Все органические гомопереходы PEDOT:PSS p

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 12485 (2022) Цитировать эту статью

1096 доступов

Подробности о метриках

Широко известно, что поли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS) представляет собой только материал p-типа, и поэтому существует проблема изготовления всех p-n-устройств на основе PEDOT:PSS. Здесь и впервые мы представляем новое гомопереходное p – n-диодное устройство, основанное исключительно на тонких пленках PEDOT:PSS. Диод демонстрирует нелинейное ВАХ с коэффициентом выпрямления 3 и напряжением включения ~ 1,4 В.

Проводящий полимер поли(3,4-этилендиокситиофен)поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS) обычно используется в качестве материала для переноса дырок p-типа в полимерных солнечных элементах и ​​гетеропереходных диодах Шоттки из-за его высокой оптической прозрачности, особенно в видимый свет1,2. Однако электропроводность чистого p-PEDOT:PSS требует улучшения из-за его естественной структуры ядро-оболочка. Широко известно, что зерна PEDOT:PSS обычно окружены электроизолирующим слоем PSS3. В предыдущих работах обсуждалась возможность повышения проводимости p-PEDOT:PSS с использованием, например, органических растворителей4. В очень немногих работах сообщалось о разработке пленок PEDOT:PSS n-типа5,6,7, даже с ограниченным успехом в использовании n-PEDOT:PSS в эффективных устройствах с гомопереходом, таких как простой p-n-диод. Например, Лу и др. использовали обработанный изопропанолом PEDOT:PSS в качестве слоя n-типа в гетеропереходном устройстве с материалом p-(P3HT: PCBM) BHJ-PSC8. Кроме того, Чен и др. получили n-PEDOT:PSS путем нанесения растворителя PEIE на слой p-PEDOT:PSS9. С другой стороны, Ким и др. преобразовали пленку p-PEDOT:PSS в пленку n-типа, чтобы она могла функционировать в качестве термоэлектрических материалов, просто обработав p-PEDOT:PSS 40% масс. CuCl210.

Также Сами и др. создали тонкопленочный солнечный элемент на основе гетероструктуры n-PEDOT:PSS/p-CuInGaSe2. Тем не менее, все эти работы не дали информации о физических свойствах полученного слоя n-PEDOT:PSS или причинах преобразования PEDOT:PSS из p-типа в n-тип или возможности изготовления всего устройства гомоперехода PEDOT:PSS. Здесь мы сообщаем о деталях процесса преобразования p-PEDOT:PSS в n-PEDOT:PSS, где для этого преобразования использовался растворитель изопропанол, который, как было обнаружено, оказал большое влияние на физические свойства полученного слоя n-PEDOT:PSS. Важно отметить, что разработанный n-PEDOT:PSS был использован в новой гомопереходной диодной структуре FTO/p-PEDOT:PSS/n-PEDOT:PSS/Cu, где использовались исключительно тонкие слои PEDOT p и n-типа.

PEDOT:PSS с концентрацией 1,1% в H2O (номер модели: 739324) и изопропаноловый спирт (ISO) (99,5%, экстра сухой) были получены от Sigma-Aldrich и использованы непосредственно без какой-либо дополнительной очистки. Тонкие пленки PEDOT:PSS готовили следующим образом: 1 мл раствора PEDOT:PSS смешивали с 1 мл ISO (об:об) при перемешивании при 55°C. После этого полученную смесь (т.е. PEDOT:PSS/ISO) наносили на очищенную стеклянную подложку (1 см2 × 1 см2) при 120 °С в течение 2 мин с помощью пленочного аппликатора со скоростью 7 мм/с (модель COATMASTER 510XL). Полученную пленку PEDOT:PSS/ISO отжигали и отверждали в течение 10 мин при 120 °C. Для изготовления гомопереходного диода PEDOT:PSS структура FTO/p-PEDOT:PSS/n-PEDOT:PSS/Cu была получена путем: (1) нанесения 20 мкл чистого раствора PEDOT:PSS на подложку FTO при 120°. С. Затем пленку оставляли сушиться в атмосфере N2 в течение 5 мин; в завершение полученную пленку отжигали при 120°С в вакуумной печи в течение 10 мин; (2) 20 мкл раствора PEDOT:PSS, смешанного с ISO в объемном соотношении (1:1) (об:об), наносили на p-чистый слой p-PEDOT:PSS с использованием той же процедуры сушки и отжиг. Наконец, омический контакт из металлической меди толщиной ~ 50 нм был термически испарен и нанесен на слой n-PEDOT:PSS в качестве верхнего электрода.

На рисунке 1 показаны измерения с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ), где сравниваются фазовые изображения исходных пленок и пленок PEDOT:PSS/ISO. Для исходной пленки PEDOT:PSS (рис. 1а) заметно, что фазовое изображение четко демонстрирует слабое фазовое разделение между цепями PEDOT и PSS. Напротив, для PEDOT:PSS/ISO n-типа, рис. 1b, фазовое изображение показывает сильное фазовое разделение между цепями PEDOT и PSS. Кроме того, изображения АСМ на рис. 1b доказывают гораздо больший размер зерна и гораздо больше взаимосвязанных цепочек PEDOT в случае пленки n-PEDOT:PSS. Кроме того, пленка n-PEDOT:PSS/ISO демонстрирует шероховатость поверхности 5,3 нм по сравнению с 14,8 нм у исходной пленки p-PEDOT:PSS. Улучшение шероховатости поверхности пленки мы связываем с наблюдаемым уменьшением и отделением ПСС от ПЭДОТ в структуре. Наиболее вероятно, что ОН-группа изопропанола контролирует роль ПСС и тем самым снижает гидрофобный характер ПЭДОТ. Эти изображения АСМ подтверждают, что изопропанол играет значительную роль в процессе разделения фаз между проводящим PEDOT и изолирующим PSS внутри PEDOT:PSS11,12,13. Кроме того, благодаря гидрофильным свойствам изопропанола, разделенные фазы цепи PSS, скорее всего, будут растворяться и, таким образом, удаляться с поверхности пленки PEDOT:PSS.