Perovszkit szintézise ultrahangos kezeléssel
Az ultrahanggal kiváltott és intenzifikált reakciók egyszerű, pontosan szabályozható és sokoldalú szintézismódszert kínálnak olyan fényaktivált anyagok előállítására, amelyek hagyományos technikákkal gyakran nem állíthatók elő.
A perovszkitkristályok ultrahangos kristályosítása és kicsapatása rendkívül hatékony és gazdaságos technika, amely lehetővé teszi perovszkit-nanokristályok ipari léptékű, tömeges előállítását.
Perovszkit-nanokristályok ultrahangos szintézise
A szerves–szervetlen ólom-halogenid perovszkitok kivételes optoelektronikai tulajdonságokat mutatnak, például nagy fényelnyelést, nagyon hosszú töltéshordozó-élettartamot, töltéshordozó-diffúziós hosszt és nagy töltéshordozó-mobilitást, így a perovszkitvegyületek kiemelkedő funkcionális anyagok a napelemekben, LED-ekben, fotodetektorokban, lézerekben stb. megvalósuló, nagy teljesítményű alkalmazásokhoz.
Az ultrahangos kezelés a különféle szerves reakciók gyorsításának egyik fizikai módszere. Az ultrahangos kezelés befolyásolja és szabályozza a kristályosodási folyamatot, ezáltal szabályozhatóvá teszi az egykristályos perovszkit-nanorészecskék méretjellemzőit.
TEM-felvételek a CH3NH3PbBr3 kvantumpontokról (a) ultrahangos kezeléssel és (b) ultrahangos kezelés nélkül.
UIP2000hdT nyomás alá helyezhető átfolyó cellás reaktorral
Esettanulmányok a perovszkit ultrahangos szintéziséről
A kutatások során a perovszkitkristályok ultrahanggal segített növesztésének számos változatát vizsgálták. A perovszkitkristályokat általában folyadékfázisú kristálynövesztési módszerrel állítják elő. A perovszkitkristályok kicsapatásához a célminták oldhatóságát lassan és szabályozottan csökkentik egy prekurzoroldatban. A perovszkit-nanokristályok ultrahangos kicsapatása főként az antiszolvenssel végzett hirtelen kicsapatáson alapul.
Perovszkit-nanokristályok ultrahangos kristályosítása
Jang és munkatársai (2016) ólom-halogenid perovszkit-nanokristályok sikeres, ultrahanggal segített szintéziséről számolnak be. Ultrahang alkalmazásával APbX3 perovszkit-nanokristályokat csapattak ki sokféle összetételben, ahol A = CH3NH3, Cs vagy HN=CHNH3 (formamidínium), X = Cl, Br vagy I. Az ultrahangos kezelés felgyorsítja a prekurzorok (AX és PbX2) toluolban történő oldódását, az oldódási sebesség pedig meghatározza a nanokristályok növekedési sebességét. Ezt követően a kutatócsoport nagy érzékenységű fotodetektorokat készített úgy, hogy az egyenletes méretű nanokristályokat forgatásos bevonatképzéssel homogénen vitték fel nagy felületű szilícium-oxid hordozókra.
A CH3NH3PbBr3 részecskeméret-eloszlásai (a) ultrahangos kezeléssel és (b) ultrahangos kezelés nélkül.
Chen és munkatársai, 2017
Perovszkit ultrahangos aszimmetrikus kristályosítása
Peng és munkatársai (2016) új növesztési módszert fejlesztettek ki, amely kavitáció által kiváltott aszimmetrikus kristályosításon (CTAC) alapul, és a magképződési gát leküzdéséhez elegendő energia biztosításával elősegíti a heterogén magképződést. Röviden: nagyon rövid ultrahangimpulzusokat (≈ 1sec) juttattak az oldatba, amikor az antiszolvens gőzének diffúziója révén alacsony túltelítettségi szintet ért el. Az ultrahangimpulzust magas túltelítettségi szinteken alkalmazzák, ahol a kavitáció túlzott mértékű magképződést, és ezáltal rengeteg apró kristály növekedését váltja ki. Ígéretes eredményként MAPbBr3 egykristályos filmek növekedtek különféle hordozók felületén a ciklikus ultrahangos kezelés néhány órája alatt.
