Perovskiidi süntees ultraheli abil
Ultraheli abil esilekutsutud ja intensiivistatud reaktsioonid pakuvad lihtsat, täpselt juhitavat ja mitmekülgset sünteesimeetodit valgusaktiivsete materjalide tootmiseks, mida sageli ei saa valmistada tavapäraste tehnikatega.
Perovskiitkristallide ultraheli kristallimine ja sadestamine on väga tõhus ja ökonoomne tehnika, mis võimaldab toota perovskiitnanokristalle tööstuslikus mastaabis masstootmiseks.
Perovskiitnanokristallide ultraheli süntees
Orgaanilis-anorgaanilistel pliihalogeniidperovskiitidel on erakordsed optoelektroonilised omadused, nagu kõrge valguse neeldumine, väga pikk laengukandjate eluiga, laengukandjate difusioonipikkus ja suur laengukandjate liikuvus, mistõttu on perovskiitühendid suurepärane funktsionaalne materjal suure jõudlusega rakendustele päikesepaneelides, LED-ides, fotodetektorites, laserites jne.
Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on üks füüsikalistest meetoditest mitmesuguste orgaaniliste reaktsioonide kiirendamiseks. Ultraheli töötlus mõjutab ja juhib kristallimisprotsessi, mille tulemuseks on monokristalsete perovskiitnanoosakeste juhitavad suuruseomadused.
TEM-kujutised CH3NH3PbBr3 kvantpunktide (QD) kohta (a) ultraheli töötlusega ja (b) ilma ultraheli töötluseta.
UIP2000hdT surveastmega läbivoolukambriga reaktoriga
Perovskiidi ultraheli sünteesi juhtumiuuringud
Uuringutes on rakendatud mitmesuguseid ultraheli abil toetatud perovskiitkristallide kasvatamise viise. Üldjuhul valmistatakse perovskiitkristallid vedelikukasvatusmeetodil. Perovskiitkristallide sadestamiseks vähendatakse sihtproovide lahustuvust prekursorilahuses aeglaselt ja kontrollitult. Perovskiitnanokristallide ultraheli sadestamine põhineb peamiselt antilahusti kiirjahutusel.
Perovskiitnanokristallide ultraheli kristallimine
Jang jt (2016) kirjeldavad pliihalogeniidperovskiitnanokristallide edukat ultraheli abil toetatud sünteesi. Ultraheli abil sadestati APbX3 perovskiitnanokristalle väga erineva koostisega, kus A = CH3NH3, Cs või HN=CHNH3 (formamidiinium) ja X = Cl, Br või I. Ultraheli töötlus kiirendab prekursorite (AX ja PbX2) lahustumisprotsessi tolueenis ning lahustumiskiirus määrab nanokristallide kasvukiiruse. Seejärel valmistas uurimisrühm suure tundlikkusega fotodetektoreid, kandes ühtlase suurusega nanokristallid tsentrifugaalkattega homogeenselt suurepinnalistele ränioksiidialustele.
CH3NH3PbBr3 osakeste suuruse jaotus (a) ultraheli töötlusega ja (b) ilma ultraheli töötluseta.
Chen jt 2017
Perovskiidi ultraheli asümmeetriline kristallimine
Peng jt (2016) töötasid välja uue kasvatusmeetodi, mis põhineb kavitatsiooni käivitataval asümmeetrilisel kristallimisel (CTAC) ja mis soodustab heterogeenset tuumestumist, andes piisavalt energiat tuumestumisbarjääri ületamiseks. Lühidalt: nad rakendasid lahusele väga lühikesi ultraheli impulsse (≈ 1 s), kui see oli antilahusti aurudifusiooniga jõudnud madala ülekülluse tasemeni. Ultraheli impulss rakendatakse kõrgetel ülekülluse tasemetel, kus kavitatsioon käivitab ülemäärased tuumestumissündmused ja seega suure hulga pisikeste kristallide kasvu. Paljutõotavalt kasvasid MAPbBr3 monokristalsed kiled erinevate aluste pinnal mõne tunni jooksul tsüklilise ultraheli töötluse käigus.
