华南理工：有机太阳能电池中界面偶极作用机理的深入研究！

有机太阳能电池（OSCs）以其成本低、制造灵活、与可溶液加工等独特优势，成为近几十年来的研究热点。随着新材料的合成应用和器件工艺的优化，OSCs的效率不断提高，目前达到了18%以上。作为一种多层功能性器件，不同层间的界面特性直接影响OSCs的器件性能。调节活性层和金属电极之间的界面接触势垒对电荷传输非常重要。界面修饰层可以有效地减少界面接触势垒，减少表面缺陷，甚至提高器件的内建电场。目前，大量的界面材料已经应用于OSCs中，并取得了良好的器件性能，例如，PFN, PFN-Br, PDINO, FPyBr, ZnO和PEDOT:PSS等性能优异的界面材料。

其中，PFN是一种广泛应用于有机电子器件中的水/醇溶性聚电解质界面材料。由于可以溶解在乙醇、水和其他环境友好的极性溶剂中，因此在传统结构和倒置结构器件中都可以避免PFN界面层和活性层之间的混合，从而提高器件性能。最重要的是，PFN不仅可以减少活性层和电极之间的接触势垒，而且还可以形成界面偶极，增强器件的内建电场，从而同时改善OSCs的所有性能参数(Adv. Mater. 2011, 23, 4636-4643; Nat. Photonics 2012, 6, 591-595)。通过形貌、表面电势和分子结构测量的研究，可以证实PFN界面偶极的存在及其影响。然而，由于直接探测的困难，由于实验表征手段的限制，人们很难直接观测到分子层面的界面微观相互作用过程，缺乏对该类界面层的偶极形成机理的准确认识，使得界面层在材料和器件上的进一步优化变得困难。

最近，华南理工大学何志才教授课题组通过第一性原理计算和实验表征开展了以上电解质类界面材料和电极间相互作用微观机理的研究。相关论文题目为“Formation Mechanism of PFN Dipole Interlayer in Organic Solar Cells”和“Mechanism of the Alcohol-Soluble Ionic Organic Interlayer in Organic SolarCells”分别发表在Solar RRL和Langmuir期刊上。第一作者为华南理工大学博士生冯闯，通讯作者为何志才教授。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/solr.202000753

https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c00413

研究发现， PFN界面层的偶极作用主要来源于含N支链与电极间的相互作用。当PFN分子吸附到Ag表面时，N原子会和Ag形成新的化学键，这通过XPS的研究得到了证实（图1）。同时，研究首次发现，PFN中的电荷会转移到Ag表面，形成从Ag指向PFN的吸附偶极。吸附偶极和PFN分子本身的偶极刚好处于同一方向，两者相互叠加耦合，从而使电极的功函数显著降低。PFN作用机理示意图见图2。当PFN吸附在ITO表面时，同样发现PFN中的电子会转移到ITO表面，形成相应的界面偶极，使ITO表面功函数显著降低。

另外，对于含阴离子的典型电解质类界面材料FPyBr，研究发现，当FPyBr吸附在Ag表面时，Br离子会脱离FPyBr，然后和Ag原子形成新的化学键（见图3）。Br脱离后，形成的新的界面分子FPy，其电子会转移到Ag的表面，形成从Ag指向FPy的吸附偶极，结合分子本身的偶极形成界面偶极，从而明显降低Ag的功函数。有趣的是，当FPyBr吸附在ITO表面时，由于分子本身的偶极和电荷转移形成的吸附偶极相反，ITO的功函数并没有明显降低，意味着FPyBr可能不适合应用于倒装有机太阳能电池。其作用机理示意图见图4。值得一提的是，分子模拟的结果和实验结果具有良好的一致性，这种界面行为研究方法对于界面修饰材料作用机理研究和新材料的研发与应用有重要参考意义。

 

图1、XPS表征结果

图2、PFN的界面偶极作用机理

图3、FPyBr在Ag表面的最稳定结构

图4、含阴离子界面材料FPyBr的作用机理

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。