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 ne peuvent souvent pas être préparés par des techniques conventionnelles.
La cristallisation et la précipitation ultrasoniques des cristaux de pérovskite est une technique très efficace et économique qui permet de produire des nanocristaux de pérovskite à l'échelle industrielle pour une production de masse.
Synthèse ultrasonique de nanocristaux de pérovskite
Les pérovskites d'halogénure de plomb organiques-inorganiques 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 mobilité élevée des porteurs, ce qui fait des composés pérovskites un matériau fonctionnel supérieur pour des applications à haute performance dans les panneaux solaires, les DEL, les photodétecteurs, les lasers, etc.
Les ultrasons sont 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 permet de contrôler les propriétés de taille des nanoparticules de pérovskite monocristallines.
Images TEM pour CH3nH3PbBr3 QDs (a) avec et (b) sans traitement ultrasonique.
UIP2000hdT avec réacteur cellulaire pressurisable
Études de cas sur la synthèse de pérovskites par ultrasons
La recherche a mené de nombreux types de croissance de cristaux de pérovskite assistée par ultrasons. En général, les cristaux de pérovskite sont préparés par la méthode de croissance liquide. Pour 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 anti-solvant.
Cristallisation ultrasonique de nanocristaux de pérovskite
Jang et al. (2016) rapportent la réussite de la synthèse assistée par ultrasons de nanocristaux de pérovskite d'halogénure de plomb. En utilisant des ultrasons, les nanocristaux d'APbX3 de 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 le taux de dissolution détermine le taux de croissance des nanocristaux. L'équipe de recherche a ensuite fabriqué des photodétecteurs à haute sensibilité en appliquant par centrifugation homogène des nanocristaux de taille uniforme sur des substrats d'oxyde de silicium de grande surface.
Distributions de la taille des particules de CH3NH3PbBr3 (a) avec et (b) sans traitement ultrasonique.
Chen et al. 2017
Cristallisation asymétrique ultrasonique de la pérovskite
Peng et al. (2016) ont développé une nouvelle méthode de croissance basée sur une cristallisation asymétrique déclenchée par la cavitation (CTAC), qui favorise la nucléation hétérogène en fournissant suffisamment d'énergie pour surmonter la barrière de nucléation. En bref, ils ont introduit une impulsion ultrasonique très courte (≈ 1sec) dans la solution lorsqu'elle a atteint un faible niveau de sursaturation avec une diffusion de vapeur d'antisolvant. L'impulsion ultrasonique 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 petits cristaux. De manière prometteuse, le MAPbBr3 Des films monocristallins se sont développés à la surface de divers substrats dans les heures qui ont suivi le traitement cyclique par ultrasons.
Synthèse ultrasonique de points quantiques de pérovskite
Chen et al. (2017) présentent dans leurs travaux de recherche une méthode efficace pour préparer des points quantiques de pérovskite (QDs) sous irradiation ultrasonique. L'ultrasonication est utilisée 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'adapter précisément la taille des nanocristaux. L'analyse de la structure, de la taille des particules et de la morphologie des points quantiques de pérovskite a montré que la cristallisation ultrasonique permet d'obtenir des particules plus petites et une distribution plus uniforme de la taille des particules. La synthèse ultrasonique (= sonochimique) a également permis de produire des points quantiques de pérovskite avec différentes compositions chimiques. Ces différentes compositions dans les cristaux de pérovskite ont permis de rendre impossibles les pics d'émission et les bords d'adsorption de CH3nH3PbX3 (X = Cl, Br et I), ce qui a permis d'obtenir une gamme de couleurs extrêmement large.
Dispersion ultrasonique
L'ultrasonication 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 par ultrasons permet de traiter facilement des concentrations solides élevées (par exemple, les pâtes) et de distribuer les nanoparticules en particules uniques dispersées de manière à produire une suspension uniforme. Cela garantit que lors de l'application ultérieure, lorsque le substrat est recouvert, aucun amas tel que des agglomérats n'entrave la performance du revêtement.
La dispersion ultrasonique prépare des suspensions uniformes de taille nanométrique : courbe verte – avant sonication / courbe rouge après sonication
Processeurs ultrasoniques pour la précipitation de la 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 fort d'une longue expérience dans le domaine du traitement par ultrasons, Hielscher Ultrasonics assiste ses clients depuis le premier test de faisabilité jusqu'à l'installation finale de processeurs industriels à ultrasons pour la production à grande échelle, en passant par l'optimisation du processus. Offrant une gamme complète d'appareils à ultrasons de laboratoire et de paillasse jusqu'aux processeurs industriels à ultrasons, Hielscher peut vous recommander l'appareil idéal pour votre processus de nanocristaux.