Perovszkit-kvantumpontok ultrahangos szintézise
Chen és munkatársai (2017) kutatómunkájukban hatékony módszert mutatnak be perovszkit-kvantumpontok (QD-k) ultrahangos besugárzással történő előállítására. Az ultrahangos kezelést mechanikai módszerként alkalmazzák a perovszkit-kvantumpontok kicsapatásának gyorsítására. Az ultrahangos kezelés intenzifikálja és szabályozza a perovszkit-kvantumpontok kristályosodási folyamatát, ezáltal pontosan beállítható a nanokristályok mérete. A perovszkit-kvantumpontok szerkezetének, részecskeméretének és morfológiájának elemzése azt mutatta, hogy az ultrahangos kristályosítás kisebb részecskeméreteket és egyenletesebb részecskeméret-eloszlást eredményez. Az ultrahangos (= szonokémiai) szintézissel különböző kémiai összetételű perovszkit-kvantumpontokat is sikerült előállítani. A perovszkitkristályok ezen eltérő összetételei lehetővé tették a CH3NH3PbX3 (X = Cl, Br és I) emissziós csúcsainak és adszorpciós éleinek „unable” műveletét, ami rendkívül széles színtartományhoz vezetett.
Ultrahangos diszpergálás
A nanorészecske-szuszpenziók és tinták ultrahangos kezelése megbízható technika a homogén diszpergálásukra, mielőtt a nanoszuszpenziót hordozókra, például rácsokra vagy elektródokra viszik fel. (vö. Belchi és munkatársai, 2019; Pichler és munkatársai, 2018)
Az ultrahangos diszpergálás könnyen kezeli a magas szilárdanyag-koncentrációkat (pl. pasztákat), és különálló részecskékként oszlatja el a nanorészecskéket, így egyenletes szuszpenzió keletkezik. Ez biztosítja, hogy a későbbi alkalmazás során, amikor a hordozót bevonják, semmilyen összecsomósodás, például agglomerátumok jelenléte ne rontsa a bevonat teljesítményét.
Az ultrahangos diszpergálás egyenletes, nanoméretű részecskéket tartalmazó szuszpenziókat hoz létre: zöld görbe – ultrahangos kezelés előtt / piros görbe ultrahangos kezelés után
Ultrahangos processzorok perovszkit kicsapatásához
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos rendszereket tervez és gyárt kiváló minőségű perovszkitkristályok szonokémiai szintéziséhez. Piacvezetőként és az ultrahangos feldolgozás terén szerzett sokéves tapasztalatával a Hielscher Ultrasonics az első megvalósíthatósági vizsgálattól a folyamatoptimalizáláson át a nagyüzemi termeléshez használt ipari ultrahangos processzorok végleges telepítéséig támogatja ügyfeleit. A laboratóriumi és asztali ultrahangos készülékektől az ipari ultrahangos processzorokig terjedő teljes termékkínálatával a Hielscher az Ön nanokristály-előállítási folyamatához ideális készüléket tud ajánlani.
Minden Hielscher ultrahangos készülék pontosan szabályozható, és nagyon alacsonytól nagyon magas amplitúdóig állítható. Az amplitúdó az ultrahangos kezelési folyamatok hatását és roncsoló jellegét befolyásoló egyik fő tényező. A Hielscher Ultrasonics ultrahangos processzorai rendkívül széles amplitúdótartományt biztosítanak, amely a nagyon enyhe és kíméletes alkalmazásoktól a nagyon intenzív és roncsoló alkalmazásokig terjed. A megfelelő amplitúdóbeállítás, amplitúdóerősítő és szonotróda kiválasztásával beállítható az adott folyamathoz szükséges ultrahanghatás. A Hielscher speciális átfolyó cellás reaktorbetétje, az MPC48 – MultiPhaseCavitator (lásd a bal oldali képet) – lehetővé teszi a második fázis 48 kanülön keresztüli, „thin strain” formájában történő befecskendezését a kavitációs forrópontba, ahol a nagy teljesítményű ultrahanghullámok homogén keverékké diszpergálják a két fázist. A MultiPhaseCavitator ideális a kristálymagképződési pontok létrehozásának elindítására és a perovszkit-nanokristályok kicsapódási reakciójának szabályozására.
