文章介绍
阴极中间层 (CIL) 在调节电极的电导率、界面偶极子和功函数方面的能力在决定有机太阳能电池 (OSC) 的光伏性能方面起着关键作用。广泛使用的基于苝二酰亚胺的 CILs 受到有限电导率和较差厚度公差的内在限制。
基于此，苏州大学崔超华等人开发了一种通用策略，通过掺入多氟取代的铜酞菁 (CuPc) 衍生物形成杂化 CIL，从而精细优化苝二酰亚胺型 CIL (PDINN) 的功能。研究发现，PDINN 和 CuPc 之间的氢键和 π-π 相互作用可以解决 CuPc 用作 CIL 的溶剂加工性问题。在 PDINN 层中掺入 CuPc 可改善薄膜形态、提高导电性并降低阴极功函数，从而提高 CIL 厚度公差并显着改善 OSC 的光伏性能。值得注意的是，使用 PDINN：F16CuPc 作为混合 CIL 的基于 PM6：D18：L8-BO 的设备产生了 20.17% 的显着功率转换效率 (PCE)，这与基于 PDINN CIL 的控制设备 19.29% 的 PCE 相比有了显着提高。特别是，这种策略在多个光活性层和各种基于苝-二酰亚胺的 CIL 中表现出普遍性，为开发高效 OSC 提供了一种有效的方法。该论文近期以“Hybrid Cathode Interlayer Engineering Enables over 20% Efficiency of Organic Solar Cells”为题发表在顶级期刊Angewandte Chemie International Edition 上。
研究亮点：
混合阴极界面层工程：通过设计和合成新型混合材料，科研团队改善了阴极界面层的性能。
效率突破：采用这种混合阴极界面层的有机太阳能电池实现了超过20%的光电转换效率。
稳定性增强：优化后的电池在长期运行中展现出更好的稳定性。
研究内容：
该研究专注于通过阴极界面层工程来提高有机太阳能电池的性能。科研团队通过精确控制阴极界面层的组成和结构，实现了对电荷提取和传输过程的优化，从而提高了电池的光电转换效率和稳定性。
研究意义：
性能提升：这项工作提供了一种通过阴极界面层工程来提高有机太阳能电池效率的新方法。
推动产业化进程：这种混合阴极界面层技术为有机太阳能电池的商业化和大规模生产提供了新的可能性，有助于推动可再生能源技术的发展和应用。
科学贡献：该研究为理解和设计高效率、高稳定性的有机太阳能电池提供了新的视角，对于有机光伏领域的科学进步具有重要贡献。
图文信息
图1. (a)PDINN、F8 CuPc和F16 CuPc的化学结构，沿着PDINN：F8 CuPc和PDINN：F8CuPc。(B)PDINN、F8 CuPc、F16 CuPc、PDINN：F8 CuPc的FTIR光谱(1：0.5，w/w)和PDINN：F16 CuPc(c)在F8CuPc、F16CuPc、PDINN：F8CuPc上的F 1s的XPS光谱(1：0.5，w/w)和PDINN：F16 CuPc(d)PDINN、PDINN：F8CuPc的归一化UV-可见吸收光谱(1：0.5，w/w)和PDINN：F16CuPc(1：0.2，w/w)膜。
图2. (a)PDINN、PDINN：F8 CuPc和PDINN：F16 CuPc膜的2D GIWAXS图案(左)和相应的IP和OOP线切割(右)。(B)PDINN、PDINN：F8 CuPc和PDINN：F16 CuPc膜的AFM相位图像(左)和相应的原纤维直径的统计分布(右)。
图3. (a)电极、界面层和活性层的能级图。(B)Ag电极和三个CIL的UPS光谱。(c)原始Ag表面上和PDINN/Ag、PDINN：F8 CuPc/Ag和PDINN：F8 CuPc/Ag的接触界面处的Ag 3d(左)和N 1 s(右)的XPS光谱。(d)纯受体L 8-BO膜和五个L 8-BO/CIL双层(左)以及纯供体PM 6膜和五个PM 6/CIL双层(右)的PL光谱。PM 6：L 8-BO共混膜和三种PM 6：L 8-BO/CIL双层膜的相应表面电位分布。(g)未修饰和修饰CuPc的CIL机理示意图。
图4. (a)具有不同CIL的基于PM 6：L 8-BO的OSC在100 mW cm-2的1.5 G AM照明下的J-V曲线。(B)具有各种CIL的基于PM 6：L 8-BO的器件的EQE曲线。(c)具有不同CIL的基于PM 6：D18：L 8-BO的OSCs的J-V曲线。(d)基于具有和不具有CuPc衍生物改性的各种有源层系统的器件的Jsc和PCE值。
图5. (a)具有PDINN、PDINN：F8 CuPc和PDINN：F16 CuPc CIL的最佳基于PM 6：L 8-BO的OSC的Jph与Veff曲线、(B)λ和n值、(c)TPC曲线、(d)Nyquist图和(e)暗J-V曲线。(f)用于在各种物理测量中比较三种CIL的性能的雷达图。
总之，作者利用一种新型的高电子迁移率的多氟取代的酞菁铜衍生物作为客体材料，突破了二萘嵌苯二酰亚胺CIL的限制，通过与二萘嵌苯二酰亚胺CIL的分子间氢键和π-π相互作用，解决了酞菁铜的醇-溶剂可加工性问题，实现了对二萘嵌苯二酰亚胺CIL的功能化，薄膜形貌、电荷传输和导电性、界面偶极子和欧姆接触得到全面优化，从而改善了OSC中的载流子动力学。因此，与PDINN CIL相比，混合CIL导致整体改善的光伏性能和更高的CIL厚度公差。依靠更高的电子迁移率和更低的能级，F16 CuPc具有比F8 CuPc更上级的界面优化能力，特别地，在使用PDINN：F16 CuPc作为CIL的基于PM 6：D18：L 8-BO的器件中记录了20.17%的突出PCE，这相对于PCE为19.29%的基于对照PDINN CIL的器件是显著的改进。值得注意的是，在这项工作中开发的混合CIL策略在宽范围的CIL中具有很大的通用性，提高各活性层的光伏性能。该研究结果验证了应用高结晶度和高迁移率客体材料构建高效混合CIL的可行性，为进一步提高OSC的光伏性能铺平了道路。
器件制备
器件制备：
glass/ITO/2PACZ/active layer/PDINN/Ag
1. 洗干净的ITO玻璃，0.3 mg/ml 2PACz 3000rpm 40s旋涂，100℃退火10 min;
2. PM 6：D18：L 8-BO的比例保持在0.4：0.6：1.2(w/w/w)，聚合物浓度为5.0 mg mL−1的氯仿溶液。最佳处理包括25%(w/w)固体添加剂(TXS)，然后在100 ℃下退火 5 min。
3. 最佳PDINN：CuPc CIL的制作细节。PDINN：F8 CuPc和PDINN：F16 CuPc的比例分别保持在1：0.5(w/w)和1：0.2(w/w)，PDINN在甲醇中的浓度为1.0 mg mL-1。搅拌过夜，直至溶解，旋涂;
4. 蒸镀100 nm Ag.
文章信息
H. Yang, W. Zhang, X. Li, Y. Yuan, Y. Wu, X. Xiong, C. Cui, Y. Li, Hybrid Cathode Interlayer Engineering Enables over 20% Efficiency of Organic Solar Cells. Angewandte Chemie International Edition, (2025).
DOI: 10.1002/anie.202507294
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202506/24/390666.html
