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華南理工大學黃飛教授團隊:氧雜哌啶鎓鹽二次摻雜PEDOT:PSS實現高效有機光伏器件
2020-05-12  來源:中國科學化學

  華南理工大學黃飛教授課題組采用含不同對離子的2,2,6,6-四甲基氧雜哌啶鎓鹽對傳統導電高分子聚(3,4-亞乙基二氧基噻吩):聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)進行二次摻雜,在提高其導電率的同時實現對其功函及表面能的多維度調控。采用該種摻雜方法的PEDOT:PSS作為空穴傳輸層能夠降低有機光伏器件界面處的電荷轉移阻抗,提高有機光伏器件的效率。


  聚(3,4-亞乙基二氧基噻吩):聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)具有可見光區透明度高,機械穩定性好,低溫溶液加工,電導率高等優點,在有機光伏等有機電子器件領域展現出巨大的應用潛力。通過對PEDOT:PSS進行二次摻雜可以進一步提高其性能,獲得更優異的電子器件性能。然而,目前大部分二次摻雜方法大多著重于PEDOT:PSS電導率的提高,而對其它表面性質(如功函、表面能等)的調節以及其對有機電子器件性能的影響關注較少。因此,發展簡單、高效的二次摻雜手段,對調節PEDOT:PSS的多種性質以及拓寬其應用具有重要的意義。


  最近,華南理工大學的黃飛教授課題組采用含不同對離子的2,2,6,6-四甲基氧雜哌啶鎓鹽(Oxoammonium)作為摻雜劑,在提高PEDOT:PSS導電率的同時,還有效調控了PEDOT:PSS薄膜的功函和表面能,摻雜后的PEDOT:PSS作為空穴傳輸層能夠制備高效的有機光伏器件(圖1)。


圖1  (a) 2,2,6,6-四甲基氧雜哌啶鎓鹽的化學結構及摻雜機理;(b) 二次摻雜后PEDOT:PSS的ESR譜圖;(c)二次摻雜后PEDOT:PSS的FT-IR譜圖;(d) 基于二次摻雜后PEDOT:PSS的有機太陽電池EIS譜圖.


  研究發現,氧雜哌啶鎓鹽可以與PEDOT:PSS之間發生電荷轉移反應,進一步提高PEDOT:PSS的自由載流子濃度。同時,摻雜劑在電荷轉移摻雜過程后的終產物2,2,6,6-四甲基氧雜哌啶具有較低的升華溫度(~42℃),可以通過加熱完全除去,不會影響PEDOT:PSS薄膜的純度與形貌。不僅如此,研究發現通過更換氧雜哌啶鎓鹽的對離子可以實現對PEDOT:PSS表面性質的調節。最終,氧雜哌啶鎓鹽摻雜劑可以在提高PEDOT:PSS電導率的同時,實現對其功函(4.95~5.36 eV)和表面能(49.4~72 mN m?1)的大范圍調節。此外,該種摻雜策略還能夠實現其他共軛聚合物(如P3HT)的有效摻雜,調控其薄膜電導率以及功函等表面特性。作者以PM6(給體)和Y6(受體)作為活性層,摻雜后的PEDOT:PSS作為空穴傳輸層制備了有機光伏器件,其最高效率超過了16%(Voc = 0.82 V,Jsc = 27.18 mA cm?2,FF = 72.59%)。研究表明,氧雜哌啶鎓鹽摻雜的PEDOT:PSS能有效調節有機太陽電池器件中界面處的電荷轉移阻抗(RCT),提高有機光伏器件的效率。 


  近日,該成果以“Oxoammonium enabled secondary doping of hole transporting material PEDOT:PSS for high-performance organic solar cells”為題,在線發表于Science China Chemistry (DOI: 10.1007/s11426-020-9729-y)。


  論文鏈接:https://doi.org/10.1007/s11426-020-9729-y

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(責任編輯:xu)
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