პეროვსკიტის სინთეზი ულტრაბგერითი დამუშავებით
ულტრაბგერითი ინდუცირებული და გაძლიერებული რეაქციები გთავაზობთ მარტივ, ზუსტად მართვად და მრავალფეროვან სინთეზის მეთოდს სინათლით აქტივირებადი მასალების წარმოებისთვის, რომლებიც ხშირად ვერ მზადდება კონვენციური ტექნიკებით.
პეროვსკიტის კრისტალების ულტრაბგერითი კრისტალიზაცია და დალექვა მაღალეფექტური და ეკონომიური ტექნიკაა, რომელიც საშუალებას გვაძლევს მივიღოთ პეროვსკიტის ნანოკრისტალები სამრეწველო მასშტაბით, მასობრივი წარმოებისთვის.
პეროვსკიტის ნანოკრისტალების ულტრაბგერითი სინთეზი
ორგანულ–არაორგანული ტყვიის ჰალიდური პეროვსკიტები ავლენენ გამორჩეულ ოპტოელექტრონულ თვისებებს, როგორიცაა სინათლის მაღალი შთანთქმა, მუხტის მატარებლების ძალიან ხანგრძლივი სიცოცხლის დრო, მუხტის მატარებლების დიფუზიის სიგრძე და მუხტის მატარებლების მაღალი ძვრადობა, რაც პეროვსკიტის ნაერთებს აქცევს შესანიშნავ ფუნქციურ მასალად მაღალი წარმადობის მზის პანელებში, LED-ებში, ფოტოდეტექტორებში, ლაზერებში და სხვა მოწყობილობებში გამოსაყენებლად.
ულტრაბგერითი დამუშავება არის ერთ-ერთი ფიზიკური მეთოდი სხვადასხვა ორგანული რეაქციების დასაჩქარებლად. კრისტალიზაციის პროცესზე გავლენას ახდენს და მას მართავს ულტრაბგერითი დამუშავება, რაც იწვევს ერთკრისტალური პეროვსკიტის ნანონაწილაკების ზომის თვისებების მართვადობას.
TEM სურათები CH3NH3PbBr3 QD-ებისთვის (a) ულტრაბგერითი დამუშავებით და (b) ულტრაბგერითი დამუშავების გარეშე.
UIP2000hdT გამტარი უჯრედის რეაქტორით, რომელშიც შესაძლებელია წნევის შექმნა
ულტრაბგერითი პეროვსკიტის სინთეზის კვლევითი მაგალითები
კვლევებში შესწავლილია ულტრაბგერის დახმარებით პეროვსკიტის კრისტალების ზრდის მრავალი ვარიანტი. ზოგადად, პეროვსკიტის კრისტალები მიიღება თხევადი ფაზიდან ზრდის მეთოდით. პეროვსკიტის კრისტალების დასალექად პრეკურსორის ხსნარში სამიზნე ნიმუშების ხსნადობას ნელა და კონტროლირებადად ამცირებენ. პეროვსკიტის ნანოკრისტალების ულტრაბგერითი დალექვა ძირითადად ეფუძნება ანტიგამხსნელის გამოყენებით ხსნადობის მკვეთრ შემცირებას.
პეროვსკიტის ნანოკრისტალების ულტრაბგერითი კრისტალიზაცია
Jang et al. (2016) აცნობებენ ტყვიის ჰალიდური პეროვსკიტის ნანოკრისტალების წარმატებული ულტრაბგერითი დახმარებით სინთეზის შესახებ. ულტრაბგერის გამოყენებით, APbX3 პეროვსკიტის ნანოკრისტალები ფართო დიაპაზონის შემადგენლობით, სადაც A = CH3NH3, Cs, ან HN=CHNH3 (ფორმამიდინიუმი), და X = Cl, Br, ან I, მიღებულ იქნა ნალექის სახით. ულტრაბგერითი დამუშავება აჩქარებს პრეკურსორების (AX და PbX2) გახსნის პროცესს ტოლუოლში, და გახსნის სიჩქარე განსაზღვრავს ნანოკრისტალების ზრდის სიჩქარეს. შემდგომში, სამეცნიერო ჯგუფმა შექმნა მაღალი მგრძნობელობის ფოტოდეტექტორები ერთნაირი ზომის ნანოკრისტალების ჰომოგენური სპინ-დაფარვით დიდი ფართობის სილიციუმის ოქსიდის სუბსტრატებზე.
