Конструкция с полимерным электролитом обеспечивает сверхнизкие

Jun 28, 2023

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4987 (2022) Цитировать эту статью

3847 Доступов

4 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Проводящие материалы, обработанные в растворе окружающей среды, с достаточно низкой работой выхода необходимы для облегчения инжекции электронов в электронных и оптоэлектронных устройствах, но это сложная задача. Здесь мы разрабатываем электропроводящий и устойчивый к окружающей среде полимерный электролит со сверхнизкой работой выхода до 2,2 эВ, которая возникает в результате сильного n-легирования растворенных солей в полимерной матрице. Такие материалы можно перерабатывать в однородные и гладкие пленки на различных проводниках, включая графен, проводящие оксиды металлов, проводящие полимеры и металлы, чтобы существенно улучшить их инжекцию электронов, что позволяет создавать высокоэффективные синие светодиоды и прозрачные светодиоды. Эта работа обеспечивает универсальную стратегию для разработки широкого спектра стабильных материалов для инжекции заряда с настраиваемой работой выхода. В качестве примера мы также синтезируем полимерный электролитный материал с высокой работой выхода для высокопроизводительных солнечных элементов.

Высокопроизводительные тонкопленочные оптоэлектронные устройства, такие как перовскитные солнечные элементы (PSC), органические солнечные элементы (OSC), органические светоизлучающие диоды (OLED), светодиоды с квантовыми точками (QD), требуют по крайней мере одного электрода с достаточной низкая работа выхода (WF) для введения электронов в нижние незанятые молекулярные орбитали (LUMO) данного полупроводника1,2,3,4,5,6. Такие материалы также необходимы для достижения омических контактов с полупроводниковым слоем в полупроводниковых электронных устройствах2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14. Однако проводники с низким WF, такие как щелочноземельные металлы и комбинации химически активных металлов, легко окисляются в присутствии окружающего кислорода и воды, что ограничивает конструкцию и обработку устройств, особенно для устройств, обрабатываемых в растворе5,6,15.

Привлекательной альтернативой химически активным проводникам является модификация стабильных на воздухе проводников путем покрытия стабильного слоя инжекции электронов с низким ВФ (EIL), который обеспечивает инжекцию и транспорт заряда между проводником и данным полупроводником2,9,10,11,16. Поверхностные диполярные полимеры, такие как этоксилированный полиэтиленимин (PEIE), разветвленный полиэтиленимин (PEI) и самоорганизующиеся диполярные молекулярные монослои (SAM), представляют собой класс стабильных материалов EIL1,8,9,10. Их можно синтезировать из раствора на воздухе и производить восстановление ВФ (∆ВФ) до 1,5 эВ для широкого спектра проводников путем создания сильных молекулярных и/или межфазных диполей1,10. Однако эти материалы EIL ограничены изоляторами, что может создать большие барьеры для инжекции и транспорта электронов16,17,18. Хотя полупроводниковые сопряженные полиэлектролиты являются многообещающей альтернативой, они обычно дают небольшую ∆WF 0,4–0,9 эВ11,12. Недавно ВФ всего 2,4 эВ была достигнута путем n-легирования полупроводникового ядра π-сопряженного полиэлектролита многовалентными анионами2,11, донорная сила которых активируется за счет дегидратации дисперсии анионов в безводные небольшие ионные кластеры и мультиплеты.

Полимерные электролиты обычно содержат соль, растворенную в полимере с образованием комплексов полимер-соль, имитируя твердотельную версию системы жидкого электролита19,20. Помимо хорошей технологичности и высокой безопасности, полимерный электролит демонстрирует превосходные электролитические свойства с точки зрения высокой ионной проводимости и поляризации при низком напряжении. Поэтому он широко используется в батареях и суперконденсаторах вместо жидких электролитов, в частности, в высокопроизводительных твердотельных батареях и суперконденсаторах21,22,23. Кроме того, полимерный электролит можно использовать в солнечных элементах, сенсибилизированных красителями, для повышения эффективности преобразования энергии. По сравнению с жидким электролитом, он сможет заморозить ухудшение характеристик ячейки с течением времени, а регенерация красителя и перенос заряда между противоэлектродами могут быть достигнуты за счет окислительно-восстановительной окислительно-восстановительной пары (например, I-/I3- , Co2+/Co3+) в полимерном электролите24,25,26. Важно отметить, что широкие возможности настройки солей и полимеров предоставляют широкие возможности для настройки свойств полимерных электролитов. К сожалению, известные полимерные электролиты обычно обладают превосходной ионной проводимостью, но страдают от очень плохой электропроводности и недостаточно низкого значения WF.