Synthèse de pérovskite par ultrasons
Les réactions induites et intensifiées par ultrasons offrent une méthode de synthèse facile, précisément contrôlable et polyvalente pour la production de matériaux activés par la lumière, qui souvent ne peuvent pas être préparés par les techniques conventionnelles.
La cristallisation et la précipitation ultrasoniques de cristaux de pérovskite est une technique très efficace et économique, qui permet de produire des nanocristaux de pérovskite à l'échelle industrielle pour la production de masse.
Synthèse ultrasonique de nanocristaux de pérovskite
Les pérovskites organiques-inorganiques aux halogénures de plomb présentent des propriétés optoélectroniques exceptionnelles telles qu'une forte absorption de la lumière, une très longue durée de vie des porteurs, une longueur de diffusion des porteurs et une grande mobilité des porteurs, ce qui fait des composés de pérovskite un matériau fonctionnel supérieur pour des applications à haut rendement dans les panneaux solaires, les LED, les photodétecteurs, les lasers, etc.
L'ultrason est l'une des méthodes physiques permettant d'accélérer diverses réactions organiques. Le processus de cristallisation est influencé et contrôlé par le traitement ultrasonique, ce qui donne des propriétés de taille contrôlables aux nanoparticules monocristallines de pérovskite.
Images TEM pour CH3nH3PbBr3 QDs (a) avec et (b) sans traitement ultrasonique.
UIP2000hdT avec réacteur à cellules à flux pressurisable
Études de cas sur la synthèse de pérovskite par ultrasons
La recherche a mené plusieurs types de croissance de cristaux de pérovskite assistée par ultrasons. En général, les cristaux de pérovskite sont préparés par la méthode de croissance liquide. Afin de précipiter les cristaux de pérovskite, la solubilité des échantillons cibles est réduite lentement et de manière contrôlée dans une solution de précurseur. La précipitation ultrasonique des nanocristaux de pérovskite est principalement basée sur une trempe à l'aide d'un antisolvant.
Cristallisation ultrasonique de nanocristaux de pérovskite
Jang et ses collègues (2016) rapportent la synthèse assistée par ultrasons de nanocristaux de perovskite à l'halogénure de plomb. En utilisant l'échographie, APbX3 nanocristaux de pérovskite avec une large gamme de compositions, où A = CH3nH3Cs, ou HN=CHNH3 (formamidinium), et X = Cl, Br ou I, ont été précipités. Les ultrasons accélèrent le processus de dissolution des précurseurs (AX et PbX2) dans le toluène, et la vitesse de dissolution détermine le taux de croissance des nanocristaux. Par la suite, l'équipe de recherche a fabriqué des photodétecteurs à haute sensibilité en déposant par rotation homogène des nanocristaux de taille uniforme sur des substrats d'oxyde de silicium de grande surface.
Distributions granulométriques de CH3NH3PbBr3 (a) avec et (b) sans traitement ultrasonique.
Chen et al. 2017
Cristallisation ultrasonique asymétrique de la pérovskite
Peng et ses collaborateurs (2016) ont développé une nouvelle méthode de croissance basée sur une cristallisation asymétrique déclenchée par cavitation (CTAC), qui favorise la nucléation hétérogène en fournissant suffisamment d'énergie pour surmonter la barrière de nucléation. En bref, ils ont introduit de très courtes impulsions ultrasoniques (≈ 1sec) dans la solution lorsqu'elle a atteint un faible niveau de sursaturation avec diffusion de vapeur d'antisolvant. L'impulsion ultrasonore est introduite à des niveaux de sursaturation élevés, où la cavitation déclenche des événements de nucléation excessifs et donc la croissance d'une pléthore de minuscules cristaux. De façon prometteuse, MAPbBr3 Des films monocristallins se sont formés à la surface de divers substrats dans les heures qui ont suivi le traitement cyclique par ultrasons.
