Syntéza perovskitu ultrazvukem
Ultrazvukem indukované a zesílené reakce nabízejí snadnou, přesně kontrolovatelnou a všestrannou metodu syntézy pro výrobu světlem aktivovaných materiálů, které často nelze připravit konvenčními technikami.
Ultrazvuková krystalizace a srážení perovskitových krystalů je vysoce účinná a ekonomická technika, která umožňuje vyrábět perovskitové nanokrystaly v průmyslovém měřítku pro hromadnou výrobu.
Ultrazvuková syntéza perovskitových nanokrystalů
Organicko-anorganické perovskity halogenidů olovnatých vykazují výjimečné optoelektronické vlastnosti, jako je vysoká absorpce světla, velmi dlouhá životnost nosiče, difúzní délka nosiče a vysoká mobilita nosičů, což z perovskitových sloučenin činí vynikající funkční materiál pro vysoce výkonné aplikace v solárních panelech, LED, fotodetektorech, laserech atd.
Ultrazvuku je jednou z fyzikálních metod pro urychlení různých organických reakcí. Proces krystalizace je ovlivňován a řízen ultrazvukovým zpracováním, což vede k řiditelným velikostním vlastnostem monokrystalických perovskitových nanočástic.
TEM snímky pro CH3Nh3PbBr řekl:3 QD (a) s a (b) bez ultrazvukové léčby.
UIP2000hdT s tlakovým reaktorem s průtočnou buňkou
Případové studie ultrazvukové syntézy perovskitu
Výzkum provedl různé typy ultrazvukem asistovaného růstu perovskitových krystalů. Obecně se perovskitové krystaly připravují metodou tekutého růstu. Aby se vysrážely krystaly perovskitu, rozpustnost cílových vzorků se pomalu a kontrolovaně snižuje v roztoku prekurzoru. Ultrazvukové srážení perovskitových nanokrystalů je založeno především na antisolventním zhášení.
Ultrazvuková krystalizace perovskitových nanokrystalů
Jang et al. (2016) uvádějí úspěšnou ultrazvukem asistovanou syntézu perovskitových nanokrystalů halogenidu olovnatého. Pomocí ultrazvuku, APbX3 perovskitové nanokrystaly se širokým rozsahem složení, kde A = CH3Nh3, Cs nebo HN=CHNH3 (formamidinium) a X = Cl, Br nebo I, byly vysráženy. Ultrazvuku urychluje proces rozpouštění prekurzorů (AX a PbX2) v toluenu a rychlost rozpouštění určuje rychlost růstu nanokrystalů. Následně výzkumný tým vyrobil fotodetektory s vysokou citlivostí homogenním rotačním potahováním nanokrystalů jednotné velikosti na velkoplošných substrátech z oxidu křemičitého.
Distribuce velikosti částic CH3NH3PbBr3 (a) s a (b) bez ultrazvukové úpravy.
Ultrazvuková asymetrická krystalizace perovskitu
Peng et al. (2016) vyvinuli novou růstovou metodu založenou na asymetrické krystalizaci spouštěné kavitací (CTAC), která podporuje heterogenní nukleaci tím, že poskytuje dostatek energie k překonání nukleační bariéry. Stručně řečeno, zavedli do roztoku velmi krátké ultrazvukové pulzy (≈ 1 s), když dosáhl nízké úrovně přesycení s difúzí par proti rozpouštědlům. Ultrazvukový puls je zaveden při vysokých úrovních přesycení, kde kavitace spouští nadměrné nukleační události, a tedy růst nepřeberného množství drobných krystalů. Slibně, MAPbBr3 Monokrystalické filmy rostly na povrchu různých substrátů během několika hodin po cyklickém ultrazvukovém ošetření.
Ultrazvuková syntéza perovskitových kvantových teček
Chen et al. (2017) ve své výzkumné práci představují účinnou metodu přípravy perovskitových kvantových teček (QD) pod ultrazvukovým ozařováním. Ultrazvuku se používá jako mechanická metoda k urychlení srážení perovskitových kvantových teček. Proces krystalizace perovskitových kvantových teček je zintenzivňován a řízen ultrazvukovým zpracováním, což vede k přesně přizpůsobené velikosti nanokrystalů. Analýza struktury, velikosti částic a morfologie perovskitových kvantových teček ukázala, že ultrazvuková krystalizace poskytuje menší velikost částic a rovnoměrnější distribuci velikosti částic. Pomocí ultrazvukové (= sonochemické) syntézy bylo také možné vyrobit perovskitové kvantové tečky s různým chemickým složením. Toto rozdílné složení v perovskitových krystalech umožnilo znemožnit emisní píky a adsorpční hrany CH3Nh3Pbx3 (X = Cl, Br a I), což vedlo k extrémně širokému barevnému gamutu.
