锑烯量子片的绿色制备及其在有机光电器件中的应用

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有机光电器件由于其廉价、柔性、易于大规模制备等优点,近年来得到了人们的广泛关注。但是,与硅基和钙钛矿光电器件相比,有机光电器件的效率仍相对较低。有机活性材料低的载流子迁移率及其有限的激子解离能力是造成有机光电器件低效的两个主要原因。在器件结构中插入界面修饰层或在器件活性层中掺杂具有高载流子迁移率的二维材料有助于改善器件的电荷传输能力、激子解离能力和吸光度较弱等问题。在众多二维光电材料中,锑烯具有稳定的结构、1.0 e V左右的带隙、优异的电学性能和光学性能,有望应用于有机光电器件中以改善器件的电荷传输能力和激子解离能力。但目前锑烯的绿色高效制备及形貌结构调控仍面临着较大的挑战。本论文主要研究了锑烯的绿色制备及其在有机光电器件中的应用。首先,利用一种绿色高效的方法制备出了分散性良好的锑烯量子片(antimonene quantum sheets,AMQSs)。其次,使用AMQSs分别改善了有机太阳能电池(organic solar cells,OSCs)和有机发光二极管(organic light-emitting diodes,OLEDs)的性能,并分别探究了AMQSs对OSCs和OLEDs性能的影响机制。最后,利用开孔Z-扫描技术研究了AMQSs的非线性光学特性。本论文的主要研究内容如下:(1)在不同溶剂中,采用超声辅助液相剥离的方法制备了具有不同尺寸的锑烯纳米片。其中,将绿色的1-乙基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐离子液体作为剥离载体,通过超声辅助液相剥离锑的粉体材料可制备得到具有原子级厚度并且尺寸均一(约为2.2 nm)的AMQSs。原始AMQSs溶液的浓度可高达1.1 mg m L-1,这比已报道的制备锑烯的产量高了三个数量级。同时,AMQSs在极性与非极性溶剂中具有良好的分散性。经紫外光电子能谱表征,AMQSs薄膜的功函数为-4.4 e V,利用AMQSs薄膜的吸光光谱估算了AMQSs的带隙为0.97 e V。(2)在OSCs中,利用AMQSs掺杂活性材料和修饰空穴抽取层与活性层之间的界面这两种方法分别优化了器件的光伏性能,并研究了其作用机制。首先,将AMQSs掺杂在了PTB7:PC71BM基OSCs的活性层中,最优掺杂器件的功率转换效率(power conversion efficiency,PCE)提高到了9.75%。与标准器件相比,最优掺杂AMQSs器件的PCE、短路电流密度(Jsc)和填充因子(fill factor,FF)分别提高了25%、16.7%和8.4%,而器件性能得到改善的主要原因是AMQSs增强了器件活性层的光吸收能力,提高了器件的激子解离率,同时减少了器件的电荷复合损失。利用AMQSs修饰OSCs空穴提取层(hole extraction layer,HEL,Cu SCN)与活性层之间的界面优化了OSCs的光伏性能。另外,Cu SCN与AMQSs可以形成更为有效的双层HEL。对于富勒烯体系的PTB7-Th:PC71BM基OSCs,与纯Cu SCN作为HEL的标准器件相比,Cu SCN/AMQSs双层HEL器件的PCE提高了12%。对于非富勒烯体系的PBDB-T-2F:IT-4F基OSCs,Cu SCN/AMQSs双层HEL器件的PCE提高了10%,可高达10.14%。此外,基于Cu SCN/AMQSs双层HEL的OSCs表现出了优异的空气稳定性。AMQSs界面修饰改善器件性能的主要原因为:AMQSs插层有助于钝化Cu SCN的表面缺陷,减少器件的电荷复合损失,降低激子的猝灭几率。(3)通过AMQSs调控空穴注入层(hole injection layer,HIL,PEDOT:PSS)的能级水,平优化了OLEDs器件的性能,并研究了AMQSs对OLEDs器件性能的影响机理。结果表明,与标准器件相比,对于采用PEDOT:PSS:AMQSs作为HIL的Ir(ppy)3基绿色OLEDs器件的启亮电压从3.3 e V降低至了3.0 e V,器件的最大电流效率、功率效率和外量子效率分别提高了14.86%,68.99%和13.32%。器件性能得到显著改善的主要原因为:掺杂AMQSs可以有效地将PEDOT:PSS HIL的功函数从-5.2 e V调节到了-4.9 e V,这有助于降低空穴注入势垒,增强HIL的空穴注入能力与传输能力。(4)利用开孔Z-扫描技术研究了AMQSs的非线性光学吸收特性。结果表明,AMQSs在波长为532 nm和1064 nm的激光激发下都表现出了优异的光限幅性能,表明AMQSs在非线性光学器件中具有较大的应用潜力。
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