Sinteza perovskita ultrazvukom
Ultrazvučno inducirane i pojačane reakcije nude laku, precizno kontroliranu i svestranu metodu sinteze za proizvodnju svjetlosno aktiviranih materijala, koji se često ne mogu pripremiti konvencionalnim tehnikama.
Ultrazvučna kristalizacija i taloženje perovskitnih kristala vrlo je učinkovita i ekonomična tehnika, koja omogućuje proizvodnju nanokristala perovskita u industrijskim razmjerima za masovnu proizvodnju.
Ultrazvučna sinteza nanokristala perovskita
Organsko-anorganski olovni halid perovskiti pokazuju iznimna optoelektronička svojstva kao što su visoka apsorpcija svjetla, vrlo dug životni vijek nosača, duljina difuzije nosača i visoka pokretljivost nositelja, što spojeve perovskita čini vrhunskim funkcionalnim materijalom za primjene visokih performansi u solarnim panelima, LED diodama , fotodetektori, laseri itd.
Ultrasonication je jedna od fizikalnih metoda za ubrzavanje raznih organskih reakcija. Proces kristalizacije je pod utjecajem i kontrolom ultrazvučne obrade, što rezultira kontroliranim svojstvima veličine jednokristalnih perovskitnih nanočestica.
TEM slike za CH3nH3PbBr3 QD (a) s i (b) bez ultrazvučnog tretmana.
UIP2000hdT s reaktorom protočne ćelije pod pritiskom
Studije slučaja ultrazvučne sinteze perovskita
Istraživanje je provelo mnogo vrsta ultrazvučno potpomognutog rasta kristala perovskita. Općenito, kristali perovskita se pripremaju metodom rasta tekućine. Kako bi se istaložili kristali perovskita, topljivost ciljanih uzoraka se polako i kontrolirano smanjuje u otopini prekursora. Ultrazvučno taloženje nano kristala perovskita uglavnom se temelji na gašenju antiotapalom.
Ultrazvučna kristalizacija nanokristala perovskita
Jang i sur. (2016) izvješćuju o uspješnoj ultrazvučno potpomognutoj sintezi nanokristala perovskita olovnog halida. Korištenje ultrazvuka, APbX3 nanokristali perovskita sa širokim rasponom sastava, gdje je A = CH3nH3, Cs ili HN=CHNH3 (formamidinij), i X = Cl, Br ili I, su precipitirani. Ultrasonication ubrzava proces otapanja prekursora (AX i PbX2) u toluenu, a brzina otapanja određuje brzinu rasta nanokristala. Nakon toga, istraživački tim proizveo je fotodetektore visoke osjetljivosti homogenim centrifugiranjem nanokristala jednake veličine na podloge od silicij oksida velike površine.
Raspodjela veličine čestica CH3NH3PbBr3 (a) s i (b) bez ultrazvučnog tretmana.
Chen i sur. 2017
Ultrazvučna asimetrična kristalizacija perovskita
Peng i sur. (2016) razvili su novu metodu rasta temeljenu na asimetričnoj kristalizaciji izazvanoj kavitacijom (CTAC), koja potiče heterogenu nukleaciju osiguravajući dovoljno energije za prevladavanje nukleacijske barijere. Ukratko, uveli su vrlo kratke ultrazvučne impulse (≈ 1 sekunda) u otopinu kada je dosegla nisku razinu prezasićenja s difuzijom para otapala. Ultrazvučni puls se uvodi pri visokim razinama prezasićenja, gdje kavitacija izaziva prekomjerne događaje nukleacije i stoga rast mnoštva sićušnih kristala. Obećavajuće, MAPbBr3 monokristalni filmovi rasli su na površini različitih supstrata unutar nekoliko sati od cikličkog tretmana ultrazvukom.