A Hielscher ipari ultrahangos processzorai rendkívül magas amplitúdókat képesek biztosítani. Akár 200µm amplitúdó mellett is könnyedén működtethetők folyamatosan, 24/7 üzemben. Még magasabb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre. A Hielscher ultrahangos berendezéseinek robusztussága nagy igénybevétel mellett és nehéz üzemi környezetben is lehetővé teszi a 24/7 üzemelést.
Ügyfeleink elégedettek a Hielscher Ultrasonics rendszereinek kiemelkedő robusztusságával és megbízhatóságával. A nagy igénybevételű alkalmazásokban, nehéz üzemi környezetben és 24/7 üzemben történő telepítés hatékony és gazdaságos feldolgozást biztosít. Az ultrahangos folyamatintenzifikálás csökkenti a feldolgozási időt és jobb eredményeket ér el, azaz jobb minőséget, nagyobb hozamokat és innovatív termékeket eredményez.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:
| Adagtérfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | nagyobb | készülékcsoport: UIP16000 |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!
Nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok a laboratóriumi léptéktől a kísérleti üzemi és az ipari léptékig.
Szakirodalom és hivatkozások
- 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.
Hasznos tudnivalók
Perovszkit
A perovszkit kifejezés a perovszkit ásványt (más néven kalcium-titán-oxidot vagy kalcium-titanátot, amelynek kémiai képlete CaTiO3) és egy meghatározott anyagszerkezetet is jelöl. Az elnevezésnek megfelelően a perovszkit ásvány perovszkitszerkezetű.
A perovszkitvegyületek köbös, tetragonális vagy ortorombos szerkezetben fordulhatnak elő, kémiai képletük ABX3. A és B kationok, míg X egy aniont jelöl, amely mindkettőhöz kötődik. A perovszkitvegyületekben az A kation lényegesen nagyobb, mint a B kation. További perovszkitszerkezetű ásványok a loparit és a bridgmanit.
A perovszkitok egyedülálló kristályszerkezettel rendelkeznek, amelyben különféle kémiai elemek kombinálhatók. A különleges kristályszerkezetnek köszönhetően a perovszkitmolekulák különféle értékes tulajdonságokat mutathatnak, például szupravezetést, nagyon nagy magnetorezisztenciát és/vagy ferroelektromosságot, amelyek e vegyületeket rendkívül érdekessé teszik az ipari alkalmazások számára. Ezenkívül számos különböző elem kombinálható perovszkitszerkezetek létrehozásához, ami lehetővé teszi bizonyos anyagjellemzők kombinálását, módosítását és fokozását. A kutatók, tudósok és folyamatfejlesztők ezeket a lehetőségeket használják a perovszkitok fizikai, optikai és elektromos jellemzőinek célzott tervezésére és optimalizálására.
Optoelektronikai tulajdonságaik a hibrid perovszkitokat ideális jelöltekké teszik napelemes alkalmazásokhoz, a perovszkit-napelemek pedig ígéretes technológiát képviselnek, amely segíthet nagy mennyiségű tiszta, környezetbarát energia előállításában.
Az egykristályos perovszkit szakirodalomban közölt alapvető optoelektronikai paraméterei:
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 Lyukmobilitás (SCLC) 105 Lyukmobilitás (Hall) 24 ± 6,8 elektron SCLC
82 ± 5 µs TPV 95 ± 8 µs impedanciaspektroszkópia (IS)9 × 109 p175 ± 25 µm3.6 × 1010 lyukak esetén 34,5 × 1010 elektronok eseténMAPbI31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 lyukak esetén 4,8 × 1010 elektronok eseténMAPbBr31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 lyukak esetén 4,8 × 1010 elektronok eseténMAPbBr32,24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 lyukak esetén 1,1 × 1011 elektronok eseténMAPbCl32,24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 lyukak esetén 1,1 × 1011 elektronok eseténMAPbCl32,97 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 Lyukmobilitás SCLC1.8 × 10-8
2,8 × 109
1,34 × 1010
| Anyagok | Tiltott sáv szélessége vagy abszorpciós küszöb | Mobilitás [cm2 V-1 s-1] | Konduktancia [Ω-1 cm-1] | Töltéshordozó-élettartam és mérési módszer | Töltéshordozó-koncentráció és -típus [cm-3] (n vagy p) | Diffúziós hossz | Csapdasűrűség [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (Hall) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 értéktől 5 × 1010 értékig p | 3–17 µm | 5,8 × 109 |