论文概览
研究了通过分子设计优化有机光伏(OPV)电池的阴极界面层材料，特别是针对提高效率和抗湿性的分子策略。作者通过侧链工程与氟化策略，合成了NDIP-M、NDIP3F-M和NDIP4F-M三种新型阴极界面层材料，并重点分析了它们在提升OPV性能及稳定性方面的表现。研究发现，NDIP3F-M在能量级对齐、减少陷阱激活能以及提高填充因子(FF)方面表现出色，最终实现了20.1%的功率转换效率(PCE)，并且在高湿度环境下展现出优异的稳定性。该研究以“Molecular
Design of Self-Doping Cathode Interlayer for Efficient andHumidity-Resistant
Organic Photovoltaic Cells”为题发表在顶级期刊JACS上。
技术亮点
1.侧链工程与氟化策略：通过引入氟原子和优化侧链结构，显著提高了材料的疏水性，同时保持了良好的醇溶性。氟化策略增强了电子提取能力，降低了陷阱激活能，从而提升了器件的填充因子。
2.自掺杂效应：NDIP3F-M和NDIP4F-M表现出显著的自掺杂特性，其电导率分别达到3.62 × 10⁻³ 和 2.62 × 10⁻³ S cm⁻¹，远高于未氟化的NDIP-M(1.92 × 10⁻⁴ S cm⁻¹)。自掺杂效应还增强了电荷转移效率，使得基于NDIP3F-M的OPV器件在蓝光区域表现出更高的外量子效率(EQE)。
3.抗湿性与稳定性：NDIP3F-M在85%相对湿度(RH)条件下表现出显著的抗湿性，未封装的OPV器件在400小时后仍保留50%的初始PCE，显著优于其他常用阴极界面材料。材料在高湿度环境下的化学稳定性和功函数(WF)稳定性也得到了验证。
4. 高效器件与普适性：基于NDIP3F-M的三元OPV器件实现了20.1%的PCE，且在不同光活性材料体系中展现了广泛的适用性。
研究意义
改善OPV稳定性问题：OPV器件的稳定性一直是其实用化的主要障碍，尤其是湿度对器件性能的严重影响。NDIP3F-M的开发为解决这一问题提供了新思路。该研究通过优化界面材料的疏水性和自掺杂效应，在不增加封装成本的情况下显著延长了OPV器件的使用寿命。
氟化调控机理的深入探究：研究揭示了氟化策略和侧链工程在调控材料电子结构和界面特性中的重要作用，为未来OPV材料设计提供了理论指导。
推动OPV商业化：高效且稳定的阴极界面材料是实现OPV商业化的关键。NDIP3F-M不仅在实验室条件下表现出色，还具备大规模生产潜力。
深入精读
图1：材料特性与器件光伏性能表征
通过侧链工程与氟化策略设计并合成了三种CIL材料(NDIP-M、NDIP3F-M、NDIP4F-M)。氟化显著增强了材料的疏水性，NDIP3F-M表现出最优的能级对齐与降低的陷阱激活能，使其在OPV器件中实现20.1%的光电转换效率(PCE)。接触角测试显示其水接触角达66.3°，表面能低至35.9 mJ/m²，log P值较高，说明其更倾向于疏水环境。在甲醇中具有良好的溶解性，有利于溶液加工。未封装器件在85%相对湿度下400小时后仍保持50%的初始效率，显示出优异的耐湿性。
图2：合成路径与光电性质分析
展示了NDIP-M、NDIP3F-M和NDIP4F-M的合成路线，各步骤产率较高。紫外-可见吸收光谱显示氟化引起吸收边蓝移或红移，与理论计算一致。能级测试表明氟化材料的LUMO能级更低，有利于电子提取和自掺杂效应。单晶结构分析显示NDIP3F-M中咪唑单元与NDI骨架堆叠距离为3.64 Å，氟原子与咪唑单元的HOMO轨道相互作用增强。EPR和Mott-Schottky测试进一步证实氟化材料具有更高的自掺杂浓度和电导率。
图3：光伏性能与界面特性研究
基于NDIP3F-M的OPV器件获得最高PCE(19.2%)，主要归因于其高填充因子(FF)。EQE积分电流与J-V测试结果一致。陷阱密度分析显示NDIP3F-M陷阱密度最低(9.00×10²² m⁻³)。温度依赖的电容-频率测试表明其陷阱激活能最低(0.37 eV)，有效抑制了陷阱辅助复合。在不同活性层体系中，NDIP3F-M均表现出优于PDINN的性能，显示出良好的普适性。
图4：材料化学与环境稳定性
¹H NMR显示三种材料在CDCl₃中储存120小时后结构稳定。TGA测试表明材料热稳定性良好，分解温度均高于340°C。在高湿环境中，材料略有吸湿，但FT-IR和WF测试表明其化学结构和电极功函数保持稳定，说明CIL层能有效保护电极界面，延缓器件性能衰减。
图5：器件湿度耐受性与降解机制
示意图揭示水分侵入导致电荷复合与化学降解的机制。无CIL或无AIL的器件在空气中迅速失效，凸显界面层对器件稳定性的关键作用。NDIP3F-M基器件在85%
RH环境中400小时后仍保持50%初始效率，显著优于PDINN、PFN-Br和ZnO等常用CIL材料，体现出优异的耐湿性和环境稳定性。
结论展望
本文通过分子设计与氟化策略开发了新型阴极界面材料NDIP3F-M，显著提升了OPV器件的效率和抗湿性，为解决OPV稳定性问题提供了重要解决方案。基于NDIP3F-M的三元OPV器件实现了20.1%的PCE，并在连续AM 1.5G光照下维持87%的初始效率长达800小时。NDIP3F-M显著增强的疏水性提高了器件在高湿度条件下的稳定性，使其在85% RH空气中存储400小时后仍保留50%的初始效率，远超常用CIL材料。这一发现对于开发具有增强湿度抵抗能力的OPV器件具有重要意义。本研究证明了通过侧链工程和氟化策略优化CIL材料的有效性，为后续提升OPV器件的稳定性和效率提供了新思路。
文献来源
Yu, Y.; Cui, Y.; Chen, Z.; Ou, M.; Zhang, T.; Xiao, Y.; Jia, D.; Fu, Z.; Wang, G.; Ren, J.; et al. Molecular Design of Self-Doping Cathode Interlayer for Efficient and Humidity-Resistant Organic Photovoltaic Cells. J. Am. Chem. Soc. 2025.
https://doi.org/10.1021/jacs.5c09631
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