第一作者：王雪雯

共同第一作者：梁琪

通讯作者：张安东、姜焕祥、路皓、薄志山教授

通讯单位：青岛大学

原文链接：10.1021/jacs.4c15071

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阴极界面层（CILs）对有机太阳能电池（OSCs）的性能和长期稳定性具有关键作用。虽然胺基类界面材料在降低金属电极功函数方面效果显著，但这类材料可能加速受体材料的分解，从而影响OSCs的稳定性。为解决这一问题，本研究创新性地设计并合成了酰胺化的苝酰亚胺PDI-Leu-am作为无掺杂型阴极界面材料。相比于胺基类CILs，该分子有效抑制了受体分子的光降解过程，显著提升OSCs的光稳定性和热稳定性，更在活性层/阴极界面展现出双重修饰功能：既促进活性层的电子抽取，又能降低电极功函数。这种双重修饰机制优化了欧姆接触，最终实现高达20%的能量转换效率（PCE）。这一突破为OSCs的实际应用开辟了新路径，并为开发高性能、长寿命、低成本的界面材料奠定了坚实基础。

背景介绍

有机太阳能电池（OSCs）凭借其宽光谱吸收、柔性制备及低成本溶液加工等优势，成为新一代光伏技术的研究热点。近年来，稠环电子受体（FREAs）的开发推动OSCs能量转换效率（PCE）突破20%，并在弱光环境、半透明器件等场景展现出独特竞争力。然而，器件稳定性不足仍制约其商业化。研究显示，受体分子外环双键的降解反应及界面失效是导致性能衰退的关键因素。为此，学界通过受体大分子化、界面交联等策略提升稳定性，但光诱导降解问题仍未根本解决。

目前主流阴极界面层（CILs）多采用胺基材料降低电极功函数，然而胺基存在下，会诱发受体光降解，同时与n型半导体间的单电子转移过程会产生高光活性的自由基，长期存在的高活性自由基同样是光伏器件中潜在的不利因素。我们前期研究发现，具有电子抽取能力CIL可以有效修饰活性层功函数，与电极形成欧姆接触，但胺基类CILs在界面处与受体分子发生电子转移，阻碍了的电子抽取过程。因此，开发化学惰性且具有双重界面调控能力的新型CIL材料，成为突破效率与稳定性的关键。

研究出发点

1）开发化学惰性界面分子，抑制活性层分子降解过程，实现器件高稳定性

2）明确酰胺基团与金属电极之间的作用机制，为界面分子设计提供坚实可靠的研究基础。

3）明确界面层与活性层的作用机制，优化电子抽取过程，实现器件高效率。

图文解析

PDI-Leu-am的合成路线

通过L8BO吸收光谱的变化图，证实了受体分子在胺存在下，会发生显著的光降解，其中仲胺降解能力更强。而酰胺单元无明显光降解现象。基于酰胺单元的CIL分子PDI-Leu-am，相比其他CILs，对受体分子光、热稳定性有显著提升。

图1. 不同胺/酰胺/界面分子存在下，L8BO的吸收光谱变化

通过UPS测试了PDI-Leu-am对银的功函修饰能力，并进一步通过XPS以及第一性原理计算证明了PDI-Leu-am与银电极间的作用机制。PDI-Leu-am中，侧链的酰胺基团中的氧原子，与Ag电极作用，形成界面偶极，从而调节电极功函。

图2. PDI-Leu-am对Ag电极功函修饰与作用机制分析

与传统胺基类CILs分子不同，通过UPS、KPFM证明了PDI-Leu-am增大了活性层功函数，并通过ESR等实验证实了活性层与界面层之间发生了电子转移，即活性层表面形成了活性层（+）——界面层（-）的界面偶极。这有利于活性层与电极形成良好的欧姆接触，并实现良好的电子提取与传输。

图3. PDI-Leu-am对活性层功函修饰分析

通过AFM以及接触角测试，分析了界面层形貌、表面能及其稳定性。AFM测试表明，PDI-Leu-am与活性层之间的相互作用，能形成更显著的纤维状形貌。接触角结果表明，PDI-Leu-am与活性层材料具有类似的表面能，表明两者有良好的界面相容性，这有利于界面层的微观形貌的长期稳定。

图4. 界面层微观形貌及表面能表征

以PDI-Leu-am为阴极界面层时，D18/L8BO器件效率达到19.75%，三元器件效率达到了20%，主要体现在短路电流密度（J_SC）和填充因子（FF）的提升。器件稳定性相比其他界面材料显著提升。

图5. 有机光伏器件光电性能及稳定性

总结与展望

本研究基于低成本苝四甲酸二酐及氨基酸原料，成功开发新型阴极界面材料PDI-Leu-am。通过UPS/XPS与理论计算，揭示了其与银电极间的界面相互作用机制。作为非自掺杂型CIL，该材料通过提升活性层功函数，并在CIL/阴极界面构建同向偶极，优化电子传输路径，使器件能量转换效率PCE突破20%。与传统胺基CIL相比，PDI-Leu-am不仅将器件效率提升，同时有效缓解OSCs普遍存在的性能快速衰减问题。实验证实，基于PDI-Leu-am的器件在持续光照及热老化条件下展现出优异的长期稳定性。该工作创新性地通过分子结构设计实现了界面能带与化学稳定性的调控，为开发高效稳定OSCs提供了新材料体系，对推动有机光伏技术产业化具有重要指导意义。

原文信息

https://doi.org/10.1021/jacs.4c15071

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