一、 导引

作为有机太阳能电池（OSCs）器件的重要功能单元之一，阴极界面层(CIL)具有电子提取、传输和阻挡空穴的作用，对提高OSCs的光电转换效率（PCE）和稳定性起着重要作用，在过去的十几年中得到了国内外学者的广泛研究。

目前，广泛使用的CIL材料主要可分为两类：共轭聚合物和共轭小分子，其中，基于PDI的小分子CIL材料因其具有较大的共轭平面和优异的本征电子转移特性脱颖而出。尽管这类CILs在一些非富勒烯体系中表现出良好的光伏性能，但是在电荷提取和界面接触方面仍然存在着很大的发展潜力。鉴于此，优化CILs与有源层之间的界面接触，有效地抑制界面陷阱重组，增加界面偶极子，减少电极的功函数（WF），增强电荷提取，以上对于开发高效稳定的OSCs尤为重要。

在本研究中，胡汉林研究团队提出了一种新的策略，通过加入多酚材料（三羟基苯甲酸：TBA）来修饰调控CILs，利用TBA的附加氢键增强了CIL与活性层之间的密切相互作用。改善材料的自团聚行为，降低界面陷阱提高电荷提取能力，提高了器件的稳定性。以 PDINN作为研究对象，在TBA的修饰调控下，PDINN-TBA与活性层和Ag电极之间的强相互作用使得PM6：BTP-ec9的OSCs光电转换效率（PCE）从18.2%提高到19.3%，进而成为最高的PCE值之一。值得注意的是，这种方法同样适用于其他CILs以及各种OSCs体系。

二、     实验验证及结果

本研究中使用的光伏材料的化学结构如图1所示，PM6为电子供体，BTP-ec9为受体。这种TBA和PDINN之间存在强大的分子间相互作用具有增强电荷提取和转移的潜力，最终导致光伏性能的改善。进一步地，研究人员通过掠射广角X射线散射技术（小角散射仪SAXSFocus 3.0，安徽国科，GKINST Co.,LTD.）研究了在TBA诱导下PDINN的结晶，PDINN和PDINN-TBA的层状峰存在的明显的差异，与共轭分子中烷基链的堆叠密切相关，而烷基链的有序和规则的堆积往往有助于提供额外的电荷转移通道。GIWAXS结果分析表明：TBA的掺入可以增强PDINN的堆叠，改善PDINN的层状堆叠。

Figure 1. a) Chemical structures of PDINN, TBA, PM6 and BTP-ec9, and ESP distributions for PDINN and TBA. 2D grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) pattern of b) PDINN and c) PDINN-TBA. d) In-plane line-cut profiles. e) Titration 1H NMR experiments conducted with TBA and PDINN in solution of dimethyl sulfoxide-D6. f) Titration 1H NMR experiments conducted with TBA and BTP-ec9 in solution of dimethyl sulfoxide-D6

同时对样品做NMR检测时发现，TBA溶液在加入PDINN后羧基对位羟基上的1H很有可能被激活，为了验证这一观点，研究团队利用RDG分析法探索TBA与PDINN之间的非共价相互作用，结果与上述观点一致。

通过NMR谱分析验证了团队的策略：TBA增强CIL与活性层之间相互作用。

GIWAXS和NMR测试结果均表明经TBA处理后CIL的光伏性能得到改善。为此团队制定了OSCs器件的评估方案，验证TBA处理后器件光伏性能的优越性，以及从轨道能级和化学结构等方面研究了影响PDINN-TBA增强OSCs性能的因素。

Figure 2. a) The device of conventional architecture. b) J−V curves for PM6: BTP-ec9 based on PDINN and PDINN-TBA CILs. c) The MPP curves of the based on PDINN and PDINN-TBA devices. d) UPS spectra of PDINN with different TBA concentration on Ag substrates. e) EQE curves of based on PDINN and PDINN-TBA devices. f) The time-resolved photoluminescence (TRPL) of BHJ and BHJ/CIL. g) PL spectra of based on PM6, PM6/CIL, BTP-ec9, BTP-ec9/CIL. h) PL spectra of BHJ and BHJ/CIL films

Figure 3. a)–c) are the fs-TAS of BHJ, BHJ/PDINN and BHJ/PDINN-TBA. d) The Jph–Veff curve of the devices with PDINN and PDINN-TBA CILs. e) and f) VOC and JSC dependence on the light intensity. g) The trapped defect state volume density Nt of PDINN and PDINN-TBA based device. h) and i) Transient photovoltage (TPV) and transient photocurrent (TPC) of PDINN and PDINN-TBA devices

Figure 4. AFM height images of a) PDINN and d) PDINN-TBA, AFM phase images of b) PDINN and e) PDINN-TBA and KPFM potential images of c) PDINN and f) PDINN-TBA. g) and j) PiFM images of PDINN and PDINN-TBA at the wavenumber of 1659 cm−1. Corresponding mesh AFM-IR topography image at the same location for h) PDINN and k) PDINN-TBA. TEM images of i) PDINN and l) PDINN-TBA

Figure 5. Thin film morphology of a–c) AFM height images, d–f) phase images, and g–i) fiber width obtained on the phase images (distance between two adjacent dashed lines in the diagram) of PM6: BTP-ec9, PM6: BTP-ec9/PDINN and PM6: BTP-ec9/PDINN-TBA blend films

Figure 6. Schematic diagram of CIL mechanism without and with TBA regulation in a) PDINN device and b) PDINN-TBA device

三、     结论

研究团队提出了一种利用多酚羟基材料调节CILs的新方法，通过TBA的多羟基结构增强CILs与活性层和Ag之间的紧密相互作用，从而提高器件的光伏性能和稳定性。本次工作还通过GIWAXS技术对阴极界面材料进行研究，不仅可以分析材料的取向，还可以对其结晶性进行研究。此次研究强调了调节和修饰CILs的重要性，为开发高效稳定的OSCs提供了新的视角。

[1] Ding X, Lv J, Liang Z, et al. Optimizing of Cathode Interface Layers in Organic Solar Cells Using Polyphenols: An Effective Approach[J]. Advanced Energy Materials, 2401741.

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