Ultrazvučna sinteza perovskitnih kvantnih točaka
Chen i sur. (2017) u svom istraživačkom radu predstavljaju učinkovitu metodu za pripremu perovskitnih kvantnih točaka (QD) pod ultrazvučnim zračenjem. Ultrazvučna obrada se koristi kao mehanička metoda kako bi se ubrzalo taloženje perovskitnih kvantnih točaka. Proces kristalizacije perovskitnih kvantnih točaka pojačan je i kontroliran ultrazvučnom obradom, što rezultira precizno prilagođenom veličinom nanokristala. Analiza strukture, veličine čestica i morfologije perovskitnih kvantnih točaka pokazala je da ultrazvučna kristalizacija daje manje veličine čestica i ujednačeniju distribuciju veličine čestica. Koristeći ultrazvučnu (= sonokemijsku) sintezu, također je bilo moguće proizvesti perovskitne kvantne točke s različitim kemijskim sastavima. Ti različiti sastavi u kristalima perovskita dopustili su nemogućnost vrhova emisije i rubova adsorpcije CH3nH3PbX3 (X = Cl, Br i I), što je dovelo do iznimno široke palete boja.
Ultrazvučna disperzija
Ultrazvučna obrada suspenzija nano čestica i tinti je pouzdana tehnika za njihovo homogeno raspršivanje prije nanošenja nano suspenzije na podloge kao što su rešetke ili elektrode. (usp. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ultrazvučna disperzija lako se nosi s visokim koncentracijama čvrstih tvari (npr. paste) i raspodjeljuje nanočestice u pojedinačne raspršene čestice tako da se proizvodi jednolika suspenzija. Ovo osigurava da u kasnijoj primjeni, kada je supstrat premazan, nema nakupljanja kao što su aglomerati koji bi umanjili učinak premaza.
Ultrazvučna disperzija priprema uniformne suspenzije nano veličine: zelena krivulja – prije sonikacije / crvena krivulja nakon sonikacije
Ultrazvučni procesori za taloženje perovskita
Hielscher Ultrasonics dizajnira i proizvodi ultrazvučne sustave visokih performansi za sonokemijsku sintezu visokokvalitetnih kristala perovskita. Kao lider na tržištu i s dugogodišnjim iskustvom u ultrazvučnoj obradi, Hielscher Ultrasonics pomaže svojim klijentima od prvog testa izvedivosti do optimizacije procesa do konačne instalacije industrijskih ultrazvučnih procesora za proizvodnju velikih razmjera. Nudeći cijeli portfelj od laboratorijskih i stolnih ultrazvučnih uređaja do industrijskih ultrazvučnih procesora, Hielscher vam može preporučiti idealan uređaj za vaš nanokristalni proces.
Svi Hielscher ultrazvučni uređaji se mogu precizno kontrolirati i mogu se podesiti od vrlo niske do vrlo visoke amplitude. Amplituda je jedan od glavnih čimbenika koji utječu na učinak i destruktivnost procesa sonikacije. Hielscher ultrazvuk’ ultrazvučni procesori isporučuju vrlo širok spektar amplituda koji pokrivaju raspon od vrlo blagih i mekih do vrlo intenzivnih i destruktivnih primjena. Odabir prave postavke amplitude, pojačivača i sonotrode omogućuje postavljanje potrebnog ultrazvučnog utjecaja za vaš specifični proces. Hielscherov poseban umetak reaktora s protočnim ćelijama MPC48 – MultiPhaseCavitator (vidi sliku lijevo) – omogućuje ubrizgavanje druge faze putem 48 kanila kao tankog naprezanja u kavitacijsku vruću točku, gdje visokoučinkoviti ultrazvučni valovi raspršuju dvije faze u homogenu smjesu. MultiPhaseCavitator idealan je za pokretanje točaka zasijavanja kristala i kontrolu reakcije taloženja nanokristala perovskita.
Hielscher industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti izvanredno visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad pri teškim uvjetima rada iu zahtjevnim okruženjima.
