Perovskiittisynteesi ultraäänellä
Ultraäänellä indusoidut ja tehostetut reaktiot tarjoavat helpon, tarkasti hallittavan ja monipuolisen synteesimenetelmän valoaktivoitujen materiaalien tuottamiseksi, joita ei usein voida valmistaa tavanomaisilla tekniikoilla.
Perovskiittikiteiden ultraäänikiteytys ja saostuminen on erittäin tehokas ja taloudellinen tekniikka, joka mahdollistaa perovskiittinanokiteiden tuottamisen teollisessa mittakaavassa massatuotantoon.
Perovskiittinanokiteiden ultraäänisynteesi
Orgaanisilla ja epäorgaanisilla lyijyhalogenidiperovskiiteilla on poikkeukselliset optoelektroniset ominaisuudet, kuten korkea valon absorptio, erittäin pitkä kantoaallon käyttöikä, kantoaallon diffuusiopituus ja suuri kantajan liikkuvuus, mikä tekee perovskiittiyhdisteistä ylivoimaisen toiminnallisen materiaalin korkean suorituskyvyn sovelluksiin aurinkopaneeleissa, LEDeissä, valoilmaisimissa, lasereissa jne.
Ultrasonication on yksi fyysisistä menetelmistä erilaisten orgaanisten reaktioiden nopeuttamiseksi. Ultraäänikäsittely vaikuttaa ja ohjaa kiteytysprosessia, mikä johtaa yksikiteisten perovskiittinanohiukkasten hallittaviin koko-ominaisuuksiin.
TEM-kuvat CH: lle3NH3PbBr3 QD: t (a) ultraäänikäsittelyllä ja (b) ilman ultraäänihoitoa.
UIP2000hdT paineistettavalla virtauskennoreaktorilla
Tapaustutkimukset ultraääniperovskiittisynteesistä
Tutkimus on suorittanut monenlaisia ultraäänellä avustettuja perovskiittikiteiden kasvua. Yleensä perovskiittikiteet valmistetaan nestemäisellä kasvumenetelmällä. Perovskiittikiteiden saostamiseksi kohdenäytteiden liukoisuus pelkistetään hitaasti ja kontrolloidaan prekursoriliuoksessa. Perovskiittinanokiteiden ultraäänisaostuminen perustuu pääasiassa liuottimen sammutukseen.
Perovskiittinanokiteiden ultraäänikiteytys
(2016) raportoivat lyijyhalogenidiperovskiittinanokiteiden onnistuneesta ultraäänellä avustetusta synteesistä. Ultraäänellä, APbX3 perovskiittinanokiteet, joilla on laaja valikoima koostumuksia, joissa A = CH3NH3, Cs tai HN = CHNH3 (formamidinium) ja X = Cl, Br tai I saostettiin. Ultrasonication nopeuttaa esiasteiden (AX ja PbX) liukenemisprosessia2) tolueenissa, ja liukenemisnopeus määrittää nanokiteiden kasvunopeuden. Tämän jälkeen tutkimusryhmä valmisti erittäin herkkiä valoilmaisimia kehräämällä homogeenisesti tasakokoisia nanokiteitä suurille piioksidisubstraateille.
CH3NH3PbBr3: n hiukkaskokojakaumat (a) ilman ultraäänikäsittelyä ja (b) ilman ultraäänikäsittelyä.
Chen ym. 2017
Perovskiitin ultraääni epäsymmetrinen kiteytys
(2016) kehittivät uuden kasvumenetelmän, joka perustuu kavitaation laukaisemaan epäsymmetriseen kiteytykseen (CTAC), joka edistää heterogeenistä nukleaatiota tarjoamalla tarpeeksi energiaa nukleaatioesteen voittamiseksi. Lyhyesti sanottuna he lisäsivät liuokseen hyvin lyhyitä ultraäänipulsseja (≈ 1 sek), kun se saavutti alhaisen ylikyllästystason liuottimen höyrydiffuusiolla. Ultraäänipulssi otetaan käyttöön korkeilla ylikyllästystasoilla, joissa kavitaatio laukaisee liiallisia nukleaatiotapahtumia ja siten lukuisten pienten kiteiden kasvua. Lupaavasti, MAPbBr3 Yksikiteiset kalvot kasvoivat eri substraattien pinnalla useiden tuntien kuluessa syklisestä ultraäänikäsittelystä.
