在有機光伏器件的研究中，陰極界面層（CIL）在實現有機半導體與金屬電極間歐姆接觸的過程中起著決定性作用，這對提升器件效率和開路電壓至關重要。近期，青島大學的薄志山、姜煥祥、張安東等人在國際權威期刊J. Am. Chem. Soc.上發表了一篇題為“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計理念，并系統分析了分子結構與工作機制之間的科學關聯。在OPV器件中，實現半導體與金屬間的歐姆接觸要求金屬電極的費米能級高于半導體材料的費米能級。當界面處費米能級達到平衡時，半導體的能帶發生彎曲，促進電子高效提取。當前，高性能CIL的設計多聚焦于利用胺基、季銨鹽等通過修飾金屬銀，形成界面偶極，來提升陰極的費米能級，進而形成歐姆接觸。然而，與迅速發展的活性層材料相比，CIL的設計策略相對局限。為了拓寬CIL設計思路，青島大學的研究團隊創新性地設計了兩類非胺基CILs：一類是將環戊二烯單元引入苝酰亞胺（PDI）的bay位，命名為CIL-cp；另一類則不含環戊二烯單元，稱為CIL-ph。盡管CIL-cp和CIL-ph在化學結構上互為同分異構體，但它們在界面修飾機制上展現出截然不同的特性。具體而言，CIL-cp中的環戊二烯單元因其
電子結構特征，具有強得電子能力，顯著降低了PDI分子的能級。通過 Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM)、Electron Spin Resonance (ESR)、Photoluminescence (PL)等測試手段，發現CIL-cp在暗態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，有效降低界面處活性層的費米能級。其作用機制類似于在活性層上施加了一個強大的電子抽取電場，從而實現了歐姆接觸。相比之下，CIL-ph則利用羧酸基團與金屬的相互作用，以及其自身較強的分子偶極，有效降低了金屬電極的功函數，減小了陰極處的肖特基勢壘。 基于CIL-cp和CIL-ph的二元器件分別實現了19.31%和18.45%的效率。這一研究成果不僅揭示了分子結構對CIL工作機制的深遠影響，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，是優化陰極歐姆接觸的一種高效界面層設計策略。這一發現對于拓寬CIL的設計思路，推動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.
