中国科学院大学黄辉AFM： PEDOT:PSS辅助剥离和功能化2D纳米片用于高性能有机太阳能电池

【引言】

从2004年，石墨烯作为一种有趣的二维纳米材料由于其优异的机械性能、电性能、光性能、热性能而引起许多关注，最近，一种石墨烯的类似物—二维结构的过渡金属双硫属化合物（TMD纳米片）在电子领域的应用显示出巨大的潜力，比如MoS₂和WS₂。著名的聚乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）广泛用于有机太阳能电池的空穴提取层(HEL)，其有许多缺点比如吸水性和酸性会导致稳定性降低。最近，研究人员们用TMD纳米片替代PEDOT:PSS作为有基太阳能电池空穴提取层的新选择。基于原始形状的TMD纳米片有机太阳能电池的功率转换效率(PCE)通常不能超越基于传统界面注入材料的有机太阳能电池，可能是由于2H相到1T相的相转变与TMD纳米片的功函不匹配。为了解决此问题，对TMD纳米片进行预处理，比如过氧化氢氧化、UV-O₃处理、加入掺杂剂等。

【成果简介】

最近，中国科学院大学黄辉教授（通讯作者）在Advanced Functional Materials 上以“PEDOT:PSS-Assisted Exfoliation and Functionalization of 2D Nanosheets for High-Performance Organic Solar Cells”为题发表文章，文章介绍了一种在PEDOT:PSS溶液中高效剥离块体过渡金属双硫属化合物和石墨烯的温和可扩展方法，用于制备单层或少层纳米片。

【图文导读】

图一 剥离光学照片和光谱分析

a) P-MoS₂在不同超声时间下的悬浮液光学照片；

b) 在稀释后P-MoS₂分散液的丁达尔效应现象；

c) P-MoS₂纳米片在水中不同超声时间下剥离的UV-vis吸收光谱；

d) PEDOT:PSS稀释后，P-MoS₂，P-WS₂和P-石墨烯溶液的PL光谱。

图二 不同剥离样品的形貌表征

a,b,e)  P-MoS₂，P-WS₂和P-石墨烯纳米片的TEM图，内部为对应SAED图；

c,d)  P-MoS₂，P-WS₂纳米片的HRTEM图；

f,g,h)  P-MoS₂，P-WS₂和P-石墨烯纳米片的AFM图。

图三 不同剥离样品的拉曼图谱和XRD图谱

a,b,c)  P-MoS₂，P-WS₂和P-石墨烯纳米片及对应块体晶体的拉曼图谱；

d,e,f)  P-MoS₂，P-WS₂和P-石墨烯纳米片及对应块体晶体的XRD图。

图四 有机太阳能电池器件结构及性能

a) 有机太阳能电池器件结构；

b,c) PEDOT:PSS和PEDOT:PSS/ WS₂薄膜的AFM层析图像，基底是ITO/玻璃；

d) C图平面的放大图；

e) PEDOT:PSS和PEDOT:PSS/ WS₂样品的透射光谱；

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

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

图五 有机太阳能电池器件的性能表征

a) ITO和Au电极之间仅含空穴的不同空穴提取层器件在无光条件下测试得到的典型J-V曲线；

b) 基于P3HT:PC₆₁BM 和 PTB7-Th:PC₇₁BM活性层的不同空穴提取层器件的J-V特性；

c) PEDOT:PSS和PEDOT:PSS/ WS₂样品的拉曼光谱；

d) 基于P3HT:PC₆₁BM 活性层不同空穴提取层器件的稳定性。

【小结】

研究者们通过在PEDOT:PSS溶液中剥离块体二维材料成功地制备出了单层或少层石墨烯/ TMD纳米片，一步法制备混合墨水可以作为高效的空穴提取层以提高有机太阳能电池功率转换效率和稳定性。结果表明，改善TMD纳米片的电导率可能提高界面层之间的电荷传输。这项工作提供了一种新颖的方法制备单层或少层石墨烯/ TMD，并为TMD/共轭聚合物纳米复合材料的应用提供了方法。

原文链接：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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