Naši kupci su zadovoljni izvanrednom robusnošću i pouzdanošću Hielscher Ultrasonic sustava. Instalacija u područjima teške primjene, zahtjevna okruženja i rad 24/7 osiguravaju učinkovitu i ekonomičnu obradu. Intenziviranjem ultrazvučnog procesa skraćuje se vrijeme obrade i postižu bolji rezultati, tj. veća kvaliteta, veći prinosi, inovativni proizvodi.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0.5 do 1,5 ml | na | VialTweeter |
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni homogenizatori velike snage od laboratorija do pilot i industrijsko mjerilo.
Literatura/Reference
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
perovskit
Perovskit je pojam koji opisuje mineral perovskit (također poznat kao kalcijev titanijev oksid ili kalcijev titanat, kemijska formula CaTiO3) kao i specifična struktura materijala. U skladu s istim nazivom, mineral perovskit ima perovskitnu strukturu.
Perovskitni spojevi mogu se pojaviti u kubičnoj, tetragonalnoj ili ortorombičnoj strukturi i imaju kemijsku formulu ABX3. A i B su kationi, dok X predstavlja anion koji se veže na oba. U perovskitnim spojevima A kation je znatno veći od B kationa. Drugi minerali sa strukturom perovskita su loparit i bridgmanit.
Perovskiti imaju jedinstvenu kristalnu strukturu iu toj strukturi se mogu kombinirati različiti kemijski elementi. Zbog posebne kristalne strukture, molekule perovskita mogu pokazivati različita vrijedna svojstva, poput supravodljivosti, vrlo visokog magnetskog otpora i/ili feroelektriciteta, što te spojeve čini vrlo zanimljivim za industrijsku primjenu. Nadalje, veliki broj različitih elemenata može se kombinirati zajedno da formiraju perovskitne strukture, što omogućuje kombiniranje, modificiranje i intenziviranje određenih karakteristika materijala. Istraživači, znanstvenici i razvijači procesa koriste te opcije za selektivno dizajniranje i optimizaciju fizičkih, optičkih i električnih karakteristika perovskita.
Njihova optoelektronička svojstva čine hibridne perovskite idealnim kandidatima za primjenu solarnih ćelija, a perovskitne solarne ćelije su obećavajuća tehnologija koja bi mogla pomoći u proizvodnji velikih količina čiste, ekološki prihvatljive energije.
Kritični optoelektronički parametri monokristalnog perovskita navedeni u literaturi:
τs = 28 ns τb = 300 ns PL
1,3–4,3 µm3 × 1010MAPbI31,51 eV 820 nm 67,2 (SCLC)
τs = 18 ns τb = 570 ns PL
1,8–10,0 µm1,4 × 1010MAPbI3850 nm164 ± 25 Pokretljivost šupljina (SCLC) 105 Pokretljivost šupljina (Hall) 24 ± 6,8 elektrona SCLC
82 ± 5 µs TPV 95 ± 8 µs spektroskopija impedancije (IS)9 × 109 p175 ± 25 µm3,6 × 1010 za rupu 34,5 × 1010 za elektronMAPbI31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 str
1,8 × 109 za rupu 4,8 × 1010 za elektronMAPbBr31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 str
1,8 × 109 za rupu 4,8 × 1010 za elektronMAPbBr32.24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 str
2,6 × 1010 za rupu 1,1 × 1011 za elektronMAPbCl32.24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 str
2,6 × 1010 za rupu 1,1 × 1011 za elektronMAPbCl32,97 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 Pokretljivost rupa SCLC1,8 × 10-8
2,8 × 109
1,34 × 1010
| Materijali | Početak jaza ili apsorpcije | Pokretljivost [cm2 V-1 s-1] | Vodljivost [Ω-1 cm-1] | Životni vijek nosača i metoda | Koncentracija i vrsta nositelja [cm-3] (n ili p) | Difuzijska duljina | Gustoća zamke [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (dvorana) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 do 5 × 1010 str | 3–17 µm | 5,8 × 109 |