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2021 Nature (IF 49.962):过渡金属如何突破有机半导体n-型分子掺杂的瓶颈?

SS-X 太阳光模拟器使效率突破成为可能!

  Nature (IF 49.962) 期刊在2021年11月刊登一项研究。有机半导体的n掺杂对于开发发光二极管、太阳能电池、薄膜晶体管和热电器件非常重要。也是研究有机半导体中的电荷传输和改进某些(光)电子器件的关键过程。虽然基于溶液的n掺杂有许多的研究,但只有少数于空气中性质稳定的n掺杂被开发出来,其中表现最突出的是有机氢化物、有机自由基的二聚体和单价/多价阴离子。但由于它们的还原强度和反应动力学受到热力学和掺杂反应活化能的强烈影响,有效的分子n掺杂剂应同时表现出高还原能力和空气稳定性来做为广泛的适用性。此处呈现了使用前体型分子掺杂剂来对有机半导体催化来进行n-型掺杂的概念,并进一步利用过渡金属 (transition metal, TM) 解决n-型分子掺杂的瓶颈。

  内文提到,过渡金属 (TM) 催化的C-H和C-C键裂解反应,广泛用于有机合成,最常见的TM属于8-11族元素,而其催化剂以纳米颗粒和有机金属配合物的形式存在。纳米颗粒尺寸、支撑材料和复合物的化学结构对催化活性的影响很大。此处,作者将过渡金属 (例如:PtAuPd) 作为气相沉积纳米颗粒或可溶液加工的有机金属配合物 (例如:Pd2(dba)3) 掺入催化反应,来观察表现。

  使用TM催化剂来促进掺杂剂前体的反应性驱使C-H键断裂,如DFT计算评估,并与使用未催化反应获得相同反应产物的实验对照组比较。过程中作者使用光焱科技太阳光模拟器等仪器进行实验与数据量测。结果发现,可明显的在更短的掺杂时间和高电导率提升η(高于100 S cm-1)。同时证明了其适用于需要高电荷载流子密度和/或高效电子注入/传输的有机热电、薄膜晶体管和钙钛矿太阳能电池。这种方式对于实现改善半导体器件具有技术意义,并且在半导体、分子掺杂剂、催化剂构成的三元系统提供了广阔的探索空间。为n掺杂研究和应用开辟新的道路。

  光焱科技的太阳光模拟器符合国际标准,搭配KA-6000软件,提供了短路电流对时间变化的监控,以证明钙钛矿太阳能电池的稳定!

TM catalysed n-doping concept solar simulator

TM 催化的 n 掺杂概念。(a)用于直接 n 掺杂剂和前体型 n 掺杂剂的分子 n 掺杂过程。前体型 n 掺杂剂通常具有深 IP 并且在空气中更稳定,但键裂会限制了它们的掺杂反应速率和效率。掺入TM催化剂可以降低键裂活化能,从而提高掺杂反应速率、效率和有效掺杂功率。

N-DMBI-H doping solar simulator

金屬催化N-DMBI-H摻雜方法的通用性。

organic polymer organic thermoelectronic device

有机聚合物催化n掺杂在 n 型有机热电子器件中的应用。

electron transport layer Perovskite solar cell

钙钛矿太阳能电池采用未掺杂/掺杂的聚合物薄膜作为电子传输层 (ETL) 制成。

Average perovskite solar cell performance

使用太陽光模擬器與其它的實驗結果。鈣鈦礦太陽能電池平均表現。

本文关键词:有机半导体、organic semiconductor、过渡金属、transition metal、太阳光模拟器、Solar Simulator、钙钛矿、perovskite

原文: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03942-0

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