Enhancing the Built‐In Electric Field of Thickness‐Insensitive Small Molecule Cathode Interlayers for High‐Efficiency and Stable Organic Solar Cells

有机太阳能电池 材料科学 阴极 工程物理 电场 光电子学 纳米技术 领域(数学) 聚合物 电气工程 复合材料 数学 量子力学 物理 工程类 纯数学
作者
Yuxing Wang,Junjie Wen,Zhe Shang,Yanyi Zhong,Huixiang Zhang,Wenxu Liu,Wentian Han,Huanhuan Yang,Liu Jiming,Jiangbin Zhang,Hui Li,Yao Liu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (31): e202506252-e202506252 被引量:17
标识
DOI:10.1002/anie.202506252
摘要

The built-in electric field (BEF) is proposed as a critical design parameter for optimizing small-molecule cathode interlayer materials (SM-CIMs) in organic solar cells (OSCs). By strategically transforming imidazole-functionalized triads from a donor-acceptor-donor (D-A-D) to an A-D-A configuration and replacing the A unit with a more electron-deficient moiety, we developed three triads: (TBT)2NDI, (NDI)2TBT, and (PDI)2TBT, each exhibiting progressively enhanced BEF, along with improved conductivity, work function (WF) adjustability, energy level alignment, and crystallinity. Additionally, the A-D-A triads facilitate superior electronic communication with both non-fullerene acceptors (NFAs) and polymer donors, enhancing photoexcitation utilization and reducing triplet state formation. Consequently, transitioning from (TBT)2NDI to (NDI)2TBT and then to (PDI)2TBT significantly boosts OSC efficiency and operational stability. Notably, devices with (PDI)2TBT and (NDI)2TBT retain 85.0% and 82.3% of their peak efficiencies, respectively, far exceeding the (TBT)2NDI-based device (65.9%) at an interlayer thickness of approximately 105 nm. Furthermore, (PDI)2TBT exhibits excellent compatibility with various active layers, and an outstanding performance of 20.10% is recorded in the PM6:L8-BO:BTP-eC9 system. This comprehensive study, encompassing molecular design, theoretical simulation, device fabrication, and fundamental device physics, highlights the importance of strategic donor-acceptor (D-A) electronic framework modifications to enhance BEF, thereby advancing the development of sophisticated SM-CIMs for OSCs.
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