有机太阳能电池（organic solar cells, OSCs）因其具有低成本、柔性可穿戴、可溶液加工等突出优势而备受学术界和产业界关注。然而，器件稳定性不足和界面工程优化困难等问题严重制约了其商业化进程。在这一背景下，开发兼具宽膜厚加工窗口、高载流子迁移率和优异界面兼容性的阴极界面材料已成为突破OSCs效率瓶颈和提升器件稳定性的关键研究方向。其中，小分子阴极界面材料（small-molecule cathode interlayer materials, SM-CIMs）凭借其明确的分子结构、高纯度和可控的结晶性等独特优势，近年来受到广泛研究。然而，目前对于如何通过分子工程策略有效调控SM-CIMs的内建电场（built-in electric field, BEF）仍缺乏系统的理论指导和深入的机理研究。

软物质高精尖中心刘瑶课题组提出以调控供-受体（D-A）结构构型以增强BEF为核心思路，设计并合成了一系列咪唑取代的三元小分子界面材料：(TBT)₂NDI、(NDI)₂TBT与(PDI)₂TBT（图1）。研究团队通过将分子构型从D-A-D转化为A-D-A，并引入更强吸电子能力的受体单元（PDI），实现了BEF的显著增强，同时获得更优的能级调控能力、更高的电子迁移率与薄膜结晶性，为实现高性能厚膜界面层提供了理论与材料基础。

图1. SM-CIMs的分子设计思路

在三种SM-CIMs中，(PDI)₂TBT具有最大的无迹四极矩（|Θ|）和分子极性指数（MPI），体现了BEF随A-D-A结构增强的趋势。同时，(PDI)₂TBT表现出优异的能级匹配能力与界面功函数调控性能，Ag电极的功函数可由4.74 eV有效降低至4.12 eV，有利于形成欧姆接触并提升器件的开路电压和短路电流密度。此外，(PDI)₂TBT表现出最高的电子迁移率（1.85 × 10⁻³ cm²·V⁻¹·s⁻¹）和电导率，更有利于提升器件的电子提取与注入效率。二维GIWAXS测试结果表明，三种材料均呈现优势edge-on取向，(PDI)₂TBT表现出更强的结晶性及更紧密的π–π堆积。分子动力学模拟结果表明，(PDI)₂TBT与非富勒烯受体Y6形成更紧密的堆积。瞬态吸收光谱表明，(PDI)₂TBT处理的PM6:Y6双层膜具有更快的空穴转移速率、更长的载流子寿命与更低的三线态激发态形成概率，有助于提升开路电压与降低能量损失。

图2. 对SM-CIMs光电，凝聚态性质，与受体相互作用及器件动力学表征

在PM6:Y6活性体系中，(PDI)₂TBT修饰的器件获得了17.85%的光电转换效率（PCE），并且在界面层厚度超过100 nm时仍然能保持峰值效率的85%。此外，在PM6:BTP-eC9、PM6:D18:L8-BO及PM6:L8-BO:BTP-eC9等多种活性层体系中，(PDI)₂TBT均展现出优异的适配性与界面调控能力，优于对比材料(TBT)₂NDI与PDINN。特别是在PM6:L8-BO:BTP-eC9体系中，器件实现了20.10%的光电转换效率，达到当前报道的先进水平。稳定性测试方面，器件在环境光照条件下连续运行500小时后，(PDI)₂TBT和(NDI)₂TBT修饰的器件仍分别维持87%与84%的初始效率，显著优于(TBT)₂NDI（降至78%）。裸片热稳定性测试进一步证实(PDI)₂TBT的器件在高温条件下放置225h后仍保持90.6%的初始效率，展现出优异的热稳定性。

图3. 材料光伏器件性能表征

综上，该研究通过调控D-A构型与电子结构，显著增强了SM-CIMs的BEF与界面修饰能力，提出了构建宽膜厚加工窗口的SM-CIMs的分子设计新策略，为实现高效、稳定的有机太阳能电池提供了新思路。

该成果以“Enhancing the Built-In Electric Field of Thickness-Insensitive Small Molecule Cathode Interlayers for High-Efficiency and Stable Organic Solar Cells”为题，发表于国际知名期刊《Angewandte Chemie International Edition》。第一作者为北京化工大学高精尖中心博士生王宇星和文俊杰，通讯作者为北京化工大学化学学院刘文旭副教授和高精尖中心刘瑶教授。感谢高精尖中心李晖教授课题组在理论计算方面的重要支持，本研究得到了国家自然科学基金项目的资助。

文章信息：

Yuxing Wang, Junjie Wen, Zhe Shang, Yanyi Zhong, Huixiang Zhang, Wenxu Liu, Wentian Han, Huanhuan Yang, Jiming Liu, Jiangbin Zhang, Hui Li, and Yao Liu. Enhancing the Built-In Electric Field of Thickness-Insensitive Small Molecule Cathode Interlayers for High-Efficiency and Stable Organic Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed., 2025, e20250625. DOI: 10.1002/anie.202506252.

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202506252