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華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院Huangzhong Yu等--氨基酸修飾Ti3C2Tx作為高性能有機(jī)太陽(yáng)能電池的電子傳輸層
       Ti3C2Tx作為MXene家族的典型代表,因其優(yōu)異的透光率、電導(dǎo)率、可調(diào)功函數(shù)(WF)和低溫溶液可加工性等性能而備受關(guān)注。然而,Ti3C2Tx中需要調(diào)整的功函數(shù)和大量的晶體缺陷極大地限制了其在電子器件中的應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)Ti3C2Tx進(jìn)行氨基酸修飾來(lái)調(diào)節(jié)Ti3C2Tx的WF并鈍化其缺陷位點(diǎn),從而改善Ti3C2Tx的電性能,提高有機(jī)太陽(yáng)能電池(OSCs)的性能。氨基酸與Ti3C2Tx通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移相互作用,在表面形成表面偶極子,降低了Ti3C2Tx的WF。此外,氨基酸的-NH2鈍化Ti3C2Tx中帶負(fù)電荷的Ti空位,而氨基酸的-COOH鈍化帶正電荷的C空位,從而提高Ti3C2Tx的電導(dǎo)率。因此,以氨基酸修飾的Ti3C2Tx作為新型電子傳遞層(ETL)的OSCs表現(xiàn)出超過(guò)18%的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)和良好的器件穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作表明,高性能的OSCs可以通過(guò)使用環(huán)境友好的氨基酸來(lái)制造,這激發(fā)了研究人員尋找利用天然材料制造高效設(shè)備的想法。
 
圖1. Ti3C2Tx的(a)TEM圖,(b) HRTEM, (c) AFM圖像。
 
圖2. (a) Ti 2p, (b) O 1s和(c) Ti3C2Tx的高分辨率XPS光譜。(a) Ti 2p, (b) O 1s和(c) F 1s的Ti3C2Tx/ Gly的高分辨率XPS光譜。Ti3C2Tx和氨基酸修飾的Ti3C2Tx的(g) Ti 2p、(h) O 1s和(i) F 1s的變化趨勢(shì)。
 
圖3. (a)紅外光譜;(b) Ti3C2Tx、Ti3C2Tx/Gly、Ti3C2Tx/D-Ala、Ti3C2Tx/L-Cys、Ti3C2Tx/L-Lys、Ti3C2Tx/L-Arg的放大紅外光譜。
 
圖4. (a)甘氨酸、d -丙氨酸、l -半胱氨酸、l -賴氨酸和l -精氨酸的分子結(jié)構(gòu)和映射到總電子表面的ESP。(b) Glycine和Ti3C2Tx通過(guò)氫鍵相互連接的示意圖。(c) Ti3C2Tx界面甘氨酸形成偶極子引起的能級(jí)變化示意圖。(d) Ti3C2Tx、Ti3C2Tx/Gly、Ti3C2Tx/ d - ala、Ti3C2Tx/L-Cys、Ti3C2Tx/L-Lys、Ti3C2Tx/ L-Arg的UPS光譜。
 
圖5. 甘氨酸與Ti3C2Tx表面不同官能團(tuán)(a) -F、(b) -O、(c) -OH、(d) Ti原子空位相互作用的微分電荷分布圖。
 
圖6 (a) Ti3C2Tx、Ti3C2Tx/Gly、Ti3C2Tx/D-Ala、Ti3C2Tx/L-Cys、Ti3C2Tx/L-Lys、Ti3C2Tx/L-Arg薄膜的拉曼光譜和(b) EPR光譜。(c)經(jīng)甘氨酸鈍化的Ti3C2Tx表面的示意圖。(d) Ti3C2Tx和Ti3C2Tx/Gly薄膜中的載流子轉(zhuǎn)移和重組示意圖。(e) ITO/Ti3C2Tx或經(jīng)氨基酸/Ag器件修飾的Ti3C2Tx的I-V特性。
 
圖7 (a)本工作中使用的OSCs裝置的結(jié)構(gòu)。(b)各層能級(jí)示意圖。(c) J-V曲線和(d)以Ti3C2Tx、Ti3C2Tx/Gly、Ti3C2Tx/ d - ala、Ti3C2Tx/L-Cys、Ti3C2Tx/L-Lys、Ti3C2Tx/L-Arg和ZnO作為etl的PM6:BTP-eC9 OSCs的EQE光譜。以Ti3C2Tx/L-Lys為ETLs的PM6:BTP-eC9 (e)柔性器件和(f)大面積(0.99 cm2)器件的J-V曲線。
 
圖8 (a)基于Ti3C2Tx、Ti3C2Tx/Gly、Ti3C2Tx/D-Ala、Ti3C2Tx/L-Cys、Ti3C2Tx/L-Lys、Ti3C2Tx/L-Arg和ZnO作為ETLs的PM6:BTP-eC9 flms的PL光譜。(b)暗條件下JV曲線,(c) Jph-Veff曲線,(d) Voc-I曲線,(e) Jsc-I曲線,(f)以Ti3C2Tx、Ti3C2Tx/Gly、Ti3C2Tx/ d - ala、Ti3C2Tx/L-Cys、Ti3C2Tx/L-Lys、Ti3C2Tx/L-Arg和ZnO為etl的基于PM6的OSCs中未封裝器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性性能。
 
        相關(guān)科研成果由華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院Huangzhong Yu等人于2023年發(fā)表在Nano Energy(https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108691)上。原文:Amino acid modifed Ti3C2Tx as electron transport layers for high-performance organic solar cells.
原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285523005281?via%3Dihub。

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