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华南理工大学於黄忠教授团队《Small》：具有可调功函数的表面功能化Ti3C2Tx实现高效聚合物太阳能电池

时间：2022-04-28 来源： 浏览：

华南理工大学於黄忠教授团队《Small》：具有可调功函数的表面功能化Ti3C2Tx实现高效聚合物太阳能电池

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#太阳能电池 18 个
#Ti3C2Tx 1 个
#功函数 1 个
#缺陷钝化 4 个

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近期，华南理工大学於黄忠教授团队与武汉工程大学石胜伟教授合作在功能化 Ti 3 C 2 T x 实现高效聚合物太阳能电池取得新进展，探索了功能化 Ti 3 C 2 T x 在可调功函数和缺陷钝化的机理，丰富了功能化 Ti 3 C 2 T x 的设计理念，相关成果以标题为 “ Surface-engineered Ti 3 C 2 T x  with tunable work functions for highly efficient polymer solar cells ” 发表在 Sm all 上。

图 1 Ti 3 C 2 T x 、 D-Ti 3 C 2 T x -50 以及 R-Ti 3 C 2 T x -15 的（ a ） O 1s ，（ b ） F 1s ，（ c ） Ti 2p 谱图
 

图 2 Ti 3 C 2 T x 、 D-Ti 3 C 2 T x -50 、 R-Ti 3 C 2 T x -15 以及乙醇胺 的 FTIR 光 谱 。
实验采用富含 -NH 2 的乙醇胺分子和 RhCl 3 处理二维 Ti 3 C 2 T x 来 调控其 功函数 和钝化其 Ti 空位。经过乙醇胺处理以后， O 1s 和 F 1s （图 1 ）向低结合能方向移动；而经过 RhCl 3 处理 后， O 1s 和 F 1s （图 1 ）则向高结合能方向移动。因此， XPS 结果表明 Ti 3 C 2 T x 和乙醇胺与 Rh 之间发生了电荷转移。同时，在 FTIR 光谱（图 2 ）中 Ti 3 C 2 T x 的 -OH 、 Ti -O 和 Ti -F 伸缩振动峰出现了红移现像，表明 Ti 3 C 2 T x 与乙醇胺分子之间存在氢键 相互作用。如图 3 ， 开尔文探针 和 UPS 测试 表明， 随着乙醇胺浓度的增加， D-Ti 3 C 2 T x 的 功函数 先 降 低，之后稳定在 4.23 eV 左右 ；  RhCl 3 溶液处理 Ti 3 C 2 T x 后 ，随着金属氯化物溶液浓度的增加， R-Ti 3 C 2 T x 薄膜 的功函数逐渐增大，当继续增大 RhCl 3 溶液的浓度时， R-Ti 3 C 2 T x 薄膜 功函数保持在 5.04 eV 左右 。

图 3 （ a ）、（ b ）开尔文探针测试的 Ti 3 C 2 T x ， D-Ti 3 C 2 T x 以及 R-Ti 3 C 2 T x 系列传输层的功函数，（ c ） ITO ， Ti 3 C 2 T x ， D-Ti 3 C 2 T x -50 以及 R-Ti 3 C 2 T x -15 的 UPS 曲线
一般来说，材料的 WF 是指其费米能级与真空能级之间的差值。因此，费米能级 ( 或真空能级 ) 的上升 ( 或下降 ) 会降低功函数。官能团可以通过电子再分配来改变费米能级。此外，表面官能团可以通过形成表面偶极子来改变真空 能级 。 D-Ti 3 C 2 T x 的 WF 下降可能有两种 情况 ，如 图 4 a 所示。首先，乙醇胺中带正电的 - NH 3 与 Ti 3 C 2 T x 中带负电的 -O- 、 -OH 、 -F 通过氢键相互 连接在一起 。在这种情况下，乙醇胺的 - NH 3 与 Ti 3 C 2 T x 的 -O- 、 -OH 、 -F 形成 一个 负端指向 Ti 3 C 2 T x 的 界面偶极子 （图 4 c ） ，导致真空能级下降。 此外 ， 电子从 乙醇胺的 - NH 3 转移到 Ti 3 C 2 T x 的 -O- 、 -OH 、 -F ，导致费米能级 的 上升 （图 4 c ）。 因此，费米能级的上升和真空能级的下降导致 功函数 的下降。 而 对于 R-Ti 3 C 2 T x ，电子从 Ti 3 C 2 T x 的 -OH 和 -F 转移到 Rh 3+ 导致 Rh 3+ 还原成 Rh(0) （图 4 b ） 。在这种情况下，由于 Ti 3 C 2 T x 的电子密度下降， 导致 费米能级下降 ，从而引起 R-Ti 3 C 2 T x 功函数 的升高（图 4d ） 。
 