CH3NH3PbBr3 ნაწილაკების ზომის განაწილება (a) ულტრაბგერითი დამუშავებით და (b) ულტრაბგერითი დამუშავების გარეშე.
Chen et al. 2017
პეროვსკიტის ულტრაბგერითი ასიმეტრიული კრისტალიზაცია
Peng et al. (2016) შეიმუშავეს ზრდის ახალი მეთოდი, რომელიც ეფუძნება კავიტაციით გამოწვეულ ასიმეტრიულ კრისტალიზაციას (CTAC). ეს მეთოდი ხელს უწყობს კრისტალიზაციის ჩანასახების ჰეტეროგენურ წარმოქმნას, რადგან უზრუნველყოფს ჩანასახების წარმოქმნის ბარიერის დასაძლევად საკმარის ენერგიას. მოკლედ, მათ ხსნარზე იმოქმედეს ძალიან მოკლე ულტრაბგერითი იმპულსებით (≈ 1წმ), როდესაც ანტიგამხსნელის ორთქლის დიფუზიის შედეგად ხსნარმა ზეგაჯერების დაბალ დონეს მიაღწია. ულტრაბგერითი იმპულსი გამოიყენება ზეგაჯერების მაღალ დონეებზეც, სადაც კავიტაცია იწვევს კრისტალიზაციის ჩანასახების ჭარბ წარმოქმნას და, შესაბამისად, მრავალი წვრილი კრისტალის ზრდას. იმედისმომცემი შედეგია ის, რომ MAPbBr3 ერთკრისტალური ფირები გაიზარდა სხვადასხვა სუბსტრატების ზედაპირზე ციკლური ულტრაბგერითი დამუშავების რამდენიმე საათის განმავლობაში.
პეროვსკიტის კვანტური წერტილების ულტრაბგერითი სინთეზი
Chen et al. (2017) თავიანთ სამეცნიერო ნაშრომში წარმოადგენენ ულტრაბგერითი დასხივებით პეროვსკიტის კვანტური წერტილების (QDs) მიღების ეფექტურ მეთოდს. ულტრაბგერითი დამუშავება გამოიყენება როგორც მექანიკური მეთოდი პეროვსკიტის კვანტური წერტილების დალექვის დასაჩქარებლად. პეროვსკიტის კვანტური წერტილების კრისტალიზაციის პროცესი ინტენსიურდება და კონტროლდება ულტრაბგერითი დამუშავებით, რის შედეგადაც მიიღება ზუსტად მორგებული ზომის ნანოკრისტალები. პეროვსკიტის კვანტური წერტილების სტრუქტურის, ნაწილაკების ზომისა და მორფოლოგიის ანალიზმა აჩვენა, რომ ულტრაბგერითი კრისტალიზაციით მიიღება უფრო მცირე ზომის ნაწილაკები და ნაწილაკების ზომების უფრო ერთგვაროვანი განაწილება. ულტრაბგერითი (= სონოქიმიური) სინთეზის გამოყენებით ასევე შესაძლებელი გახდა სხვადასხვა ქიმიური შემადგენლობის პეროვსკიტის კვანტური წერტილების წარმოება. პეროვსკიტის კრისტალების ეს განსხვავებული შემადგენლობები საშუალებას იძლევა შეიცვალოს CH3NH3PbX3 (X = Cl, Br და I) გამოსხივების პიკები და შთანთქმის კიდეები, რამაც გამოიწვია უკიდურესად ფართო ფერთა სპექტრი.
ულტრაბგერითი დისპერგირება
ნანონაწილაკების სუსპენზიებისა და მელნების ულტრაბგერითი დამუშავება არის საიმედო ტექნიკა მათი ერთგვაროვნად დისპერგირებისთვის სუსპენზიის სუბსტრატებზე (მაგალითად, ბადეებზე ან ელექტროდებზე) დატანამდე. (იხ. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
ულტრაბგერითი დისპერგირება ეფექტურია მყარი ფაზის მაღალი კონცენტრაციის შემთხვევაშიც (მაგალითად, პასტებში) და ნანონაწილაკებს ცალკეულ ნაწილაკებად ანაწილებს ისე, რომ მიიღება ერთგვაროვანი სუსპენზია. ეს უზრუნველყოფს, რომ შემდგომი გამოყენებისას, სუბსტრატზე საფარის დატანის დროს, ნაწილაკების შეჯგუფებამ, მაგალითად, აგლომერატების წარმოქმნამ, საფარის ეფექტურობა არ შეამციროს.
