모든 유기 동종접합 PEDOT:PSS p

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 12485(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜)-폴리(스티렌설포네이트)(PEDOT:PSS)는 p형 물질일 뿐이므로 모든 PEDOT:PSS 기반 p-n 장치를 제작하는 데 어려움이 있다는 것이 널리 알려져 있습니다. 여기서 처음으로 PEDOT:PSS 박막만을 기반으로 하는 새로운 동종접합 p-n 다이오드 장치를 소개합니다. 다이오드는 정류비가 3이고 턴온 전압이 ~ 1.4V인 비선형 I-V 동작을 보여줍니다.

전도성 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜) 폴리(스티렌 설포네이트) 폴리머(PEDOT:PSS)는 특히 높은 광학적 투명성으로 인해 폴리머 태양 전지 및 이종접합 쇼트키 다이오드에서 p형 정공 수송 재료로 일반적으로 활용됩니다. 가시광선1,2. 그러나 순수한 p-PEDOT:PSS의 전기 전도도는 자연적인 코어-쉘 구조로 인해 향상이 필요합니다. PEDOT:PSS의 입자는 일반적으로 전기 절연성 PSS3으로 둘러싸여 있다는 것이 널리 알려져 있습니다. 이전 연구에서는 유기 용매 등을 사용하여 p-PEDOT:PSS 전도성을 향상시킬 수 있는 가능성에 대해 논의했습니다. 단순한 p-n 다이오드와 같은 효율적인 동종접합 장치에서 n-PEDOT:PSS를 활용하는 데 제한된 성공에도 불구하고 n형 PEDOT:PSS 필름5,6,7의 개발에 대해 보고된 연구는 거의 없습니다. 예를 들어, Lu 등은 p-(P3HT:PCBM) BHJ-PSC 물질을 사용한 이종접합 장치에서 이소프로판올 처리된 PEDOT:PSS를 n형 층으로 활용했습니다8. 또한 Chen 등은 p-PEDOT:PSS 층 위에 PEIE 용매를 스핀 코팅하여 n-PEDOT:PSS를 얻었습니다9. 반면, Kim 등은 p-PEDOT:PSS를 CuCl210 40%로 간단히 처리하여 p-PEDOT:PSS 필름을 n형으로 전환하여 열전재료로 기능하도록 했습니다.

또한 Sami 등은 n-PEDOT:PSS/p-CuInGaSe2 이종구조를 기반으로 한 박막 태양전지를 만들었습니다. 그러나 이러한 모든 연구에서는 결과 n-PEDOT:PSS 층의 물리적 특성이나 PEDOT:PSS가 p 유형에서 n 유형으로 변환되는 이유 또는 모든 PEDOT:PSS 동종접합 장치를 제작할 수 있는 가능성에 대한 정보를 제공하지 않았습니다. 여기에서는 p-PEDOT:PSS에서 n-PEDOT:PSS로의 전환 공정에 대한 세부 정보를 보고합니다. 이 전환에는 이소프로판올 용매가 활용되었으며 결과 n-PEDOT:PSS 층의 물리적 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 중요한 것은 개발된 n-PEDOT:PSS가 p형과 n형 PEDOT 박층만을 사용한 FTO/p-PEDOT:PSS/n-PEDOT:PSS/Cu의 새로운 동종접합 다이오드 구조에 사용되었다는 점이다.

H2O에 1.1% 농도의 PEDOT:PSS(모델 번호: 739324)와 이소프로판올 알코올(ISO)(99.5%, 엑스트라 드라이)을 Sigma-Aldrich에서 구입하여 추가 정제 없이 직접 사용했습니다. PEDOT:PSS 박막은 다음과 같이 제조되었습니다. 1mL의 PEDOT:PSS 용액을 55°C에서 교반하면서 1mL의 ISO(v:v)와 혼합했습니다. 그 후, 생성된 혼합물(즉, PEDOT:PSS/ISO)을 필름 어플리케이터를 사용하여 7 mm/s의 속도로 120 °C에서 2분 동안 세척된 유리 기판(1 cm2 x 1 cm2) 위에 증착했습니다(모델). 코트마스터 510XL). 획득된 PEDOT:PSS/ISO 필름을 어닐링하고 120°C에서 10분간 경화했습니다. PEDOT:PSS 동종접합 다이오드를 제작하기 위해 FTO/p-PEDOT:PSS/n-PEDOT:PSS/Cu의 구조는 다음과 같이 만들어졌습니다. (1) 20μL의 깨끗한 PEDOT:PSS 용액을 FTO 기판에 120˚에서 증착합니다. 씨. 그런 다음, 필름을 N2 분위기 하에서 5분 동안 건조되도록 두었습니다. 마지막으로, 얻은 필름을 진공 오븐에서 120˚C에서 10분 동안 어닐링했습니다. (2) ISO와 부피비(1:1)(v:v)로 혼합된 20 μL의 PEDOT:PSS 용액을 동일한 건조 절차를 사용하여 p-원래 p-PEDOT:PSS 층에 증착했습니다. 가열 냉각. 마지막으로 ~ 50nm 두께의 Cu 금속의 오믹 접촉이 열적으로 증발되어 n-PEDOT:PSS 층에 상부 전극으로 증착되었습니다.

그림 1은 원본 필름과 PEDOT:PSS/ISO 필름의 위상 이미지를 비교하는 AFM(원자력 현미경) 측정을 보여줍니다. 깨끗한 PEDOT:PSS 필름(그림 1a)의 경우 위상 이미지에서 PEDOT과 PSS 체인 사이의 약한 위상 분리가 명확하게 나타납니다. 반대로, n형 PEDOT:PSS/ISO의 경우(그림 1b), 위상 이미지는 PEDOT과 PSS 체인 사이의 강한 위상 분리를 보여줍니다. 또한 그림 1b의 AFM 이미지는 n-PEDOT:PSS 필름의 경우 입자 크기가 훨씬 더 크고 상호 연결된 PEDOT 체인이 훨씬 더 많다는 것을 보여줍니다. 또한 n-PEDOT:PSS/ISO 필름은 원래의 p-PEDOT:PSS 필름의 표면 거칠기가 14.8nm인 데 비해 5.3nm의 표면 거칠기를 나타냅니다. 우리는 구조에서 관찰된 감소와 PEDOT으로부터 PSS의 분리로 인해 필름 표면 거칠기가 개선되었다고 생각합니다. 이소프로판올의 OH 그룹이 PSS의 역할을 제어하여 PEDOT의 소수성 특성을 감소시키는 것이 가장 가능성이 높습니다. 이러한 AFM 이미지는 이소프로판올이 PEDOT:PSS 내에서 전도성 PEDOT과 절연성 PSS 사이의 상 분리 과정에서 중요한 역할을 한다는 것을 확인시켜 줍니다11,12,13. 또한, 이소프로판올의 친수성 특성으로 인해 상분리된 PSS 사슬이 용해되어 PEDOT:PSS 필름 표면에서 제거될 가능성이 가장 높습니다.