ポリマー電解質設計により超低コストを実現

Jun 28, 2023

Nature Communications volume 13、記事番号: 4987 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

十分に低い仕事関数を備えた常温溶液処理された導電性材料は、電子および光電子デバイスへの電子注入を促進するために不可欠ですが、困難です。 ここでは、ポリマーマトリックスへの溶解塩の高濃度の n ドーピングから生じる、仕事関数が 2.2 eV までの超低い、導電性で周囲安定性のポリマー電解質を設計します。 このような材料は、グラフェン、導電性金属酸化物、導電性ポリマー、金属などのさまざまな導体上で均一で滑らかな膜に溶液処理して電子注入を大幅に改善し、高性能の青色発光ダイオードや透明発光ダイオードを実現できます。 この研究は、調整可能な仕事関数を備えた広範囲の安定した電荷注入材料を設計するための普遍的な戦略を提供します。 一例として、高性能太陽電池用の高仕事関数高分子電解質材料の合成も行っています。

ペロブスカイト太陽電池 (PSC)、有機太陽電池 (OSC)、有機発光ダイオード (OLED)、量子ドット (QD) LED などの高性能薄膜光電子デバイスには、十分な強度を備えた少なくとも 1 つの電極が必要です。低仕事関数 (WF) は、特定の半導体の最低空分子軌道 (LUMO) に電子を注入します1、2、3、4、5、6。 このような材料は、半導体電子デバイスの半導体層とのオーミック接触を達成するためにも不可欠です2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14。 しかし、アルカリ土類金属や反応性金属の組み合わせなどの低 WF 導体は、周囲の酸素や水の存在下で容易に酸化されるため、特に溶液処理デバイスの場合、デバイスの設計と処理が制限されます 5、6、15。

化学反応性導体に対する魅力的な代替方法は、導体と特定の半導体間の電荷注入と輸送を仲介する安定した低 WF 電子注入層 (EIL) をコーティングすることによって空気安定導体を修飾することです 2,9,10,11,16。 エトキシル化ポリエチレンイミン (PEIE)、分岐ポリエチレンイミン (PEI)、自己組織化双極性分子単層 (SAM) などの表面双極性ポリマーは、安定な EIL 材料の一種です1、8、9、10。 これらは空気中の溶液から合成でき、強力な分子双極子や界面双極子を生成することにより、幅広い導体に対して最大 1.5 eV の WF 低減 (ΔWF) をもたらします 1,10。 ただし、これらの EIL 材料は絶縁体に限定されており、電子の注入と輸送に大きな障壁が生じる可能性があります 16、17、18。 半導体共役高分子電解質は有望な代替品ですが、一般に 0.4 ～ 0.9 eV という小さな ΔWF を生成します 11,12。 最近、π共役高分子電解質の半導体コアを多価アニオンで n ドープすることにより、2.4 eV という低い WF が達成されました 2,11。そのドナー強度は、アニオン分散の脱水により無水の小さなイオンクラスターおよび多重項に活性化されます。

ポリマー電解質は一般に、ポリマーに溶解した塩を含み、液体電解質システムの固体バージョンを模倣してポリマー塩複合体を形成します19、20。 高分子電解質は、良好な加工性と高い安全性に加えて、高いイオン伝導性と低電圧分極の点で優れた電解特性を示します。 したがって、液体電解質の代わりに電池やスーパーキャパシタ、特に高性能固体電池やスーパーキャパシタに広く使用されています21、22、23。 さらに、ポリマー電解質を色素増感太陽電池に使用して、電力変換効率を向上させることができます。 液体電解質と比較して、時間の経過による電池性能の劣化を防ぐことができ、酸化還元対（I-/I3-など）の酸化還元を通じて色素の再生と対極間の電荷移動を実現できます。 、高分子電解質中の Co2+/Co3+)24,25,26。 重要なのは、塩とポリマーの幅広い調整可能性により、ポリマー電解質の特性を調整するための十分な余地が提供されることです。 残念なことに、既知のポリマー電解質は、典型的には優れたイオン伝導性を有するが、導電性が非常に低く、ＷＦが不十分であるという欠点がある。