Ti₃C₂T_x作为MXene家族的典型代表，因其优异的透光率、电导率、可调功函数(WF)和低温溶液可加工性等性能而备受关注。然而，Ti₃C₂T_x中需要调整的功函数和大量的晶体缺陷极大地限制了其在电子器件中的应用。本文通过对Ti₃C₂T_x进行氨基酸修饰来调节Ti₃C₂T_x的WF并钝化其缺陷位点，从而改善Ti₃C₂T_x的电性能，提高有机太阳能电池(OSCs)的性能。氨基酸与Ti₃C₂T_x通过电荷转移相互作用，在表面形成表面偶极子，降低了Ti₃C₂T_x的WF。此外，氨基酸的-NH₂钝化Ti₃C₂T_x中带负电荷的Ti空位，而氨基酸的-COOH钝化带正电荷的C空位，从而提高Ti₃C₂T_x的电导率。因此，以氨基酸修饰的Ti₃C₂T_x作为新型电子传递层(ETL)的OSCs表现出超过18%的功率转换效率(PCE)和良好的器件稳定性。这项工作表明，高性能的OSCs可以通过使用环境友好的氨基酸来制造，这激发了研究人员寻找利用天然材料制造高效设备的想法。
 
图1. Ti₃C₂T_x的(a)TEM图，(b) HRTEM， (c) AFM图像。
 
图2. (a) Ti 2p， (b) O 1s和(c) Ti₃C₂T_x的高分辨率XPS光谱。(a) Ti 2p， (b) O 1s和(c) F 1s的Ti₃C₂T_x/ Gly的高分辨率XPS光谱。Ti₃C₂T_x和氨基酸修饰的Ti₃C₂T_x的(g) Ti 2p、(h) O 1s和(i) F 1s的变化趋势。
 
图3. (a)红外光谱;(b) Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x/Gly、Ti₃C₂T_x/D-Ala、Ti₃C₂T_x/L-Cys、Ti₃C₂T_x/L-Lys、Ti₃C₂T_x/L-Arg的放大红外光谱。
 
图4. (a)甘氨酸、d -丙氨酸、l -半胱氨酸、l -赖氨酸和l -精氨酸的分子结构和映射到总电子表面的ESP。(b) Glycine和Ti₃C₂T_x通过氢键相互连接的示意图。(c) Ti₃C₂T_x界面甘氨酸形成偶极子引起的能级变化示意图。(d) Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x/Gly、Ti₃C₂T_x/ d - ala、Ti₃C₂T_x/L-Cys、Ti₃C₂T_x/L-Lys、Ti₃C₂T_x/ L-Arg的UPS光谱。
 
图5. 甘氨酸与Ti₃C₂T_x表面不同官能团(a) -F、(b) -O、(c) -OH、(d) Ti原子空位相互作用的微分电荷分布图。
 
图6 (a) Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x/Gly、Ti₃C₂T_x/D-Ala、Ti₃C₂T_x/L-Cys、Ti₃C₂T_x/L-Lys、Ti₃C₂T_x/L-Arg薄膜的拉曼光谱和(b) EPR光谱。(c)经甘氨酸钝化的Ti₃C₂T_x表面的示意图。(d) Ti₃C₂T_x和Ti₃C₂T_x/Gly薄膜中的载流子转移和重组示意图。(e) ITO/Ti₃C₂T_x或经氨基酸/Ag器件修饰的Ti₃C₂T_x的I-V特性。
 
图7 (a)本工作中使用的OSCs装置的结构。(b)各层能级示意图。(c) J-V曲线和(d)以Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x/Gly、Ti₃C₂T_x/ d - ala、Ti₃C₂T_x/L-Cys、Ti₃C₂T_x/L-Lys、Ti₃C₂T_x/L-Arg和ZnO作为etl的PM6:BTP-eC9 OSCs的EQE光谱。以Ti₃C₂T_x/L-Lys为ETLs的PM6:BTP-eC9 (e)柔性器件和(f)大面积(0.99 cm²)器件的J-V曲线。
 
图8 (a)基于Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x/Gly、Ti₃C₂T_x/D-Ala、Ti₃C₂T_x/L-Cys、Ti₃C₂T_x/L-Lys、Ti₃C₂T_x/L-Arg和ZnO作为ETLs的PM6:BTP-eC9 flms的PL光谱。(b)暗条件下JV曲线，(c) Jph-Veff曲线，(d) Voc-I曲线，(e) Jsc-I曲线，(f)以Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x/Gly、Ti₃C₂T_x/ d - ala、Ti₃C₂T_x/L-Cys、Ti₃C₂T_x/L-Lys、Ti₃C₂T_x/L-Arg和ZnO为etl的基于PM6的OSCs中未封装器件的长期稳定性性能。
 
        相关科研成果由华南理工大学物理与光电学院Huangzhong Yu等人于2023年发表在Nano Energy（https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.108691）上。原文：Amino acid modifed Ti₃C₂T_x as electron transport layers for high-performance organic solar cells.
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285523005281?via%3Dihub。

转自《石墨烯研究》公众号