Ultrazvuková disperze
Ultrazvuku suspenzí nanočástic a inkoustů je spolehlivou technikou pro jejich homogenní dispergaci před aplikací nanosuspenze na substráty, jako jsou mřížky nebo elektrody. (srov. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ultrazvuková disperze si snadno poradí s vysokými koncentracemi pevných látek (např. pasty) a distribuuje nanočástice do jednotlivě dispergovaných částic tak, aby vznikla rovnoměrná suspenze. Tím je zajištěno, že při následné aplikaci, kdy je substrát potažen, nedochází ke shlukování, jako jsou aglomeráty, které zhoršují výkon povlaku.
Ultrazvuková disperze připravuje rovnoměrné nano suspenze: zelená křivka – před sonikací? červená křivka po sonikaci
Ultrazvukové procesory pro srážení perovskitů
Hielscher Ultrasonics navrhuje a vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové systémy pro sonochemickou syntézu vysoce kvalitních perovskitových krystalů. Jako lídr na trhu a s dlouholetými zkušenostmi v ultrazvukovém zpracování, Hielscher Ultrasonics pomáhá svým zákazníkům od prvního testu proveditelnosti přes optimalizaci procesu až po konečnou instalaci průmyslových ultrazvukových procesorů pro výrobu ve velkém měřítku. Nabízí kompletní portfolio od laboratorních a stolních ultrasonikátorů až po průmyslové ultrazvukové procesory, Hielscher vám může doporučit ideální zařízení pro váš nanokrystalický proces.
Všechny Hielscher ultrasonicators jsou přesně ovladatelné a mohou být naladěny od velmi nízkých až po velmi vysoké amplitudy. Amplituda je jedním z hlavních faktorů, které ovlivňují dopad a destruktivitu procesů sonikace. Hielscher Ultrazvuk’ Ultrazvukové procesory poskytují velmi široké spektrum amplitud pokrývající rozsah velmi jemných a měkkých až po velmi intenzivní a destruktivní aplikace. Výběr správného nastavení amplitudy, boosteru a sonotrody umožňuje nastavit požadovaný ultrazvukový dopad pro váš konkrétní proces. Hielscherova speciální vložka do reaktoru s průtokovými buňkami MPC48 – MultiPhaseCavitator (viz obr. vlevo) – Umožňuje vstříknout druhou fázi pomocí 48 kanyl jako tenké kmene do kavitačního horkého místa, kde vysoce výkonné ultrazvukové vlny rozptýlí obě fáze do homogenní směsi. MultiPhaseCavitator je ideální pro iniciaci výsevních bodů krystalů a pro řízení srážecí reakce perovskitových nanokrystalů.
Hielscher průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat mimořádně vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při náročném provozu a v náročných prostředích.
Naši zákazníci jsou spokojeni s vynikající robustností a spolehlivostí systémů Hielscher Ultrasonic. Instalace v oblastech náročných aplikací, náročných prostředí a provozu 24/7 zajišťují efektivní a hospodárné zpracování. Ultrazvuková intenzifikace procesu zkracuje dobu zpracování a dosahuje lepších výsledků, tj. vyšší kvality, vyšších výnosů, inovativních produktů.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 0Přibližně 5 až 1,5 ml | Není k dispozici | VialTweeter |
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml? min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l? min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás!? Zeptejte se nás!
Vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k pilot a Průmyslové měřítko.
Literatura/Odkazy
- Raphaëlle Belchi; Aurélie Habert; Eddy Foy; Alexandre Gheno; Sylvain Vedraine; Rémi Antony; Bernard Ratier; Johann Bouclé; Nathalie Herlin-Boimecor (2019): One-Step Synthesis of TiO2/Graphene Nanocomposites by Laser Pyrolysis with Well-Controlled Properties and Application in Perovskite Solar Cells. ACS Omega. 2019 Jul 31; 4(7): 11906–11913.
- Dong Myung Jang, Duk Hwan Kim, Kidong Park, Jeunghee Park, Jong Woon Lee, Jae Kyu Song (2016): Ultrasound synthesis of lead halide perovskite nanocrystals. Journal of Materials Chemistry C. Issue 45, 2016.
- Lung-Chien Chen, Zong-Liang Tseng, Shih-You Chen, Shengyi Yang (2017): An ultrasonic synthesis method for high-luminance perovskite quantum dots. Cermaics international 43, 2017. 16032-16035.