Synthèse ultrasonique des points quantiques de pérovskite
Chen et ses collaborateurs (2017) présentent dans leurs travaux de recherche une méthode efficace pour préparer des points quantiques (QD) de pérovskite sous irradiation ultrasonique. Les ultrasons sont utilisés comme méthode mécanique afin d'accélérer la précipitation des points quantiques de pérovskite. Le processus de cristallisation des points quantiques de pérovskite est intensifié et contrôlé par le traitement ultrasonique, ce qui permet d'obtenir des nanocristaux de taille précise. L'analyse de la structure, de la taille des particules et de la morphologie des points quantiques de pérovskite a montré que la cristallisation par ultrasons donne des particules de plus petite taille et une distribution plus uniforme de la taille des particules. Grâce à la synthèse ultrasonique (= sonochimique), il a également été possible de produire des points quantiques de pérovskite de différentes compositions chimiques. Ces différentes compositions dans les cristaux de pérovskite ont permis d'éviter les pics d'émission et les bords d'adsorption du CH3nH3PbX3 (X = Cl, Br et I), ce qui a conduit à une gamme de couleurs extrêmement large.
dispersion à ultrasons
L'ultrasonisation de suspensions de nanoparticules et d'encres est une technique fiable pour les disperser de manière homogène avant d'appliquer la nano-suspension sur des substrats tels que des grilles ou des électrodes. (cf. Belchi et al. 2019 ; Pichler et al. 2018)
La dispersion ultrasonique permet de manipuler facilement des concentrations élevées de solides (par exemple des pâtes) et de distribuer les nanoparticules en particules monodispersées de manière à produire une suspension uniforme. Cela garantit que lors de l'application ultérieure, lorsque le substrat est revêtu, aucun agglomérat tel que des agglomérats n'altère les performances du revêtement.
La dispersion ultrasonique prépare des suspensions uniformes de taille nanométrique : courbe verte – avant la sonication / courbe rouge après la sonication
Processeurs ultrasoniques pour la précipitation de pérovskite
Hielscher Ultrasonics conçoit et fabrique des systèmes ultrasoniques de haute performance pour la synthèse sonochimique de cristaux de pérovskite de haute qualité. En tant que leader du marché et avec une longue expérience dans le traitement par ultrasons, Hielscher Ultrasons assiste ses clients du premier test de faisabilité à l'optimisation du processus jusqu'à l'installation finale de processeurs ultrasoniques industriels pour la production à grande échelle. Offrant une gamme complète d'appareils allant des ultrasons de laboratoire et de table jusqu'aux processeurs ultrasoniques industriels, Hielscher peut vous recommander l'appareil idéal pour votre procédé de nanocristal.
Tous les ultrasonateurs Hielscher sont contrôlables avec précision et peuvent être réglés de très basses à très hautes amplitudes. L'amplitude est l'un des principaux facteurs qui influencent l'impact et le caractère destructeur des processus de sonication. Hielscher Ultrasons’ Les processeurs ultrasoniques offrent un très large spectre d'amplitudes couvrant la gamme des applications très douces et douces à très intenses et destructrices. Le choix du bon réglage d'amplitude, du booster et de la sonotrode permet de régler l'impact ultrasonique requis pour votre procédé spécifique. Insert de réacteur à cellule de flux spécial de Hielscher MPC48 – MultiPhaseCavitator (voir photo à gauche) – permet d'injecter la deuxième phase par 48 canules sous forme de fine souche dans le point chaud cavitationnel, où des ondes ultrasonores de haute performance dispersent les deux phases en un mélange homogène. Le MultiPhaseCavitator est idéal pour initier les points d'ensemencement des cristaux et pour contrôler la réaction de précipitation des nanocristaux de pérovskite.
Les processeurs industriels à ultrasons Hielscher peuvent fournir des amplitudes extraordinairement élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200 µm peuvent être facilement exploitées en continu en fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher permet un fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des environnements difficiles.
Nos clients sont satisfaits de la robustesse et de la fiabilité exceptionnelles des systèmes Hielscher Ultrasonic. L'installation dans des domaines d'application exigeants, des environnements exigeants et un fonctionnement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 garantissent un traitement efficace et économique. L'intensification du processus par ultrasons réduit le temps de traitement et permet d'obtenir de meilleurs résultats, c'est-à-dire une meilleure qualité, des rendements plus élevés et des produits innovants.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:
| lot Volume | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 00,5 à 1,5 ml | n / a. | VialTweeter |
| 1 à 500 ml | 10 à 200 ml / min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 20L | 00,2 à 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 à 100l | 2 à 10 L / min | UIP4000hdT |
| n / a. | 10 à 100 litres / min | UIP16000 |
| n / a. | plus grand | groupe de UIP16000 |
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Homogénéisateurs ultrasoniques de haute puissance de laboratoires à pilote et échelle industrielle.