Perovskiidi kvantpunktide ultraheli süntees
Chen et al. (2017) tutvustavad oma uurimistöös tõhusat meetodit perovskiit-kvantpunktide (QD) valmistamiseks ultrahelikiirituse mõjul. Ultraheli töötlust kasutatakse mehaanilise meetodina perovskiit-kvantpunktide sadestumise kiirendamiseks. Perovskiit-kvantpunktide kristallumisprotsessi intensiivistatakse ja kontrollitakse ultraheli töötlusega, mille tulemusena saadakse nanokristallide täpselt kohandatud suurus. Perovskiit-kvantpunktide struktuuri, osakeste suuruse ja morfoloogia analüüs näitas, et ultraheli kristalliseerimine annab väiksemad osakesed ja ühtlasema osakeste suurusjaotuse. Ultraheli (= sonokeemilise) sünteesi abil oli võimalik toota ka erineva keemilise koostisega perovskiit-kvantpunkte. Need perovskiitkristallide erinevad koostised võimaldasid „unable“ emissioonipiike ja adsorptsiooniservi ühendis CH3NH3PbX3 (X = Cl, Br ja I), mis tõi kaasa äärmiselt laia värvigamma.
Ultraheli dispersioon
Nanoosakeste suspensioonide ja tintide ultraheli töötlus on usaldusväärne tehnika nende homogeenseks dispergeerimiseks enne nanosuspensiooni kandmist aluspindadele, näiteks võredele või elektroodidele. (vrd Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ultraheli dispersioon töötleb hõlpsalt suuri tahkete osakeste kontsentratsioone (nt pastasid) ning jaotab nanoosakesed üksikuteks dispergeeritud osakesteks, nii et saadakse ühtlane suspensioon. See tagab, et järgneval pealekandmisel, kui aluspinda kaetakse, ei halvenda katte omadusi tükkide, näiteks aglomeraatide, teke.
Ultraheli dispersioon valmistab ühtlaseid nanosuuruses suspensioone: roheline kõver – enne sonikeerimist / punane kõver pärast sonikeerimist
Ultraheli protsessorid perovskiidi sadestamiseks
Hielscher Ultrasonics kavandab ja toodab suure jõudlusega ultraheli süsteeme kõrgekvaliteediliste perovskiitkristallide sonokeemiliseks sünteesiks. Turuliidri ja pikaajalise ultraheli töötluse kogemusega Hielscher Ultrasonics toetab oma kliente alates esimesest teostatavuskatsest kuni protsessi optimeerimiseni ja tööstuslike ultraheli protsessorite lõpliku paigaldamiseni suuremahuliseks tootmiseks. Pakkudes täielikku valikut labori- ja lauaseadmetest ultraheli seadmetest kuni tööstuslike ultraheli protsessoriteni, saab Hielscher soovitada teile ideaalse seadme teie nanokristallide protsessi jaoks.
Kõiki Hielscheri sonikaatoreid saab täpselt juhtida ja häälestada väga madalatest kuni väga kõrgete amplituudideni. Amplituud on üks peamisi tegureid, mis mõjutab sonikeerimisprotsesside mõju ja hävitavust. Hielscher Ultrasonicsi ultraheliprotsessorid pakuvad väga laia amplituudide spektrit, mis hõlmab nii väga leebeid ja õrnu kui ka väga intensiivseid ja hävitavaid rakendusi. Õige amplituudi seadistuse, boosteri ja sonotroodi valik võimaldab seada teie konkreetse protsessi jaoks vajaliku ultraheli mõju. Hielscheri spetsiaalne läbivoolukambri reaktori lisaseade MPC48 – MultiPhaseCavitator (vt pilti vasakul) – võimaldab süstida teise faasi 48 kanüüli kaudu „thin strain“ kujul kavitatsioonilisse kuumpunkti, kus suure jõudlusega ultraheli lained dispergeerivad kaks faasi homogeenseks seguks. MultiPhaseCavitator sobib ideaalselt kristallide algpunktide (seemnete) tekitamiseks ja perovskiit-nanokristallide sadestumisreaktsiooni juhtimiseks.
Hielscheri tööstuslikud ultraheliprotsessorid suudavad pakkuda erakordselt kõrgeid amplituude. Kuni 200µm amplituude saab hõlpsasti pidevalt käitada 24/7 töörežiimis. Veelgi kõrgemate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Hielscheri ultraheliseadmete töökindlus võimaldab 24/7 töötamist raskes töörežiimis ja nõudlikes keskkondades.