Tous les appareils à ultrasons Hielscher sont contrôlables avec précision et peuvent être réglés de très faibles à très fortes amplitudes. L'amplitude est l'un des principaux facteurs qui influencent l'impact et le pouvoir destructeur des processus de sonification. Hielscher Ultrasons’ Les processeurs à ultrasons offrent un très large spectre d'amplitudes couvrant la gamme des applications très douces et légères jusqu'aux applications très intenses et destructrices. En choisissant le bon réglage d'amplitude, le bon booster et la bonne sonotrode, il est possible de définir l'impact ultrasonique requis pour votre processus spécifique. Réacteur à cellule d'écoulement spécial de Hielscher MPC48 – Cavitateur multiphase (voir image de gauche) – Le MultiPhaseCavitator permet d'injecter la seconde phase via 48 canules sous la forme d'une fine couche dans le point chaud de la cavitation, où des ondes ultrasonores très performantes dispersent les deux phases en un mélange homogène. Le MultiPhaseCavitator est idéal pour initier des points d'ensemencement de cristaux et pour contrôler la réaction de précipitation des nanocristaux de pérovskite.
Les processeurs ultrasoniques industriels Hielscher peuvent fournir des amplitudes extraordinairement élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 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 conditions difficiles.
Nos clients sont satisfaits de la robustesse et de la fiabilité exceptionnelles des systèmes Hielscher Ultrasonic. L'installation dans des domaines d'application lourds, 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 ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Dispositifs recommandés |
|---|---|---|
| 00,5 à 1,5 ml | n.d. | VialTweeter |
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 à 20L | 0.2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
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Homogénéisateurs ultrasoniques 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
Pérovskite
La pérovskite est un terme qui décrit le minéral pérovskite (également 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. Conformément au même nom, le minéral pérovskite présente la structure pérovskite.
Les composés pérovskites peuvent se présenter sous la forme d'une 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. La loparite et la bridgmanite sont d'autres minéraux présentant une structure de pérovskite.
Les pérovskites ont une structure cristalline unique dans laquelle divers éléments chimiques peuvent être combinés. Grâce à cette structure cristalline particulière, les molécules de pérovskite peuvent présenter diverses propriétés intéressantes, telles que la supraconductivité, une magnétorésistance très élevée et/ou la ferroélectricité, ce qui rend ces composés très intéressants pour les applications industrielles. En outre, un grand nombre d'éléments différents peuvent être combinés 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 processus utilisent ces options pour concevoir et optimiser de manière sélective les caractéristiques physiques, optiques et électriques des pérovskites.
Leurs propriétés optoélectroniques font des pérovskites hybrides des candidats idéaux pour les applications de cellules solaires. Les cellules solaires à pérovskite sont une technologie prometteuse qui pourrait contribuer à produire de grandes quantités d'énergie propre et respectueuse de l'environnement.
Paramètres optoélectroniques critiques de la pérovskite monocristalline rapportés dans la littérature :
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 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 × 1010 pour le trou 34,5 × 1010 pour l'électronMAPbI31,53 eV 784 nm34 Hall
8.8 × 1011 p
1,8 × 109 pour le trou 4,8 × 1010 pour l'électronMAPbBr31,53 eV 784 nm34 Hall
8.8 × 1011 p
1,8 × 109 pour le trou 4,8 × 1010 pour l'électronMAPbBr32,24 eV 537 nm4,36 Hall
3.87 × 1012 p
2.6 × 1010 pour trou 1,1 × 1011 pour l'électronMAPbCl32,24 eV 537 nm4,36 Hall
3.87 × 1012 p
2.6 × 1010 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 × 1010FAPbI31,49 eV 870 nm40 ± 5 Mobilité des trous SCLC1,8 × 10-8
2.8 × 109
1.34 × 1010
| Matériaux | Début de la bande interdite ou de l'absorption | Mobilité [cm2 V-1 s-1] | Conductance [Ω-1 cm-1] | Durée de vie du transporteur et méthode | Concentration et type de transporteur [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 × 1010 p | 3-17 µm | 5.8 × 109 |