近日，张志国教授及其合作者在《Advanced Materials》上发表了题为“Fluorinated Perylene-Diimides: Cathode Interlayers Facilitating Carrier Collection for High-Performance Organic Solar Cells”的研究论文，该工作延续了他们在有机太阳能电池(OSCs)阴极界面修饰层方面的研究(见材料学院关于“基于“氢键”作用调控界面兼容性制备高性能有机太阳能电池”的新闻报道)。材料学院2019级博士生姚嘉和硕士研究生丁诗雨为共同第一作者，张志国教授为第一单位通讯作者，中科院化学所李永舫院士为共同通讯作者。

图1. 氟化界面层PDINN-F的分子结构图以及实现无势垒的电子传输示意图。

  近年来，得益于近红外（NIR）吸收特性受体的开发与应用OSCs发展迅速。然而这类NIR受体具有较深的分子能级(LUMO能级约－4 eV)，这对器件工程提出了新的挑战。目前，大多数已报道的阴极界面层具有较高的LUMO能级(约为－3.7 eV)，这并不利于电子传输。

在前期工作当中，张志国教授课题组从改善活性层与界面相容性出发，设计合成了一种含有“氢键作用”的苝酰亚胺类阴极界面修饰层材料(PDINN)，该修饰层材料对不同高效材料体系均具有显著效果。然而，随着低LUMO能级NIR受体主导OSCs的发展，PDINN较高的LUMO能级(－3.78 eV)影响了电子从受体向阴极的传输和光伏性能的提升。

  为此，张志国教授团队提出对PDINN的苝核心湾区进行氟取代的策略，降低LUMO能级，从而在OSCs阴极界面处实现更为合理的能级匹配。他们发现通过在PDINN分子的苝核湾区引入硝基后再将其氟取代的方法，可以快速、可控地将苝核氟化，从而得到具有较深LUMO能级（－4.08 eV）的PDINN-F阴极界面层材料。这种“脱硝氟化”的方式相比传统的“Helex”反应具有成本更低、前驱体更易制备、反应更快（15 min即可完成）等优点。氟取代的PDINN-F阴极界面层可以与NIR受体匹配实现无势垒的电子传输，促进阴极对电子的抽取，抑制电荷复合，获得了超过18%的能量转换效率，同时也提升了器件的稳定性。该项研究提供了一种简单有效的氟化阴极界面修饰层材料的制备方法，也为基于NIR受体的OSCs的发展提供了更好的思路。

  文章信息：

[1]   J. Yao, S. Ding, R. Zhang, Y. Bai, Q. Zhou, L. Meng, E. Solano, J. A. Steele, M. B. J. Roeffaers, F. Gao, Z.-G. Zhang*, Y. Li*, Adv. Mater.2022, 34, 2203690.原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202203690

[2]   J. Yao, B. Qiu, Z.-G. Zhang*, L. Xue, R. Wang, C. Zhang, S. Chen, Q. Zhou, C. Sun, C. Yang, M. Xiao, L. Meng, Y. Li*, Nat. Commun.2020, 11, 2726. 原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-16509-w