Meie kliente rahuldab Hielscher Ultrasonic’s süsteemide silmapaistev töökindlus ja usaldusväärsus. Paigaldus raskeveolistes rakendustes, nõudlikes keskkondades ja 24/7 töös tagab tõhusa ja ökonoomse töötlemise. Ultraheliga protsessi intensiivistamine lühendab töötlemisaega ja annab paremaid tulemusi, st kõrgemat kvaliteeti, suuremat saagist ja uuenduslikke tooteid.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlemismahust:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 0,5 kuni 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 kuni 500mL | 10 kuni 200mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster mudelitest UIP16000 |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Suure võimsusega ultraheli homogenisaatorid laborimastaabist kuni pilootmastaabini ja tööstusliku mastaabini.
Kirjandus ja viited
- 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.
Faktid, mida tasub teada
Perovskiit
Perovskiit on termin, mis tähistab nii mineraali perovskiit (tuntud ka kui kaltsiumtitaanoksiid või kaltsiumtitanaat, keemiline valem CaTiO3) kui ka kindlat materjalistruktuuri. Samanimelisena on mineraalil perovskiit perovskiitstruktuur.
Perovskiitühendid võivad esineda kuubilises, tetragonaalses või ortorombilises struktuuris ja nende keemiline valem on ABX3. A ja B on katioonid, X aga anioon, mis seondub mõlemaga. Perovskiitühendites on A-katioon oluliselt suurem kui B-katioon. Teised perovskiitstruktuuriga mineraalid on loparit ja bridgmaniit.
Perovskiitidel on ainulaadne kristallstruktuur ja selles struktuuris saab kombineerida mitmesuguseid keemilisi elemente. Eripärase kristallstruktuuri tõttu võivad perovskiitmolekulid omada mitmesuguseid väärtuslikke omadusi, nagu ülijuhtivus, väga suur magnetoresistentsus ja/või ferroelektrilisus, mis teevad need ühendid tööstuslikes rakendustes väga huvipakkuvaks . Lisaks saab perovskiitstruktuuride moodustamiseks kombineerida suurt hulka erinevaid elemente, mis võimaldab teatud materjaliomadusi kombineerida, muuta ja tugevdada. Teadlased, uurijad ja protsessiarendajad kasutavad neid võimalusi perovskiitide füüsikaliste, optiliste ja elektriliste omaduste sihipäraseks kavandamiseks ja optimeerimiseks.
Nende optoelektroonilised omadused teevad hübriidperovskiitidest ideaalsed kandidaadid päikesepatareide rakendusteks ning perovskiitpäikesepatareid on paljulubav tehnoloogia, mis võib aidata toota suures koguses puhast, keskkonnasõbralikku energiat.
Kirjanduses esitatud monokristallilise perovskiidi kriitilised optoelektroonilised parameetrid:
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 Aukude liikuvus (SCLC) 105 Aukude liikuvus (Hall) 24 ± 6,8 elektronide SCLC
82 ± 5 µs TPV 95 ± 8 µs impedantsspektroskoopia (IS)9 × 109 p175 ± 25 µm3.6 × 1010 aukude jaoks 34,5 × 1010 elektronide jaoksMAPbI31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 aukude jaoks 4,8 × 1010 elektronide jaoksMAPbBr31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 aukude jaoks 4,8 × 1010 elektronide jaoksMAPbBr32,24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 aukude jaoks 1,1 × 1011 elektronide jaoksMAPbCl32,24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 aukude jaoks 1,1 × 1011 elektronide jaoksMAPbCl32,97 eV 402 nm179 Hall
5,1 × 109 n
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 Aukude liikuvus SCLC1.8 × 10-8
2,8 × 109
1,34 × 1010
| Materjalid | Keelutsoon või neeldumise algus | Liikuvus [cm2 V-1 s-1] | Juhtivus [Ω-1 cm-1] | Laengukandjate eluiga ja meetod | Laengukandjate kontsentratsioon ja tüüp [cm-3] (n või p) | Difusioonipikkus | Lõksude tihedus [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (Hall) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 kuni 5 × 1010 p | 3–17 µm | 5,8 × 109 |