ულტრაბგერითი დისპერგირება ამზადებს ერთგვაროვან ნანოზომიერ სუსპენზიებს: მწვანე მრუდი – ულტრაბგერითი დამუშავების წინ / წითელი მრუდი ულტრაბგერითი დამუშავების შემდეგ
ულტრაბგერითი პროცესორები პეროვსკიტის დალექვისთვის
Hielscher Ultrasonics აპროექტებს და აწარმოებს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერით სისტემებს მაღალი ხარისხის პეროვსკიტის კრისტალების სონოქიმიური სინთეზისთვის. როგორც ბაზრის ლიდერი, რომელსაც ულტრაბგერითი დამუშავების სფეროში ხანგრძლივი გამოცდილება აქვს, Hielscher Ultrasonics ეხმარება თავის კლიენტებს ტექნიკური განხორციელებადობის პირველი გამოცდიდან პროცესის ოპტიმიზაციამდე და ფართომასშტაბიანი წარმოებისთვის სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორების საბოლოო მონტაჟამდე. ლაბორატორიული და მაგიდაზე დასადგმელი ულტრაბგერითი მოწყობილობებიდან სამრეწველო ულტრაბგერით პროცესორებამდე სრული ასორტიმენტის შეთავაზებით, Hielscher-ს შეუძლია გირჩიოთ იდეალური მოწყობილობა ნანოკრისტალების მიღების თქვენი პროცესისთვის.
Hielscher-ის ყველა ულტრაბგერითი მოწყობილობა ზუსტად მართვადია და მათი ამპლიტუდა შეიძლება დარეგულირდეს ძალიან დაბლიდან ძალიან მაღალ მნიშვნელობებამდე. ამპლიტუდა ერთ-ერთი მთავარი ფაქტორია, რომელიც გავლენას ახდენს ულტრაბგერითი დამუშავების პროცესების ზემოქმედებასა და დამშლელ მოქმედებაზე. Hielscher Ultrasonics-ის ულტრაბგერითი პროცესორები უზრუნველყოფენ ამპლიტუდების ძალიან ფართო დიაპაზონს როგორც ძალიან მსუბუქი და რბილი, ისე ძალიან ინტენსიური და დამშლელი ზემოქმედების საჭიროებისას. ამპლიტუდის სათანადო პარამეტრის, ბუსტერისა და სონოტროდის შერჩევა საშუალებას გაძლევთ დააყენოთ თქვენი კონკრეტული პროცესისთვის საჭირო ულტრაბგერითი ზემოქმედება. Hielscher-ის გამტარი უჯრედის რეაქტორის სპეციალური ჩასადგმელი ელემენტი MPC48 – MultiPhaseCavitator (იხ. სურათი მარცხნივ) – საშუალებას იძლევა, მეორე ფაზა 48 კანულის მეშვეობით წვრილი ნაკადის სახით შევიყვანოთ კავიტაციის აქტიურ ზონაში, სადაც მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი ტალღები ორ ფაზას ერთგვაროვან ნარევად დისპერგირებს. MultiPhaseCavitator იდეალურია კრისტალიზაციის ჩანასახების წარმოქმნის დასაწყებად და პეროვსკიტის ნანოკრისტალების დალექვის რეაქციის სამართავად.
Hielscher-ის სამრეწველო ულტრაბგერით პროცესორებს შეუძლიათ უზრუნველყონ უკიდურესად მაღალი ამპლიტუდები. 200µm-მდე ამპლიტუდით უწყვეტი მუშაობა მარტივად შესაძლებელია 24/7 რეჟიმში. კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია ინდივიდუალურად დამზადებული ულტრაბგერითი სონოტროდები. Hielscher-ის ულტრაბგერითი აღჭურვილობის გამძლეობა იძლევა მძიმე დატვირთვითა და რთულ გარემო პირობებში 24/7 რეჟიმში მუშაობის საშუალებას.
