给体材料的活性层，所述受体材料具有如式I所示的结构：
Figure FDA0003528115230000011
其中，Ra、Rb、Rc、Rd相同或不同，选自H或C1-20烷基；
X1、X2、X3、X4相同或不同，选自O或S；
A1、A2相同或不同，选自任选被一个、两个或三个选自＝O，＝S，卤素，
Figure FDA0003528115230000012
的取代基所取代的
Figure FDA0003528115230000013
结构，其中Ar为C5-C12芳环或芳杂环；
所述室内光的光源为LED灯、荧光灯、白炽灯和卤素灯中的至少一种；
驱动时，所述室内光分布在有机光伏电池上的辐照强度为50-5000lux。
2.根据权利要求1所述的非富勒烯有机光伏电池在室内光下的应用，其特征在于，所述给体材料选自以下物质中的一种、两种或更多种：聚(亚芳基)类、聚噻吩类、聚喹啉类、叶啉类、卟啉类、酞菁类、寡聚小分子类；所述受体材料包括小分子受体材料和聚合物受体材料。
3.根据权利要求1-2任一项所述的非富勒烯有机光伏电池在室内光下的应用，其特征在于，所述应用为非富勒烯有机光伏电池在室内光下驱动微电子产品。
4.根据权利要求3所述的非富勒烯有机光伏电池在室内光下的应用，其特征在于，所述微电子产品选自计算器、电子时钟、指示牌和电子标签。
5.根据权利要求1或2所述的非富勒烯有机光伏电池在室内光下的应用，其特征在于，所述给体材料具有如下式A结构：
Figure FDA0003528115230000021
其中，R1、R2、R3、R4相同或不同，选自H或C1-20烷基；
Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8、Y9、Y10相同或不同，选自O，S或Se；
Z1、Z2相同或不同，选自卤素，所述卤素为F、Cl、Br、I；
其中，n＝10-50。
6.根据权利要求5所述的非富勒烯有机光伏电池在室内光下的应用，其特征在于，所述R1、R2、R3、R4为C3-C12烷基。
7.一种非富勒烯受体材料，其特征在于，具有如式II所示的结构：
Figure FDA0003528115230000031
其中，Ra、Rb、Rc、Rd相同或不同，选自H或C1-20烷基；
X1、X2、X3、X4相同或不同，选自O或S。
8.根据权利要求7所述的非富勒烯受体材料，其特征在于，所述式II结构为：
Figure FDA0003528115230000032
9.根据权利要求7或8所述非富勒烯受体材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：将M1与M2进行反应得到；
其中，M1为如下结构
Figure FDA0003528115230000033
M2为如下结构：
Figure FDA0003528115230000041
其中，Ra、Rb、Rc、Rd、X1、X2、X3、X4的定义同权利要求7所述式II中的定义。
10.根据权利要求7或8所述的受体材料在非富勒烯有机光伏电池中的应用；所述光伏电池应用于室内光下。
11.一种非富勒烯有机光伏电池，其特征在于，所述电池包括含有给体材料和受体材料的活性层；所述受体材料为如权利要求7或8所述的受体材料。
12.根据权利要求11所述的非富勒烯有机光伏电池，其特征在于，所述电池的活性层为包括给体材料和受体材料的混合薄膜层。
13.根据权利要求11或12所述的非富勒烯有机光伏电池，其特征在于，所述电池结构包括顺次排布的电极一、阳极修饰层、活性层、阴极修饰层和电极二；
所述电极一和电极二均选自ITO、FTO、银纳米线、AZO、钙、镁、钡、铝、银、金、铜、镍、锌、钛、锰、铁、铂和钼中的一种、两种或更多种；
所述阳极修饰层选自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一种、两种或更多种；
所述阴极修饰层选自无机金属化合物、钛配合物、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。
14.根据权利要求11-13任一项所述的非富勒烯有机光伏电池在室内光下的应用。
15.一种微电子产品，其特征在于，包含权利要求11-13任一项所述的非富勒烯光伏电池。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
An Electron Acceptor Challenging Fullerenes for Efficient Polymer Solar Cells;Lin Yuze et al.;《Advanced Materials》;20150107;第27卷;1170-1174 *
Molecular Optimization Enables over 13% Efficiency in Organic Solar Cells;Zhao Wenchao et al.;《J.Am.Chem.Soc.》;20170517;第139卷;7148-7151 *

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