NdBaCo1.8Nb0.1Y0.1O5+δ作为一种高效且耐用的空气电极，适用于质子陶瓷电解电池

《Materials Science and Engineering: B》：NdBaCo 1.8Nb 0.1Y 0.1O 5+δ as an efficient and durable air electrode for protonic ceramic electrolysis cells

P3HT薄膜经C60掺杂后，结晶粒度随浓度增加从10 nm增至25 nm，但光学带隙从2.50 eV降至1.92 eV，光学对比度显著下降，电化学性能呈现阴极扩散系数更敏感的特性。

　　

G. P. Prema Kumar|P. Aruna|S. Sindhu|C.M. Joseph|Digvijay Narayan Singh

应用物理系，Dayananda Sagar 工程学院，Kumaraswamy Layout，班加罗尔 560111，卡纳塔克邦，印度

摘要

表面形态对薄膜的光学和电学性质起着决定性作用。这可以通过化学修饰（间隙或替代掺杂）和/或样品退火来精确调节。本研究探讨了富勒烯（C₆₀）对旋涂 P3HT 薄膜的光学和电致变色特性的影响，研究了不同浓度水平下的效果。结构和形态分析显示，随着 C₆₀ 浓度的增加，晶粒尺寸（从 10 nm 增加到 25 nm）和颗粒聚集现象加剧。这种表面修饰显著影响了薄膜的光学和电致变色特性。随着 C₆₀ 浓度的增加，（1）光学带隙从 2.50 eV 降低到 1.92 eV；（2）UV–vis 和 PL 光谱中的峰值强度减弱；（3）光学对比度从 60% 降低到 8%。C₆₀ 浓度的增加影响了 CV 光谱中观察到的氧化和还原过程。研究发现，C₆₀ 对阴极电流扩散系数的影响大于对阳极电流扩散系数的影响。然而，这些高浓度 C₆₀ 薄膜仍然表现出电致变色响应。

引言

调节共轭聚合物的几何和形态特性会显著影响其光学和电致变色（EC）行为[[1], [2], [3]]。适当选择供体或受体种类可以调整聚合物的物理性质，使其适用于各种光电应用[[4], [5], [6]]。由于其化学上的灵活性，P3HT 在这类共轭聚合物中得到了广泛研究[[7]]。P3HT 薄膜因其强吸收能力、高效的电荷传输能力和易于溶液处理而广泛应用于有机光伏、场效应晶体管、发光二极管和传感器领域。与其他类似聚合物（如聚噻吩、聚苯胺和聚吡咯）相比，P3HT 具有更好的溶解性、更优的分子自组织能力、更高的稳定性以及更可靠的器件性能[[8], [9], [10]]。其晶体结构和形态特性可以很容易地被调节[[11,12]]。π-π 网络中电荷载流子的离域-局域化控制着 P3HT 系统的相关导电行为。相比之下，P3HT 易形成聚集体且迁移率较低，这限制了其在有机器件中的应用。间隙或替代掺杂被用来克服这一问题[[13,14]]。

具有强电子受体特性的掺杂物种与 P3HT 形成体异质结（BHJ），进一步改善了电荷分离、传输、迁移率和扩散性能。因此，系统的整体特性会受到影响[[15,16]]。富勒烯 C₆₀ 常被用作 P3HT 系统中的掺杂物种[[17], [18], [19]]。它影响 P3HT 的表面形态和结晶度，从而可以调节电荷载流子的迁移率和复合损失。然而，必须维持最佳的掺杂浓度以改善 C₆₀ 掺杂 P3HT 系统的光电特性[[15,20,21]]。过高的掺杂浓度会阻碍相关的结构、光学和电致变色性能。据报道，掺杂浓度低于 10% 可通过提供更有效的电子受体路径来改善电荷扩散，即提高电荷分离效果。此外，C₆₀ 具有较高的电子迁移率，并会在 P3HT 基体中引入更多无序结构，这种机械变化进一步减少了电荷复合，增强了 C₆₀ 掺杂 P3HT 系统中的载流子跳跃传输[[22,23]]。相反，当掺杂浓度超过 10% 时，电荷扩散系数开始下降。较高的掺杂浓度会在 P3HT 基体中产生更多缺陷，这些缺陷会成为电荷载流子的捕获位点。已知 C₆₀ 分子会影响 P3HT 基体中噻吩环之间的二面角[[24], [25], [26]]。P3HT 中较高浓度的 C₆₀ 会改变 π-π 堆叠距离，从而增加电荷载流子的局域化程度。这种局域化电荷载流子密度的增加会降低载流子迁移率并减少扩散系数[[27,28]]。

C₆₀ 及其衍生物被用作 P3HT 的掺杂剂，这种组合在光伏应用中得到了广泛研究。本研究探讨了高掺杂浓度（≥10%）下 C₆₀ 掺杂 P3HT 的电化学性质，因为这是一个相对较少被研究的领域。重点在于研究高浓度下 C₆₀ 替代 P3HT 薄膜在结构、光学和电致变色特性上的显著变化及其相关机制。研究结果为优化这些材料的光电特性提供了重要见解，对未来器件设计和应用具有指导意义。

章节摘录

薄膜制备

高纯度 P3HT（99.9%）和 C₆₀ 从 Sigma Aldrich 购买，用作制备层状结构的原料。通过将所需量的 P3HT 和 C₆₀ 溶解在氯苯中，制备了相应的 P3HT 和 P3HT: C₆₀（0–30%）溶液。所有 P3HT 薄膜都是使用旋涂技术（Holmarc 型号：HO-TH-05）在预清洁的 ITO 涂层玻璃基底上沉积的，标准转子转速为 750 rpm，沉积时间为 60 秒。

结构和形态分析

图 1 显示了原始 P3HT 和 C₆₀ 替代 P3HT 旋涂薄膜的 XRD 曲线。观察到随着 C₆₀ 浓度的增加，对应于 C₆₀ 的峰变得更明显。这些峰在图 1 中根据标准 C₆₀ XRD 数据进行了标记[[29,30]]。浓度的增加引发了相分离，影响了 P3HT 的结晶度。这从 P3HT 伪立方（pc）平面（100）pc 在 2θ 的强度增加中可以看出。

结论

本研究揭示了较高浓度 C₆₀ 对旋涂 P3HT 薄膜的结构、光学和电致变色行为的影响。观察到随着 C₆₀ 浓度的增加，（100）_pc 平面的 XRD 峰变得更强烈，表明薄膜表面的晶粒发生了相应的聚集。平均晶粒尺寸分别为 10 nm（0% C₆₀）、12 nm（10% C₆₀）、18 nm（20% C₆₀）和 25 nm（30% C₆₀）。

CRediT 作者贡献声明

G. P. Prema Kumar：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，正式分析，数据管理。P. Aruna：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，研究，正式分析，概念构思。S. Sindhu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资源获取，数据管理。C.M. Joseph：撰写 – 审稿与编辑，资源获取，研究，资金申请。Digvijay Narayan Singh：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

感谢印度卡纳塔克邦贝尔高姆的 Visvesvaraya 技术大学（VTU）通过 CSE 8, 2010-11 项目提供的财政支持。同时感谢印度卡纳塔克邦政府信息技术部、生物技术和科学技术部的 Vision Group on Science and Technology 通过 CISEE 项目（GRD 26）提供的财政支持。