Todas as homojunções orgânicas PEDOT:PSS p

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 12485 (2022) Citar este artigo

1096 Acessos

Detalhes das métricas

É amplamente conhecido que o poli(3,4-etileno dioxitiofeno)-poli(estirenossulfonato) (PEDOT:PSS) é apenas um material do tipo p e, portanto, há um desafio para a fabricação de todos os dispositivos p–n baseados em PEDOT:PSS. Aqui, e pela primeira vez, apresentamos um novo dispositivo de diodo p-n de homojunção baseado exclusivamente em filmes finos PEDOT:PSS. O diodo mostra um comportamento I-V não linear com uma taxa de retificação de 3 e uma tensão de ativação de ~ 1,4 V.

O polímero condutivo de poli(3,4-etileno dioxitiofeno) poli(estireno sulfonato) (PEDOT:PSS) é normalmente utilizado como um material de transporte de buraco tipo p em células solares de polímero e diodos Schottky de heterojunção devido à sua alta transparência óptica, particularmente no luz visível1,2. No entanto, a condutividade elétrica do p-PEDOT:PSS puro requer aprimoramento devido à sua estrutura natural de núcleo-casca. É amplamente conhecido que os grãos de PEDOT:PSS são tipicamente envolvidos pelo PSS3 eletricamente isolante. Trabalhos anteriores discutiram o possível aumento da condutividade p-PEDOT:PSS usando, por exemplo, solventes orgânicos4. Muito poucos trabalhos relataram o desenvolvimento de filmes PEDOT:PSS do tipo n5,6,7, mesmo com sucesso limitado na utilização de n-PEDOT:PSS em dispositivos de homojunção eficientes como um simples diodo p-n. Por exemplo, Lu et al., utilizaram PEDOT:PSS tratado com isopropanol como camada tipo n em um dispositivo de heterojunção com material p-(P3HT: PCBM) BHJ-PSC8. Além disso, Chen et al., obtiveram n-PEDOT:PSS por revestimento por rotação do solvente PEIE sobre a camada de p-PEDOT:PSS9. Por outro lado, Kim et al. converteram o filme p-PEDOT:PSS em tipo n para funcionar como materiais termoelétricos simplesmente tratando p-PEDOT:PSS com 40% em peso de CuCl210.

Também Sami et al., fizeram uma célula solar de película fina baseada na heteroestrutura n-PEDOT:PSS/p-CuInGaSe2. No entanto, todos esses trabalhos não forneceram informações sobre as propriedades físicas da camada n-PEDOT:PSS resultante ou as razões por trás da conversão PEDOT:PSS do tipo p para n ou possibilidade de fabricar todos os dispositivos de homojunção PEDOT:PSS. Aqui, relatamos os detalhes do processo de conversão de p-PEDOT:PSS para n-PEDOT:PSS, onde o solvente isopropanol foi utilizado para esta conversão e considerado altamente influente nas propriedades físicas da camada n-PEDOT:PSS resultante. É importante ressaltar que o n-PEDOT:PSS desenvolvido foi usado em uma nova estrutura de diodo de homojunção de FTO/p-PEDOT:PSS/n-PEDOT:PSS/Cu, onde camadas finas de PEDOT do tipo p e n foram usadas exclusivamente.

PEDOT:PSS com uma concentração de 1,1% em H2O (número do modelo: 739324) e álcool isopropílico (ISO) (99,5%, extra seco) foram obtidos da Sigma-Aldrich e usados ​​diretamente sem qualquer purificação adicional. Os filmes finos de PEDOT:PSS foram preparados da seguinte forma: Uma solução de 1 mL de PEDOT:PSS foi misturada com 1 mL de ISO (v:v) sob agitação a 55 °C. Depois disso, a mistura resultante (ou seja, PEDOT:PSS/ISO) foi depositada em um substrato de vidro limpo (1 cm2 × 1 cm2) a 120 °C por 2 min usando um aplicador de filme com velocidade de 7 mm/s (modelo COATMASTER 510XL). O filme PEDOT:PSS/ISO obtido foi recozido e curado por 10 min a 120 °C. Para fabricar o diodo de homojunção PEDOT:PSS, a estrutura de FTO/p-PEDOT:PSS/n-PEDOT:PSS/Cu foi feita por: (1) depositar 20 μL de solução PEDOT:PSS pura no substrato FTO a 120˚ C. Em seguida, o filme foi deixado secar sob atmosfera de N2 por 5 min; por fim, o filme obtido foi recozido a 120˚C em estufa a vácuo por 10 min; (2) uma solução de 20 μL de PEDOT:PSS, misturada com ISO em uma proporção de volume (1:1) (v:v), foi depositada na camada de p-PEDOT:PSS p-pristina usando o mesmo procedimento de secagem e anelamento. Finalmente, um contato ôhmico de aproximadamente 50 nm de espessura do metal Cu foi evaporado termicamente e depositado na camada n-PEDOT:PSS como um eletrodo superior.

A Figura 1 mostra as medições do Microscópio de Força Atômica (AFM) onde as imagens de fase de filmes originais e PEDOT:PSS/ISO são comparadas. Para o filme PEDOT:PSS original, Fig. 1a, nota-se que a imagem de fase demonstra claramente uma separação de fase fraca entre as cadeias PEDOT e PSS. Ao contrário, para o tipo n PEDOT:PSS/ISO, Fig. 1b, a imagem de fase mostra uma forte separação de fase entre as cadeias PEDOT e PSS. Além disso, as imagens AFM na Fig. 1b provam um tamanho de grão muito maior e cadeias PEDOT muito mais interconectadas no caso do filme n-PEDOT:PSS. Além disso, o filme n-PEDOT:PSS/ISO mostra uma rugosidade de superfície de 5,3 nm em comparação com 14,8 nm para o filme p-PEDOT:PSS original. Atribuímos a melhora da rugosidade superficial do filme à redução observada e à separação do PSS do PEDOT na estrutura. É mais provável que o grupo OH do isopropanol controle o papel do PSS e assim reduza o caráter hidrofóbico do PEDOT. Essas imagens AFM confirmam que o isopropanol desempenha um papel significativo no processo de separação de fase entre o PEDOT condutivo e o PSS isolante dentro do PEDOT:PSS11,12,13. Além disso, e devido às propriedades hidrofílicas do isopropanol, é mais provável que as cadeias PSS separadas por fases sejam dissolvidas e, portanto, removidas da superfície do filme PEDOT:PSS.