实验室何志才教授团队:配体官能化的MXenes作为有机太阳能电池的阳极和阴极界面
有机太阳能电池(OSCs)中界面层的选择要考虑到与活性层的能级匹配及其电荷迁移率。考虑到传统有机界面材料普遍存在功函数难以调节和迁移率低的问题,开发兼具可调能级和高电荷迁移率的新型界面材料迫在眉睫。
近日,华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的何志才教授课题组以具有优异电荷传输能力的Ti3C2TX MXenes材料为基础界面层,采用O-封端和NH2-封端策略,实现了具有可调功函数的两性界面,可分别用于OSCs的空穴传输层(O-MQD HTL)和电子传输层(E-MQD ETL)。研究发现,表面封端和Ti3C2TX基质之间的强电子耦合相互作用使得O-MQD HTL和E-MQD ETL具有可调的功函数和令人满意的导电性。结果显示,在二元D18:L8-BO体系中,基于O-MQD HTL的正置OSCs和基于E-MQD ETL的倒置OSCs的光电转换效率(PCE)分别高达18.75%和18.15%。更重要的是,本研究开发出的界面还可推广到其它有机光电器件中。在有机光电探测器中(OPDs),与使用传统电荷传输层的器件相比,采用E-MQD ETL和O-MQD HTL的OPDs具有更高的比探测率,分别为1.24×1013和 1.10×1013Jones。这一研究为设计用于有机光电器件的多功能高效界面提供了重要技术突破。
图1 (a)E-MQD 的制备;(b)E-MQDETL 和 O-MQD HTL 的制备;(c)OSCs 器件结构
如图 1a 所示,配体封端Ti3C2TX的制备是通过在特定反应温度下对剥离的单层Ti3C2TX MXenes纳米片进行水热切割制备的。然而,没有特殊表面功能化的始Ti3C2TX的本征功函数范围为4.4-4.8 eV,这并不能适用于OSCs器件中的界面层。为了调控Ti3C2TX的电子结构,用乙醇胺(EA)分子共价官能化Ti3C2TX表面,得到了NH2 封端的E-MQD。随后,E-MQD薄膜经过热退火和H2O2 处理,将NH2 转化为O,得到的O-MQD。
图2 EA分子沿垂直和平行方向在a)–OH、b)–O、c)–F和d)–O/–OH/–F混合封端的MQD表面上的吸附能和差分电荷密度。EA分子沿垂直和平行方向在e)–OH、f)–O、g)–F和h)–O/–OH/–F混合封端的MQD表面上的静电势计算结果
通过DFT计算,探究了MQD表面封端分子结合形状和界面相互作用机制。由于MXenes在化学蚀刻过程中,表面会自然发生官能化,空白MQD被认为具有四种表面封端,即–O、–OH、–F或–O/–OH/–F混合封端。如图2所示,EA分子在OH封端表面具有较大的吸附能,表明EA分子可能与表面的OH通过氢键作用结合在MQD表面。当EA分子以水平方向结合在表面后,E-MQD的功函数降至4.50 eV。此外, O封端的MQD的功函数达到了相当高的6.13eV。因此,可以预计具有适量封端的E-MQD和O-MQD将具有适当的功函数,可分别用作ETL和HTL。
图3采用ZnO和E-MQD ETL的倒置器件的a)J–V曲线,b)EQE光谱和c)JSC和VOC的光强依赖性;采用PEDOT:PSS和O-MQD HTL的正置器件的d)J–V曲线,e)EQE光谱和f)JSC和VOC的光强依赖性
相关研究成果以“Ligand-Triggered MXene Quantum Dots withTunable Work Function as Anode and Cathode Interlayers for Organic Solar Cells”为题发表在Solar RRL上,其中通讯作者为何志才教授,第一作者为李涛博士研究生。该研究工作得到了中华人民共和国科学技术部(2023YFE0208500)、广东省国际科技合作基金(项目编号2020A0505100002)、广州市应用基础研究计划项目(2023A04J1696)以及111项目(项目编号BP0618009)的资助。
原文链接:https://doi.org/10.1002/solr.202400270