中國科學院大學黃輝AFM： PEDOT:PSS輔助剝離和功能化2D納米片用于高性能有機太陽能電池

【引言】

從2004年，石墨烯作為一種有趣的二維納米材料由于其優異的機械性能、電性能、光性能、熱性能而引起許多關注，最近，一種石墨烯的類似物—二維結構的過渡金屬雙硫屬化合物（TMD納米片）在電子領域的應用顯示出巨大的潛力，比如MoS₂和WS₂。著名的聚乙撐二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）廣泛用于有機太陽能電池的空穴提取層(HEL)，其有許多缺點比如吸水性和酸性會導致穩定性降低。最近，研究人員們用TMD納米片替代PEDOT:PSS作為有基太陽能電池空穴提取層的新選擇。基于原始形狀的TMD納米片有機太陽能電池的功率轉換效率(PCE)通常不能超越基于傳統界面注入材料的有機太陽能電池，可能是由于2H相到1T相的相轉變與TMD納米片的功函不匹配。為了解決此問題，對TMD納米片進行預處理，比如過氧化氫氧化、UV-O₃處理、加入摻雜劑等。

【成果簡介】

最近，中國科學院大學黃輝教授（通訊作者）在Advanced Functional Materials?上以“PEDOT:PSS-Assisted Exfoliation and Functionalization of 2D Nanosheets for High-Performance Organic Solar Cells”為題發表文章，文章介紹了一種在PEDOT:PSS溶液中高效剝離塊體過渡金屬雙硫屬化合物和石墨烯的溫和可擴展方法，用于制備單層或少層納米片。

【圖文導讀】

圖一 剝離光學照片和光譜分析

a) P-MoS₂在不同超聲時間下的懸浮液光學照片；

b) 在稀釋后P-MoS₂分散液的丁達爾效應現象；

c) P-MoS₂納米片在水中不同超聲時間下剝離的UV-vis吸收光譜；

d) PEDOT:PSS稀釋后，P-MoS₂，P-WS₂和P-石墨烯溶液的PL光譜。

圖二 不同剝離樣品的形貌表征

a,b,e) ?P-MoS₂，P-WS₂和P-石墨烯納米片的TEM圖，內部為對應SAED圖；

c,d) ?P-MoS₂，P-WS₂納米片的HRTEM圖；

f,g,h) ?P-MoS₂，P-WS₂和P-石墨烯納米片的AFM圖。

圖三 不同剝離樣品的拉曼圖譜和XRD圖譜

a,b,c) ?P-MoS₂，P-WS₂和P-石墨烯納米片及對應塊體晶體的拉曼圖譜；

d,e,f) ?P-MoS₂，P-WS₂和P-石墨烯納米片及對應塊體晶體的XRD圖。

圖四 有機太陽能電池器件結構及性能

a) 有機太陽能電池器件結構；

b,c) PEDOT:PSS和PEDOT:PSS/ WS₂薄膜的AFM層析圖像，基底是ITO/玻璃；

d) C圖平面的放大圖；

e) PEDOT:PSS和PEDOT:PSS/ WS₂樣品的透射光譜；

f) 基于P3HT:PC₆₁BM 和 PTB7-Th:PC₇₁BM活性材料的J-V曲線；

g) 基于不同空穴提取層P3HT:PC₆₁BM 和 PTB7-Th:PC₇₁BM的EQE曲線。

圖五 有機太陽能電池器件的性能表征

a) ITO和Au電極之間僅含空穴的不同空穴提取層器件在無光條件下測試得到的典型J-V曲線；

b) 基于P3HT:PC₆₁BM 和 PTB7-Th:PC₇₁BM活性層的不同空穴提取層器件的J-V特性；

c) PEDOT:PSS和PEDOT:PSS/ WS₂樣品的拉曼光譜；

d) 基于P3HT:PC₆₁BM 活性層不同空穴提取層器件的穩定性。

【小結】

研究者們通過在PEDOT:PSS溶液中剝離塊體二維材料成功地制備出了單層或少層石墨烯/ TMD納米片，一步法制備混合墨水可以作為高效的空穴提取層以提高有機太陽能電池功率轉換效率和穩定性。結果表明，改善TMD納米片的電導率可能提高界面層之間的電荷傳輸。這項工作提供了一種新穎的方法制備單層或少層石墨烯/ TMD，并為TMD/共軛聚合物納米復合材料的應用提供了方法。

原文鏈接：PEDOT:PSS-Assisted Exfoliation and Functionalization of 2D Nanosheets for High-Performance Organic Solar Cells. (Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201701622)

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