在有機(jī)光伏器件的研究中，陰極界面層（CIL）在實(shí)現(xiàn)有機(jī)半導(dǎo)體與金屬電極間歐姆接觸的過程中起著決定性作用，這對(duì)提升器件效率和開路電壓至關(guān)重要。近期，青島大學(xué)的薄志山、姜煥祥、張安東等人在國(guó)際權(quán)威期刊J. Am. Chem. Soc.上發(fā)表了一篇題為“All Roads Lead to Rome: Isomers with Divergent Cathode Modification Mechanisms Toward Ohmic Contact”的研究論文，深入探索了新型陰極界面層材料的設(shè)計(jì)理念，并系統(tǒng)分析了分子結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制之間的科學(xué)關(guān)聯(lián)。在OPV器件中，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體與金屬間的歐姆接觸要求金屬電極的費(fèi)米能級(jí)高于半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級(jí)。當(dāng)界面處費(fèi)米能級(jí)達(dá)到平衡時(shí)，半導(dǎo)體的能帶發(fā)生彎曲，促進(jìn)電子高效提取。當(dāng)前，高性能CIL的設(shè)計(jì)多聚焦于利用胺基、季銨鹽等通過修飾金屬銀，形成界面偶極，來提升陰極的費(fèi)米能級(jí)，進(jìn)而形成歐姆接觸。然而，與迅速發(fā)展的活性層材料相比，CIL的設(shè)計(jì)策略相對(duì)局限。為了拓寬CIL設(shè)計(jì)思路，青島大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了兩類非胺基CILs：一類是將環(huán)戊二烯單元引入苝酰亞胺（PDI）的bay位，命名為CIL-cp；另一類則不含環(huán)戊二烯單元，稱為CIL-ph。盡管CIL-cp和CIL-ph在化學(xué)結(jié)構(gòu)上互為同分異構(gòu)體，但它們?cè)诮缑嫘揎棛C(jī)制上展現(xiàn)出截然不同的特性。具體而言，CIL-cp中的環(huán)戊二烯單元因其
電子結(jié)構(gòu)特征，具有強(qiáng)得電子能力，顯著降低了PDI分子的能級(jí)。通過 Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM)、Electron Spin Resonance (ESR)、Photoluminescence (PL)等測(cè)試手段，發(fā)現(xiàn)CIL-cp在暗態(tài)和光照條件下均能有效提取活性層的電子，增大活性層的功函數(shù)，有效降低界面處活性層的費(fèi)米能級(jí)。其作用機(jī)制類似于在活性層上施加了一個(gè)強(qiáng)大的電子抽取電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了歐姆接觸。相比之下，CIL-ph則利用羧酸基團(tuán)與金屬的相互作用，以及其自身較強(qiáng)的分子偶極，有效降低了金屬電極的功函數(shù)，減小了陰極處的肖特基勢(shì)壘。 基于CIL-cp和CIL-ph的二元器件分別實(shí)現(xiàn)了19.31%和18.45%的效率。這一研究成果不僅揭示了分子結(jié)構(gòu)對(duì)CIL工作機(jī)制的深遠(yuǎn)影響，還證明了通過在活性層表面引入界面偶極來增大活性層功函數(shù)，是優(yōu)化陰極歐姆接觸的一種高效界面層設(shè)計(jì)策略。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于拓寬CIL的設(shè)計(jì)思路，推動(dòng)OPV器件性能的提升具有重要意義。原文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c09567Figure 3. (a) The formation of Schottky contact barrier when EF Ag is lower than the quasi-fermi level of active layer (EFe). (b) An ideal ohmic contact when EF Ag is higher than EFe. (c) The UPS spectra of Ag, Ag/CIL-cp and Ag/CIL-ph films. (d) The KPFM line profiles of BHJ and BHJ coated with CILs. (e) The working mechanisms of CIL-cp and CIL-ph.
