Nature?Energy:?萜烯綠色溶劑助力高性能有機電子?

稀、飯 10個月前 (12-26) 1162瀏覽

1.【導讀】

加快有機電子器件向可再生材料和可持續工藝的轉變，對于發展綠色循環經濟至關重要。目前，加工制造高性能的有機電子器件涉及大量有毒的石油化工溶劑，碳排放量巨大。特別是鹵化溶劑的碳排放，除了毒理學危害外，對人類生命健康安全和環境構成嚴重風險，使得基于溶液制造的有機電子設備的規模化生產具有不可持續性。盡管人們一直在嘗試尋找綠色的替代溶劑，但如何同時平衡好溶劑的溶解匹配度、材料形貌和電荷傳輸性能之間的關系，始終是領域的研究難點。

 

2.【成果掠影】

基于以上研究背景，沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學Derya Baran教授（通訊作者）等人展示了從可再生原料中獲得綠色萜烯溶劑，來取代不可再生的環境有害溶劑，并將其用于生產高性能有機光伏（OPVs）、發光二極管（OLEDs）和場效應晶體管（OFETs）等有機電子器件。相關研究成果以“High-performing organic electronics using?terpene green solvents from renewable?feedstocks”為題發表在Nature?Energy期刊上。

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3.【核心創新點】

  1. 確定了各種溶劑體系，并研究了最佳電荷傳輸所需的有效成膜和干燥機制。
  2. 作為一種綠色溶劑，萜烯為OPV、OLED、OFET等各種高效穩定、大面積的有機電子器件開辟了獨特的適用途徑。

 

4.【數據概覽】

圖1. 有機半導體溶劑的毒性和碳足跡。? 2022 Springer?Nature

（a）通過碳循環路徑降低有機電子器件CO2排放的示意圖。

（b）有機電子器件常用溶劑與萜烯綠色溶劑的口服毒性及沸點對比。

（c）由不同生命周期評估研究和Ecoinvent生命周期評估數據庫獲得的全球變暖趨勢。

（d）溶劑口服毒性與OPV器件能量轉換效率的關系。

（e）綠色溶劑口服毒性與其制備的OLED器件電流效率的關系。

（f）綠色溶劑口服毒性與其制備的OFET器件遷移率的關系。

圖2. HSP驅動的油墨配方及成膜機制。? 2022 Springer?Nature

（a）高性能OPV材料Hansen溶解度球體的三維表示，PM6（綠色球體）和BTP-eC9（粉紅色球體）。

（b）各萜烯基配方中PM6溶解度與共溶劑含量的關系。

（c）表示有機光伏二元溶劑組成Hansen溶解度和體異質結形成的四個階段的圖表。

（d）各溶劑組分的溶解親和力與沸點的關系。

（e）TGA蒸發曲線，表示每個基于萜烯配方的10 μl液滴隨時間的剩余質量。

（f）原位吸收峰強度與PM6（625 nm）和BTP-eC9（830 nm）區域形成時間的關系。

（g）歸一化的峰值形成速度與相對時間的關系。

圖3. 萜烯配方的光伏性能。? 2022 Springer?Nature

（a）器件結構示意圖：ITO（淺藍色）/PEDOT:PSS（深藍色）/ PM6:BTP:eC9（粉色）/PDINO（黃色）/銀（灰色）。

（b，c）正常結構下器件JV曲線（b）和EQE曲線（c）的比較。

（d）不同萜烯配方的光強與Voc的半對數圖。

（e）光強對Jsc的對數圖。

（f）用不同萜烯基配方制備的純空穴和純電子器件的電子（μe）和空穴（μh）遷移率比較。

圖4. 形貌表征。? 2022 Springer?Nature

（a，b）不同萜烯配方和CF:DIO制備薄膜的AFM高度圖像（a）和二維?GIWAXS圖像（b）。

（c，d）IP（c）方向和OOP（d）方向對應的GIWAXS曲線。

（e）通過OOP和IP方向上的峰面積比較各萜烯基配方的給體和受體結晶度。

圖5.萜烯使用的通用性和可擴展性。? 2022 Springer?Nature

（a）由1-5個單電池（2.4 cm2）組成的總面積為12 cm2的PM6:BTP-eC9大面積器件模塊的JV曲線。

（b）PM6:BTP-eC9大面積器件的戶外穩定性。

（c）基于最先進共混物OPV器件的JV曲線。

（d）分子結構和Eu基油墨制備的聚合物OLED圖像。

（e）不同溶劑制備超黃器件的JV和亮度曲線。

（f）超黃OLED器件的電流效率與電流密度。

（g, h）CF和Eu油墨制備的O-IDTBR型OFET器件的輸出曲線（g）和傳輸曲線（h）。

（i）CF和Eu制備的器件在線性和飽和狀態下的遷移率比較。

 

5.【成果啟示】

本研究中，提出了利用可再生生物來源的萜烯溶劑，作為幾類有機電子器件的鹵化溶劑綠色替代品。通過溶劑配方體系的優化以及成膜機制的探索，實現了有機電子器件的高性能，并且溶劑配方策略是通用可擴展的，適用于OPV、OLED和OFET中的各種聚合物材料。這些發現為減少碳排放以及發展健康綠色的有機電子制造工藝提供了重要的研究和借鑒意義。

 

原文詳情：?Corzo, D., Rosas-Villalva, D., C, A. et al. High-performing organic electronics using terpene green solvents from renewable feedstocks. Nat Energy (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-022-01167-7。

本文你由famous程供稿。

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