Perovskiittikvanttipisteiden ultraäänisynteesi
(2017) esittävät tutkimustyössään tehokkaan menetelmän perovskiittikvanttipisteiden (QD) valmistamiseksi ultraäänisäteilytyksessä. Ultrasonicationia käytetään mekaanisena menetelmänä perovskiittikvanttipisteiden saostumisen nopeuttamiseksi. Perovskiittikvanttipisteiden kiteytysprosessia tehostetaan ja ohjataan ultraäänikäsittelyllä, mikä johtaa nanokiteiden tarkasti räätälöityyn kokoon. Perovskiittikvanttipisteiden rakenteen, hiukkaskoon ja morfologian analyysi osoitti, että ultraäänikiteytys antaa pienemmät hiukkaskoot ja yhtenäisemmän hiukkaskokojakauman. Ultraääni- (= sonokemiallista) synteesiä käyttämällä oli myös mahdollista tuottaa perovskiittikvanttipisteitä, joilla oli erilaiset kemialliset koostumukset. Nämä perovskiittikiteiden erilaiset koostumukset mahdollistivat CH: n emissiopiikkien ja adsorptioreunojen kykenemättömyyden3NH3Pbx3 (X = Cl, Br ja I), mikä johti erittäin laajaan värivalikoimaan.
Ultraääni dispersio
Nanohiukkassuspensioiden ja musteiden ultrasonication on luotettava tekniikka niiden hajottamiseksi homogeenisesti ennen nanosuspension levittämistä substraatteihin, kuten verkkoihin tai elektrodeihin. (vrt. Belchi et al. 2019; Pichler ym. 2018)
Ultraäänidispersio käsittelee helposti suuria kiinteitä pitoisuuksia (esim. tahnoja) ja jakaa nanohiukkaset yksidispergoituihin hiukkasiin siten, että syntyy yhtenäinen suspensio. Tämä varmistaa, että myöhemmässä levityksessä, kun substraatti pinnoitetaan, paakkuuntuminen, kuten agglomeraatit, ei heikennä pinnoitteen suorituskykyä.
Ultraäänidispersio valmistaa yhtenäiset nanokokoiset suspensiot: vihreä käyrä – Ennen sonikaatiota / punaista käyrää sonikoinnin jälkeen
Ultraääniprosessorit perovskiitin saostumiseen
Hielscher Ultrasonics suunnittelee ja valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänijärjestelmiä korkealaatuisten perovskiittikiteiden sonokemialliseen synteesiin. Markkinajohtajana ja pitkäaikaisella kokemuksella ultraäänikäsittelystä Hielscher Ultrasonics auttaa asiakkaitaan ensimmäisestä toteutettavuustestistä prosessin optimointiin teollisten ultraääniprosessorien lopulliseen asennukseen laajamittaiseen tuotantoon. Tarjoamalla täyden valikoiman laboratorio- ja penkki-top-ultraäänilaitteista teollisiin ultraääniprosessoreihin, Hielscher voi suositella sinulle ihanteellista laitetta nanokideprosessillesi.
Kaikki Hielscher-ultraäänilaitteet ovat tarkasti hallittavissa ja ne voidaan virittää erittäin matalista erittäin korkeisiin amplitudituksiin. Amplitudi on yksi tärkeimmistä tekijöistä, jotka vaikuttavat sonikaatioprosessien vaikutukseen ja tuhoisuuteen. Hielscherin ultraääni’ Ultraääniprosessorit tuottavat hyvin laajan spektrin amplitudit, jotka kattavat erittäin lievien ja pehmeiden tai erittäin voimakkaiden ja tuhoavien sovellusten alueen. Oikean amplitudiasetuksen, tehostimen ja sonotrodin valitseminen mahdollistaa tarvittavan ultraäänivaikutuksen asettamisen tietylle prosessillesi. Hielscherin erityinen virtauskennoreaktori lisää MPC48 – MultiPhaseCavitator (katso kuva vasemmalla) – mahdollistaa toisen vaiheen ruiskuttamisen 48 kanyylin kautta ohuena kantana kavitaatiopisteeseen, jossa korkean suorituskyvyn ultraääniaallot hajottavat kaksi faasia homogeeniseksi seokseksi. MultiPhaseCavitator on ihanteellinen kiteiden kylvöpisteiden käynnistämiseen ja perovskiittinanokiteiden saostumisreaktion hallintaan.
Hielscherin teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa poikkeuksellisen suuria amplitudit. Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti ajaa jatkuvasti 24/7 toiminnassa. Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa 24/7 toiminnan raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä.
Asiakkaamme ovat tyytyväisiä Hielscher Ultrasonicin järjestelmien erinomaiseen kestävyyteen ja luotettavuuteen. Asennus raskaisiin sovelluksiin, vaativiin ympäristöihin ja 24/7 käyttöön takaavat tehokkaan ja taloudellisen käsittelyn. Ultraääniprosessin tehostaminen vähentää käsittelyaikaa ja saavuttaa parempia tuloksia eli parempaa laatua, suurempia saantoja, innovatiivisia tuotteita.
