Tutta l'omogiunzione organica PEDOT:PSS p

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12485 (2022) Citare questo articolo

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È ampiamente noto che il poli(3,4-etilene diossitiofene)-poli(stirenesolfonato) (PEDOT:PSS) è solo un materiale di tipo p, e quindi esiste una sfida per fabbricare tutti i dispositivi p-n basati su PEDOT:PSS. Qui, e per la prima volta, presentiamo un nuovo dispositivo a diodi p-n a omogiunzione basato esclusivamente su film sottili PEDOT:PSS. Il diodo mostra un comportamento I-V non lineare con un rapporto di rettifica pari a 3 e una tensione di accensione ~ 1,4 V.

Il polimero conduttivo di poli(3,4-etilene diossitiofene) poli(stirene solfonato) (PEDOT:PSS) è tipicamente utilizzato come materiale di trasporto dei fori di tipo p nelle celle solari polimeriche e nei diodi Schottky a eterogiunzione grazie alla sua elevata trasparenza ottica, in particolare nei luce visibile1,2. Tuttavia, la conduttività elettrica del p-PEDOT:PSS incontaminato richiede un miglioramento a causa della sua struttura naturale nucleo-guscio. È ampiamente noto che i grani di PEDOT:PSS sono tipicamente circondati dal PSS3 elettricamente isolante. Lavori precedenti hanno discusso il possibile miglioramento della conduttività p-PEDOT:PSS utilizzando, ad esempio, solventi organici4. Pochissimi lavori hanno riportato lo sviluppo di film PEDOT:PSS di tipo n5,6,7, anche con un successo limitato nell'utilizzo di n-PEDOT:PSS in dispositivi di omogiunzione efficienti come un semplice diodo p-n. Ad esempio, Lu et al., hanno utilizzato PEDOT:PSS trattato con isopropanolo come strato di tipo n in un dispositivo di eterogiunzione con materiale BHJ-PSC p-(P3HT: PCBM)8. Inoltre, Chen et al., hanno ottenuto n-PEDOT:PSS mediante rivestimento con solvente PEIE su strato p-PEDOT:PSS9. D'altra parte, Kim et al., hanno convertito la pellicola p-PEDOT:PSS in tipo n per funzionare come materiali termoelettrici semplicemente trattando p-PEDOT:PSS con il 40% in peso di CuCl210.

Anche Sami et al., hanno realizzato una cella solare a film sottile basata sull'eterostruttura n-PEDOT:PSS/p-CuInGaSe2. Tuttavia, tutti questi lavori non hanno fornito informazioni sulle proprietà fisiche dello strato n-PEDOT:PSS risultante o le ragioni dietro la conversione di PEDOT:PSS dal tipo p al tipo n o la possibilità di fabbricare tutti i dispositivi di omogiunzione PEDOT:PSS. Qui riportiamo i dettagli del processo di conversione da p-PEDOT:PSS a n-PEDOT:PSS in cui per questa conversione è stato utilizzato il solvente isopropanolo e si è scoperto che ha un'elevata influenza sulle proprietà fisiche dello strato n-PEDOT:PSS risultante. È importante sottolineare che il n-PEDOT:PSS sviluppato è stato utilizzato in una nuova struttura di diodi di omogiunzione di FTO/p-PEDOT:PSS/n-PEDOT:PSS/Cu dove sono stati utilizzati esclusivamente strati sottili PEDOT di tipo p e n.

PEDOT:PSS con una concentrazione dell'1,1% in H2O (numero di modello: 739324) e alcol isopropanolico (ISO) (99,5%, extra secco) sono stati ottenuti da Sigma-Aldrich e utilizzati direttamente senza ulteriore purificazione. I film sottili PEDOT:PSS sono stati preparati come segue: Una soluzione da 1 mL di PEDOT:PSS è stata miscelata con 1 mL di ISO (v:v) sotto agitazione a 55 °C. Successivamente, la miscela risultante (cioè PEDOT:PSS/ISO) è stata depositata su un substrato di vetro pulito (1 cm2 × 1 cm2) a 120 °C per 2 minuti utilizzando un applicatore di pellicola con una velocità di 7 mm/s (modello COATMASTER 510XL). La pellicola PEDOT:PSS/ISO ottenuta è stata ricotta e polimerizzata per 10 minuti a 120 °C. Per fabbricare il diodo di omogiunzione PEDOT:PSS, la struttura di FTO/p-PEDOT:PSS/n-PEDOT:PSS/Cu è stata realizzata mediante: (1) depositando 20 μL di soluzione PEDOT:PSS incontaminata sul substrato FTO a 120˚ C. Quindi, la pellicola è stata lasciata asciugare in atmosfera di N2 per 5 minuti; infine, il film ottenuto è stato ricotto a 120°C in forno sotto vuoto per 10 minuti; (2) 20 μL di soluzione PEDOT:PSS, miscelata con ISO in un rapporto volumetrico (1:1) (v:v), sono stati depositati sullo strato p-pristine p-PEDOT:PSS utilizzando la stessa procedura di essiccazione e ricottura. Infine, un contatto ohmico di metallo Cu spesso circa 50 nm è stato evaporato termicamente e depositato sullo strato n-PEDOT:PSS come elettrodo superiore.

La Figura 1 mostra le misurazioni del microscopio a forza atomica (AFM) in cui vengono confrontate le immagini di fase delle pellicole incontaminate e PEDOT:PSS/ISO. Per il film PEDOT: PSS incontaminato, Fig. 1a, si nota che l'immagine di fase mostra chiaramente una debole separazione di fase tra le catene PEDOT e PSS. Al contrario, per il PEDOT: PSS/ISO di tipo n, Fig. 1b, l'immagine di fase mostra una forte separazione di fase tra le catene PEDOT e PSS. Inoltre, le immagini AFM in Fig. 1b dimostrano una granulometria molto più grande e catene PEDOT molto più interconnesse nel caso del film n-PEDOT: PSS. Inoltre, la pellicola n-PEDOT:PSS/ISO mostra una ruvidità superficiale di 5,3 nm rispetto ai 14,8 nm della pellicola p-PEDOT:PSS originale. Attribuiamo il miglioramento della ruvidità superficiale del film alla riduzione osservata e alla separazione del PSS dal PEDOT nella struttura. È molto probabile che il gruppo OH dell'isopropanolo controlli il ruolo del PSS e quindi riduca il carattere idrofobo di PEDOT. Queste immagini AFM confermano che l'isopropanolo svolge un ruolo significativo nel processo di separazione di fase tra il PEDOT conduttivo e il PSS isolante all'interno del PEDOT:PSS11,12,13. Inoltre, a causa delle proprietà idrofile dell'isopropanolo, è molto probabile che le catene PSS separate in fase vengano sciolte e quindi rimosse dalla superficie della pellicola PEDOT:PSS.