Littérature / Références
- 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.
Qu'il faut savoir
Perovskite
La pérovskite est un terme qui décrit le minéral Pérovskite (aussi connu sous le nom d'oxyde de calcium et de titane ou de titanate de calcium, formule chimique CaTiO3) ainsi qu'une structure matérielle spécifique. Selon le même nom, le minéral Pérovskite se caractérise par la structure pérovskite.
Les composés de pérovskite peuvent se présenter sous forme de structure cubique, tétragonale ou orthorhombique et ont la formule chimique ABX3. A et B sont des cations, tandis que X représente un anion, qui se lie aux deux. Dans les composés de pérovskite, le cation A est nettement plus grand que le cation B. D'autres minéraux à structure de pérovskite sont la loparite et la bridgmanite.
Les pérovskites ont une structure cristalline unique et dans cette structure, différents éléments chimiques peuvent être combinés. En raison de la structure cristalline spéciale, les molécules de pérovskite peuvent présenter diverses propriétés précieuses, telles que la supraconductivité, la très haute magnétorésistance et/ou la ferroélectricité, qui rendent ces composés très intéressants pour les applications industrielles . En outre, un grand nombre d'éléments différents peuvent être combinés entre eux pour former des structures de pérovskite, ce qui permet de combiner, de modifier et d'intensifier certaines caractéristiques des matériaux. Les chercheurs, les scientifiques et les développeurs de procédés utilisent ces options pour concevoir et optimiser sélectivement les caractéristiques physiques, optiques et électriques de la pérovskite.
Leurs propriétés optoélectroniques font des pérovskites hybrides des candidats idéaux pour les applications de cellules solaires. Les cellules solaires pérovskites sont une technologie prometteuse, qui pourrait aider à produire de grandes quantités d'énergie propre et respectueuse de l'environnement.
Paramètres optoélectroniques critiques de la pérovskite monocristalline signalés dans la littérature :
τs = 28 ns τb = 300 ns PL
1,3-4,3 µm3 × 10dixMAPbI31,51 eV 820 nm67,2 (SCLC)
τs = 18 ns τB = 570 ns PL
1,8-10,0 µm1,4 × 10dixMAPbI3850 nm164 ± 25 Mobilité des trous (SCLC) 105 Mobilité des trous (Hall) 24 ± 6,8 électron SCLC
82 ± 5 µs TPV 95 ± 8 µs spectroscopie d'impédance (IS)9 × 109 p175 ± 25 µm3.6 × 10dix pour le trou 34,5 × 10dix pour electronMAPbI31.53 eV 784 nm34 Hall
8.8 × 1011 P
1,8 × 109 pour le trou 4,8 × 10dix pour electronMAPbBr31.53 eV 784 nm34 Hall
8.8 × 1011 P
1,8 × 109 pour le trou 4,8 × 10dix pour electronMAPbBr32.24 eV 537 nm4.36 Hall
3.87 × 1012 P
2.6 × 10dix pour trou 1,1 × 1011 pour l'électronMAPbCl32.24 eV 537 nm4.36 Hall
3.87 × 1012 P
2.6 × 10dix pour trou 1,1 × 1011 pour l'électronMAPbCl32.97 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 × 10dixFAPbI31,49 eV 870 nm40 ± 5 Mobilité des trous SCLC1,8 × 10-8
2.8 × 109
1.34 × 10dix
| Matériaux | Bande interdite ou début d'absorption | Mobilité [cm2 V-1 S-1] | Conductance [Ω-1 centimètres-1] | Durée de vie d'un porteur et méthode | Concentration et type de porteur [cm-3] (n ou p) | Longueur de diffusion | Densité du piège [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20-60 (Hall) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τB = 457 ns (PL) | 5 × 109 à 5 × 10dix P | 3-17 µm | 5.8 × 109 |