图 4 (a) D-Ti 3 C 2 T x 和 (b) R-Ti 3 C 2 T x 形成机理示意图。 (c) D-Ti 3 C 2 T x 和 (d) R-Ti 3 C 2 T x 的功函数变化机理示意图
此外，经过乙醇胺和 RhCl 3 处理 后，其电导率从 Ti 3 C 2 T x 的 6.72 μS/cm 提高至 D -Ti 3 C 2 T x 的 13.74 μS/cm 和 R-Ti 3 C 2 T x 的 14.97 μS/cm （图 5a ）。 与 Ti 3 C 2 T x 相比， D -Ti 3 C 2 T x 和 R-Ti 3 C 2 T x 的电导率更高，这 可能 是由于 Ti 3 C 2 T x 中表面缺陷的减少。在 Ti 3 C 2 T x 的拉曼光谱中 （图 5b ） ， 154.4 和 198.0 cm -1 处的 A 1g 峰反映了 Ti 3 C 2 T x 的表面缺陷状态 。 与 Ti 3 C 2 T x 相比， D-Ti 3 C 2 T x 和 R-Ti 3 C 2 T x 的 A 1g 峰变得更 强 更尖锐 ， 这 表明缺陷浓度更低。这可能是因为乙醇胺的 -NH 2 和 Rh 3+ 钝化了 Ti 3 C 2 T x 中的 Ti 空位缺陷。此外， Ti 3 C 2 T x 的 EPR 光谱 （图 5c ）表明， 经乙醇胺和 RhCl 3 处理后， D-Ti 3 C 2 T x 和 R-Ti 3 C 2 T x 的 EPR 信号明显弱于 Ti 3 C 2 T x ，进一步证实 D-Ti 3 C 2 T x 和 R-Ti 3 C 2 T x 中存在较弱的 Ti 空位密度。图 5d 和 e 为经乙醇胺 -NH 2 和 Rh 3+ 钝化 Ti 3 C 2 T x 表面 的 Ti 空位缺陷示意图。对于 D-Ti 3 C 2 T x （ 图 5d ） ，乙醇胺上具有孤对电子的 -NH 2 基团与表面 未 配位的 C 原子形成配位， 从而起到钝化 Ti 空位的作用 。 对于 R-Ti 3 C 2 T x （ 图 5e ）， Rh 3+ 填充 Ti 3 C 2 T x 的 Ti 空位，并与 4 个 C 原子形成 化学 键 。 因此， Ti 空位缺陷的 降低 可以有效抑制非辐射载流子的复合，从而提高电导率。
 

  
图 5 （ a ）基于 D-Ti 3 C 2 T x 和 (b) R-Ti 3 C 2 T x 的电导率曲线。 Ti 3 C 2 T x 、 D-Ti 3 C 2 T x 和 R-Ti 3 C 2 T x 的 （ b ） 拉曼光谱和 （ c ） EPR 光谱 。（ d ） 乙醇胺和 （ e ） Rh 3+ 钝化 Ti 3 C 2 T x 表面的示意图。
将 D-Ti 3 C 2 T x 和 R-Ti 3 C 2 T x 传输层分别作为 PM6:Y6 基太阳能电池的电子和空穴传输层。对于倒置太阳能电池， D-Ti 3 C 2 T x -50 为电子传输层的器件具有最高的 PCE （ 15.88% ）， J sc （ 25.72 mA cm -2 ）， V oc （ 0.85 V ）和 FF （ 72.63% ），显著高于无电 子传输层的器件（ 9.25% ）和 Ti 3 C 2 T x  ETL 的器件效率（ 10.70% ）。 J sc 、 V oc 和 FF 的显著改善主要归功于 Ti 3 C 2 T x   功函数 的 降低及缺陷态的减少 ，有利于增强电子的选择性收集，并减少电荷的复合，最终获得更高的 PCE 。 对于正置聚合物太阳能电池， R-Ti 3 C 2 T x -15 HTL 器件获得了最优的 PCE ： 15.60% ， J sc 为 25.46 mA cm -2 ， V oc 为 0.85 V ， FF 为 72.07% ，显著优于无传输层的器件效率（ 9.06% ）和 Ti 3 C 2 T x  HTL 器件效率（ 11.11% ）。 J sc 、 V oc 和 FF 的显著改善主要归因于 Ti 3 C 2 T x  Ti 3 C 2 T x   功函数 的提升 及缺陷态的减少 ，增强了空穴的选择性收集，减少了电荷的复合，从而达到更高的 PCE 。

图 6  ITO 、 Ti 3 C 2 T x 和 D-Ti 3 C 2 T x 为电子传输层的器件（ a ）光照下 J-V 曲线，（ b ）黑暗下 J-V 曲线，（ c ） EQE 曲线， ITO 、 Ti 3 C 2 T x 和 R-Ti 3 C 2 T x 为空穴传输层的器件（ d ）光照下 J-V 曲线，（ e ）黑暗下 J-V 曲线和（ f ） EQE 曲线

原文链接

https://doi.org/10.1002/smll.202201046

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