华侨大学黄剑华/陈丹青&龙岩学院陈松华AFM：有机光伏器件阴极界面层材料的全新尝试与分子设计策略创新

第一作者：简俊阳、赵锦英

通讯作者：黄剑华*，陈丹青*，陈松华*

单位：华侨大学，龙岩学院

有机光伏器件的阴极界面层对器件性能和稳定性起着至关重要的作用。理想的阴极界面层材料可以改善活性层-金属阴极的界面接触、减少界面缺陷、降低界面电阻、提高内建电场、改善界面处电子的提取和传输，同时可以将活性层与外界水氧隔离，有效提高器件稳定性。目前的阴极界面层分子设计策略普遍采用缺电子的n-型共轭骨架如苝酰亚胺（PDI）和萘酰亚胺（NDI）等，在适当位置修饰烷基侧链，并在侧链末端锚接极性片段，如N,N-二甲基胺、溴化铵盐和N-O正负离子对等。在这种分子中，缺电子的n-型骨架可以传输电子，极性末端可以诱导产生界面偶极，改善界面接触。然而，刚性的骨架自聚集能力过强，往往与活性层相容性较差，较难在活性层表面形成均匀的分子层。另外，绝缘的烷基侧链也会阻碍电子在极性末端和共轭骨架之间的离域。这些因素使得阴极界面层的性能对薄膜厚度十分敏感。因而，通过分子设计策略创新制备与活性层良好相容性且对膜厚不敏感的阴极界面层材料对该领域发展至关重要。

基于此，华侨大学的黄剑华教授/陈丹青副教授和龙岩学院的陈松华副教授合作，在国际知名期刊Adv. Funct. Mater.上发表题为“Asymmetric B←N Embedded Molecules: A New Pathway toward Efficient Cathode Interlayers for Organic Solar Cells”的研究论文。该论文报道了一种全新的阴极界面层材料：含有硼氮配位键（B←N）的不对称共轭分子。该分子由于含有强偶极的B←N键，且骨架不对称，因而整个分子表现出一定的偶极矩。通过在硼上修饰不同的取代基（氟、苯基、对（N,N-二甲基胺基）苯基），实现了偶极矩大小、方向和分子内电荷转移性质的微调。将这类分子用作有机光伏器件的阴极界面层，成功诱导了界面偶极。与没有阴极界面层的器件相比，用B←N键分子作为界面层的器件性能由11.32%提升至17.06%，略高于经典的PDINO传输层制备的器件（17.04%）。

图1. 含B←N键不对称分子结构及其用作有机光伏器件阴极界面层的器件示意图

与目前主流的分子设计策略不同，本研究独辟蹊径地提出设计含B←N键的不对称分子用作有机光伏阴极界面层材料。由于B←N键的强极性和骨架的不对称性，共轭骨架本身具备较强的偶极矩，可以诱导产生界面偶极，实现电子在金属阴极和活性层之间的充分离域。这种策略对于设计膜厚不敏感分子具有重要的潜力。

要点二：侧基调控偶极矩、分子内电荷转移和与活性层的相容性

以骨架含B←N键的不对称分子为基础，在硼上修饰三种不同的取代基：氟、苯基和对（N,N-二甲基胺基）苯基，实现了分子性质的微调控。从氟到苯基和对（N,N-二甲基胺基）苯基，分子的偶极矩略微降低，但是方向逐渐与骨架平行。分子内电荷转移（ICT）效应逐渐增强，有利于电荷的传输。同时，修饰了芳香的苯基和对（N,N-二甲基胺基）苯基，分子自聚集能力减弱，与活性层相容性显著提高。

要点三：器件制备与表征-实现了器件性能和稳定性显著提升

将这类含B←N键的不对称分子用作阴极界面层材料制备有机光伏器件，选择商业化的PM6：L8-BO共混物为活性层，实现了性能的显著提高。其中，硼上取代了对（N,N-二甲基胺基）苯基的分子，性能达到17.06%，略高于PDINO为界面层的器件（17.04%）。且前者的器件稳定性也略高于后者，表明了这类分子的巨大潜力。

要点四：前瞻

该论文报道了一种有机光伏器件阴极界面层材料的全新设计策略，可以提供良好的界面偶极，并实现电子在界面处充分离域，同时很好地调控界面层与活性层之间的相容性，对未来的高性能阴极界面层分子设计具有重要的参考意义。然而，由于共轭程度和电子传输能力所限，本论文中的三个分子导电性略低于目前主流的阴极界面层分子。通过更加深入的探索，对分子骨架和侧基进行裁剪，提升分子的电导率和电子迁移率，有望进一步提升这类分子作为阴极界面层的性能。

Asymmetric B←N Embedded Molecules: A New Pathway toward Efficient Cathode Interlayers for Organic Solar Cells

黄剑华教授简介：2008年本科毕业于北京化工大学，2008-2014年博士就读于中科院化学所，师从于姚建年院士。2015年加入华侨大学材料学院，2024年破格晋升为教授。入选福建省高层次人才，厦门市高层次人才。主持国家自然科学基金2项（青年项目和面上项目）和福建省自然科学基金面上项目1项。长期从事含硼氮配位键的功能分子设计合成及其在有机光电子学器件中的应用研究。在Adv. Mater., Adv. Energy. Mater., Adv. Funct. Mater., Macromolecules和J. Mater. Chem. A等学术刊物上发表研究论文30多篇。在中国化学会硼化学会议、全国高分子学术论文报告会全国材料大会和有机发光与光电性质学术研讨会等大型学术会议中作口头报告10余场。担任Adv. Funct. Mater., Macromolecules, Solar RRL，Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. C和Polym. Sci. Technol.等期刊的审稿人。