- Birgit Pichler; Kurt Mayer; Prof. Viktor Hacker (2018): Long‐Term Operation of Perovskite‐Catalyzed Bifunctional Air Electrodes in Rechargeable Zinc‐Air Flow Batteries. Batteries & Supercaps Vol. 2, Issue 4, April 2019. 387-395.
- Wei Peng, Lingfei Wang, Banavoth Murali, Kang-Ting Ho, Ashok Bera, Namchul Cho, Chen-Fang Kang, Victor M. Burlakov, Jun Pan, Lutfan Sinatra, Chun Ma, Wei Xu, Dong Shi, Erkki Alarousu, Alain Goriely, Jr-Hau He, Omar F. Mohammed, Tom Wu, Osman M. Bakr (2016): Solution-Grown Monocrystalline Hybrid Perovskite Films for Hole-Transporter-Free Solar Cells. Advanced Materials 2016.
Fakta, která stojí za to vědět
perovskit
Perovskit je termín, který popisuje minerál perovskit (známý také jako oxid titaničitý vápenatý nebo titaničitan vápenatý, chemický vzorec CaTiO3), jakož i specifickou strukturu materiálu. V souladu se stejným názvem má minerál perovskit perovskitovou strukturu.
Perovskitové sloučeniny se mohou vyskytovat v kubické, tetragonální nebo ortorombické struktuře a mají chemický vzorec ABX3. A a B jsou kationty, zatímco X představuje aniont, který se váže na oba. V perovskitových sloučeninách je kationt A významně větší než kationt B. Dalšími minerály s perovskitovou strukturou jsou loparit a bridgmanit.
Perovskity mají jedinečnou krystalovou strukturu a v této struktuře lze kombinovat různé chemické prvky. Díky speciální krystalové struktuře mohou molekuly perovskitu vykazovat různé cenné vlastnosti, jako je supravodivost, velmi vysoká magnetorezistence a/nebo feroelektřina, díky nimž jsou tyto sloučeniny velmi zajímavé pro průmyslové aplikace. Kromě toho lze kombinovat velké množství různých prvků dohromady a vytvářet perovskitové struktury, což umožňuje kombinovat, upravovat a zintenzivňovat určité vlastnosti materiálu. Výzkumní pracovníci, vědečtí pracovníci a vývojáři procesů používají tyto možnosti k selektivnímu návrhu a optimalizaci fyzikálních, optických a elektrických charakteristik perovskitu.
Díky svým optoelektronickým vlastnostem jsou hybridní perovskity ideálními kandidáty pro aplikace solárních článků a perovskitové solární články jsou slibnou technologií, která by mohla pomoci vyrábět velké množství čisté energie šetrné k životnímu prostředí.
Kritické optoelektronické parametry monokrystalického perovskitu uváděné v literatuře:
τs = 28 ns τb = 300 ns PL
1,3–4,3 μm3 × 1010MAPbI31,51 eV 820 nm67,2 (SCLC)
τs = 18 ns τb = 570 ns PL
1,8–10,0 μm1,4 × 1010MAPbI3850 nm164 ± 25 otvorů pohyblivost (SCLC) 105 otvorů mobilita (hala) 24 ± 6,8 elektronů SCLC
82 ± 5 μs TPV 95 ± impedanční spektroskopie (IS)9 × 109 P175 ± 25 μm3.6 × 1010 pro otvor 34,5 × 1010 pro elektronovou MAPbI31.53 eV 784 nm34 Hala
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 pro otvor 4,8 × 1010 pro electronMAPbBr31.53 eV 784 nm34 Hala
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 pro otvor 4,8 × 1010 pro electronMAPbBr32.24 eV 537 nm4.36 Hala
3,87 × 1012 p
2.6 × 1010 pro otvor 1.1 × 1011 pro electronMAPbCl32.24 eV 537 nm4.36 Hala
3,87 × 1012 p
2.6 × 1010 pro otvor 1.1 × 1011 pro electronMAPbCl32.97 eV 402 nm179 Hala
5.1 × 109 N
Protokol MAPbCl32,88 eV 440 nm42 ± 9 (SCLC)2,7 × 10-8τs = 83 ns τb = 662 ns PL4.0 × 109 p3,0–8,5 μm3,1 × 1010FAPbI31.49 eV 870 nm40 ± 5 otvorů mobilita SCLC1.8 × 10-8
2.8 × 109
1,34 × 1010
| Materiály | Mezera v pásmu nebo nástup absorpce | Pohyblivost [cm]2 V-1 s-1] | Vodivost [Ω-1 cm-1] | Životnost nosiče a způsob | Koncentrace a typ nosiče [cm-3] (n nebo p) | Difúzní délka | Hustota pasti [cm]-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (hala) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 do 5 × 1010 p | 3–17 μm | 5.8 × 109 |