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 0.5 - 1.5 ml | n.a. | VialTweeter |
| 1 - 500 ml | 10 - 200 ml / min | UP100H |
| 10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 - 10L / min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-100L / min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | klusteri UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Suuritehoiset ultraäänihomogenisaattorit alkaen laboratorio jotta lentäjä ja Teollinen mittakaava.
Kirjallisuus/viitteet
- 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.
Faktoja, jotka kannattaa tietää
perovskiitti
Perovskiitti on termi, joka kuvaa mineraalia perovskiitti (tunnetaan myös nimellä kalsiumtitaanioksidi tai kalsiumtitanaatti, kemiallinen kaava CaTiO3) sekä erityinen aineellinen rakenne. Saman nimen mukaisesti mineraali Perovskiitti sisältää perovskiittirakenteen.
Perovskiittiyhdisteitä voi esiintyä kuutiometrisessä, nelikulmaisessa tai ortorombisessa rakenteessa ja niillä on kemiallinen kaava ABX3. A ja B ovat kationeja, kun taas X edustaa anionia, joka sitoutuu molempiin. Perovskiittiyhdisteissä A-kationi on huomattavasti suurempi kuin B-kationi. Muita mineraaleja, joilla on perovskiittirakenne, ovat Loparite ja Bridgmanite.
Perovskiiteilla on ainutlaatuinen kiderakenne ja tässä rakenteessa voidaan yhdistää erilaisia kemiallisia elementtejä. Erityisen kiderakenteen ansiosta perovskiittimolekyyleillä voi olla erilaisia arvokkaita ominaisuuksia, kuten suprajohtavuus, erittäin korkea magnetoresistanssi ja / tai ferrosähkö, mikä tekee näistä yhdisteistä erittäin mielenkiintoisia teollisissa sovelluksissa. Lisäksi suuri määrä erilaisia elementtejä voidaan yhdistää yhteen perovskiittirakenteiksi, mikä mahdollistaa tiettyjen materiaaliominaisuuksien yhdistämisen, muokkaamisen ja tehostamisen. Tutkijat, tiedemiehet ja prosessikehittäjät käyttävät näitä vaihtoehtoja perovskiitin fysikaalisten, optisten ja sähköisten ominaisuuksien valikoivaan suunnitteluun ja optimointiin.
Niiden optoelektroniset ominaisuudet tekevät hybridiperovskiiteista ihanteellisia ehdokkaita aurinkokennosovelluksiin, ja perovskiittiaurinkokennot ovat lupaava tekniikka, joka voi auttaa tuottamaan suuria määriä puhdasta, ympäristöystävällistä energiaa.
Kirjallisuudessa raportoidut yksikiteisen perovskiitin kriittiset optoelektroniset parametrit:
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 reiän liikkuvuus (SCLC) 105 reiän liikkuvuus (halli) 24 ± 6,8 elektronin SCLC
82 ± 5 μs TPV 95 ± 8 μs impedanssispektroskopia (IS)9 × 109 P175 ± 25 μm3.6 × 1010 reiälle 34.5 × 1010 elektroniMAPbI:n osalta31.53 eV 784 nm34 Halli
8.8 × 1011 P
1,8 × 109 reiälle 4,8 × 1010 elektroniMAPbBr: n osalta31.53 eV 784 nm34 Halli
8.8 × 1011 P
1,8 × 109 reiälle 4,8 × 1010 elektroniMAPbBr: n osalta32.24 eV 537 nm4.36 Halli
3,87 × 1012 P
2.6 × 1010 reiälle 1.1 × 1011 elektroniMAPbCl: lle32.24 eV 537 nm4.36 Halli
3,87 × 1012 P
2.6 × 1010 reiälle 1.1 × 1011 elektroniMAPbCl: lle32.97 eV 402 nm179 Halli
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 reiän liikkuvuus SCLC1.8 × 10-8
2.8 × 109
1,34 × 1010
| materiaalit | Kaistaväli tai absorptio alkaa | Liikkuvuus [cm2 V-1 s-1] | Konduktanssi [Ω-1 Cm-1] | Kantoaallon käyttöikä ja menetelmä | Kantaja-aineen pitoisuus ja tyyppi [cm-3] (n tai p) | Diffuusion pituus | Loukun tiheys [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (sali) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 5 × 1010 P | 3–17 μm | 5.8 × 109 |