在有机光伏器件的研究中，阴极界面层（CIL）在实现有机半导体与金属电极间欧姆接触的过程中起着决定性作用，这对提升器件效率和开路电压至关重要。近期，青岛大学的薄志山、姜焕祥、张安东等人在国际权威期刊J. Am. Chem. Soc.上发表了一篇题为“All Roads Lead to Rome: Isomers with Divergent Cathode Modification Mechanisms Toward Ohmic Contact”的研究论文，深入探索了新型阴极界面层材料的设计理念，并系统分析了分子结构与工作机制之间的科学关联。
在OPV器件中，实现半导体与金属间的欧姆接触要求金属电极的费米能级高于半导体材料的费米能级。当界面处费米能级达到平衡时，半导体的能带发生弯曲，促进电子高效提取。当前，高性能CIL的设计多聚焦于利用胺基、季铵盐等通过修饰金属银，形成界面偶极，来提升阴极的费米能级，进而形成欧姆接触。然而，与迅速发展的活性层材料相比，CIL的设计策略相对局限。
为了拓宽CIL设计思路，青岛大学的研究团队创新性地设计了两类非胺基CILs：一类是将环戊二烯单元引入苝酰亚胺（PDI）的bay位，命名为CIL-cp；另一类则不含环戊二烯单元，称为CIL-ph。尽管CIL-cp和CIL-ph在化学结构上互为同分异构体，但它们在界面修饰机制上展现出截然不同的特性。
具体而言，CIL-cp中的环戊二烯单元因其电子结构特征，具有强得电子能力，显著降低了PDI分子的能级。通过 Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM)、Electron Spin Resonance (ESR)、Photoluminescence (PL)等测试手段，发现CIL-cp在暗态和光照条件下均能有效提取活性层的电子，增大活性层的功函数，有效降低界面处活性层的费米能级。其作用机制类似于在活性层上施加了一个强大的电子抽取电场，从而实现了欧姆接触。相比之下，CIL-ph则利用羧酸基团与金属的相互作用，以及其自身较强的分子偶极，有效降低了金属电极的功函数，减小了阴极处的肖特基势垒。
基于CIL-cp和CIL-ph的二元器件分别实现了19.31%和18.45%的效率。这一研究成果不仅揭示了分子结构对CIL工作机制的深远影响，还证明了通过在活性层表面引入界面偶极来增大活性层功函数，是优化阴极欧姆接触的一种高效界面层设计策略。这一发现对于拓宽CIL的设计思路，推动OPV器件性能的提升具有重要意义。
论文题目
All Roads Lead to Rome: Isomers with Divergent Cathode Modification Mechanisms toward Ohmic Contact
作者
Huanxiang Jiang, Qi Liang, Haishuo Guo, Andong Zhang, Xuewen Wang, Zheng Tang, and Zhishan Bo
发表期刊
Journal of the American Chemical Society
DOI: 10.1021/jacs.4c09567
https://doi.org/10.1021/jacs.4c09567
分析测试中心AFM机组为材料的形貌分析提供了重要数据支撑。为此，作者团队在文章中对AFM机组的李如老师、吕莉莉老师进行了致谢。
支撑设备
【仪器名称】 原子力显微镜
【仪器品牌】 布鲁克 Bruker
【仪器型号】 Dimension Icon
【购置时间】 2017年
【放置地点】 C109
【功能特色】
基于核心成像模式，可提供的全套 AFM测试模式，允许用户探测样品的电学、磁性等丰富性能。其中峰值力轻敲技术作为一种新的核心成像模式，能同时提供形貌、电学和力学性能数据。
【主要技术指标】
XY方向扫描范围 90um x 90um，垂直方向扫描范围10um。分辨率可持续稳定得到原子级分辨率。对于Z 方向噪声水平开环控制< 0.3Å 闭环控制< 0.35 Å（图象测试）；< 0.5Å（力测试）。对于 XY 方向噪音水平开环控制< 0.1nm，闭环控制< 0.15nm。
【仪器图片】
