폴리머 전해질 설계로 초저온 구현 가능

Jun 28, 2023

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4987(2022) 이 기사 인용

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충분히 낮은 일함수를 갖는 주변 용액 처리 전도성 물질은 전자 및 광전자 장치에서 전자 주입을 촉진하는 데 필수적이지만 어려운 일입니다. 여기서 우리는 용해된 염의 폴리머 매트릭스에 대한 무거운 n-도핑으로 인해 발생하는 2.2eV까지의 초저 일함수를 갖는 전기 전도성 및 주변 안정성 폴리머 전해질을 설계합니다. 이러한 물질은 그래핀, 전도성 금속 산화물, 전도성 폴리머 및 금속을 포함한 다양한 전도체에서 균일하고 매끄러운 필름으로 용액 처리되어 전자 주입을 크게 향상시켜 고성능 청색 발광 다이오드 및 투명 발광 다이오드를 구현할 수 있습니다. 이 연구는 조정 가능한 일함수를 갖춘 광범위한 안정적인 전하 주입 재료를 설계하기 위한 보편적인 전략을 제공합니다. 일례로 고성능 태양전지용 고일함수 고분자 전해질 소재도 합성한다.

페로브스카이트 태양전지(PSC), 유기태양전지(OSC), 유기발광다이오드(OLED), 양자점(QD)-LED 등 고성능 박막 광전자소자는 적어도 하나 이상의 전극이 필요하다. 주어진 반도체의 가장 낮은 점유 분자 궤도(LUMO)에 전자를 주입하기 위한 낮은 일함수(WF)입니다1,2,3,4,5,6. 이러한 재료는 반도체 전자 장치2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14에서 반도체 층과 저항성 접촉을 달성하는 데에도 필수적입니다. 그러나 알칼리 토금속 및 반응성 금속 조합과 같은 낮은 WF 도체는 주변 산소와 물이 있는 경우 쉽게 산화되므로 특히 용액 처리 장치의 경우 장치 설계 및 처리가 제한됩니다.

화학적으로 반응하는 도체에 대한 매력적인 대안은 도체와 주어진 반도체 사이의 전하 주입 및 수송을 중재하는 안정적인 낮은 WF 전자 주입층(EIL)을 코팅하여 공기에 안정한 도체를 수정하는 것입니다. PEIE(폴리에틸렌이민 에톡실화), PEI(분지형 폴리에틸렌이민) 및 SAM(자기 조립 양극성 분자 단층)과 같은 표면 쌍극성 폴리머는 안정적인 EIL 재료 클래스입니다. 이는 공기 중 용액에서 합성할 수 있으며 강력한 분자 및/또는 인터페이스 쌍극자를 생성하여 광범위한 도체에 대해 최대 1.5eV의 WF 감소(ΔWF)를 생성할 수 있습니다1,10. 그러나 이러한 EIL 재료는 절연체로 제한되어 전자 주입 및 전송에 큰 장벽을 초래합니다. 반도체 공액 고분자 전해질은 유망한 대안이지만 일반적으로 0.4-0.9 eV의 작은 ΔWF를 생성합니다. 최근에는 π-공액 고분자 전해질의 반도체 코어를 다가 음이온2,11으로 n-도핑하여 2.4eV만큼 낮은 WF를 달성했습니다. 공여체 강도는 음이온 분산이 무수 작은 이온 클러스터 및 다중선으로 탈수되어 활성화됩니다.

고분자 전해질은 일반적으로 고분자에 용해된 염을 포함하여 고분자-염 복합체를 형성하며 액체 전해질 시스템의 고체 버전을 모방합니다. 고분자 전해질은 가공성이 우수하고 안전성이 높을 뿐만 아니라, 높은 이온 전도도와 낮은 전압 분극성 측면에서 우수한 전해 특성을 나타냅니다. 따라서 액체 전해질 대신 배터리 및 슈퍼커패시터, 특히 고성능 전고체 배터리 및 슈퍼커패시터에 널리 사용되었습니다. 또한, 고분자 전해질은 염료감응형 태양전지에 사용되어 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있습니다. 액체 전해질과 비교하여 시간에 따른 전지 성능 저하를 동결시킬 수 있으며, 산화환원쌍(예: I-/I3-)의 산화-환원을 통해 염료 재생 및 상대전극 간 전하 이동이 가능합니다. , Co2+/Co3+) 고분자 전해질24,25,26. 중요한 것은 염과 폴리머의 광범위한 조정 가능성이 폴리머 전해질의 특성을 조정할 수 있는 충분한 여지를 제공한다는 것입니다. 불행하게도, 알려진 고분자 전해질은 일반적으로 우수한 이온 전도도를 가지지만 전기 전도도가 매우 낮고 낮은 WF가 부족하다는 문제가 있습니다.