ჩვენი მომხმარებლები კმაყოფილი არიან Hielscher Ultrasonics-ის სისტემების გამორჩეული გამძლეობითა და სანდოობით. მძიმე დატვირთვის პირობებში, რთულ გარემოში და 24/7 რეჟიმში მუშაობისთვის ამ სისტემების გამოყენება უზრუნველყოფს ეფექტურ და ეკონომიურ დამუშავებას. ულტრაბგერითი პროცესის ინტენსიფიკაცია ამცირებს დამუშავების დროს და უზრუნველყოფს უკეთეს შედეგებს, ანუ უფრო მაღალ ხარისხს, უფრო მაღალ გამოსავლიანობას და ინოვაციურ პროდუქტებს.
ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაძლევთ წარმოდგენას ჩვენი ულტრაბგერითი დამუშავების მოწყობილობების მიახლოებითი დამუშავების სიმძლავრის შესახებ:
| პარტიის მოცულობა | მოცულობითი ხარჯი | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 0,5-დან 1,5mL-მდე | n.a. | VialTweeter |
| 1-დან 500mL-მდე | 10-დან 200mL/min-მდე | UP100H |
| 10-დან 2000mL-მდე | 20-დან 400mL/min-მდე | UP200Ht, UP400St |
| 0,1-დან 20L-მდე | 0,2-დან 4L/min-მდე | UIP2000hdT |
| 10-დან 100L-მდე | 2-დან 10L/min-მდე | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-დან 100L/min-მდე | UIP16000 |
| n.a. | უფრო დიდი | კლასტერი UIP16000 |
დაგვიკავშირდით! / დაგვისვით კითხვა!
მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები ლაბორატორიული დან საპილოტო და სამრეწველო მასშტაბის.
ლიტერატურა/წყაროები
- 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.
ფაქტები, რომელთა ცოდნაც ღირს
პეროვსკიტი
პეროვსკიტი არის ტერმინი, რომელიც აღწერს მინერალ პეროვსკიტს (ასევე ცნობილი, როგორც კალციუმის ტიტანის ოქსიდი ან კალციუმის ტიტანატი, ქიმიური ფორმულა CaTiO3) და ასევე მასალის კონკრეტულ სტრუქტურას. სახელწოდების შესაბამისად, მინერალ პეროვსკიტს აქვს პეროვსკიტის სტრუქტურა.
პეროვსკიტის ნაერთები შეიძლება არსებობდეს კუბურ, ტეტრაგონალურ ან ორთორომბულ სტრუქტურაში და აქვთ ქიმიური ფორმულა ABX3. A და B კატიონებია, ხოლო X წარმოადგენს ანიონს, რომელიც ორივეს უკავშირდება. პეროვსკიტის ნაერთებში A კატიონი მნიშვნელოვნად უფრო დიდია, ვიდრე B კატიონი. პეროვსკიტის სტრუქტურის მქონე სხვა მინერალებია ლოპარიტი და ბრიჯმანიტი.
პეროვსკიტებს აქვთ უნიკალური კრისტალური სტრუქტურა და ამ სტრუქტურაში შეიძლება გაერთიანდეს სხვადასხვა ქიმიური ელემენტი. განსაკუთრებული კრისტალური სტრუქტურის გამო პეროვსკიტის მოლეკულებს შეუძლიათ გამოავლინონ სხვადასხვა ღირებული თვისება, როგორიცაა ზეგამტარობა, ძალიან მაღალი მაგნიტოწინაღობა და/ან ფეროელექტრულობა, რაც ამ ნაერთებს ძალიან საინტერესოს ხდის სამრეწველო გამოყენებისთვის. გარდა ამისა, მრავალი სხვადასხვა ელემენტის გაერთიანება შესაძლებელია პეროვსკიტის სტრუქტურების შესაქმნელად, რაც მასალის გარკვეული მახასიათებლების გაერთიანების, შეცვლისა და გაძლიერების საშუალებას იძლევა. მკვლევრები, მეცნიერები და პროცესების შემქმნელები იყენებენ ამ შესაძლებლობებს პეროვსკიტის ფიზიკური, ოპტიკური და ელექტრული მახასიათებლების შერჩევითი დაგეგმვისა და ოპტიმიზაციისთვის.
მათი ოპტოელექტრონული თვისებები ჰიბრიდულ პეროვსკიტებს იდეალურ კანდიდატებად აქცევს მზის ელემენტების გამოყენებისთვის და პეროვსკიტის მზის ელემენტები პერსპექტიული ტექნოლოგიაა, რომელიც შეიძლება დაეხმაროს სუფთა, ეკოლოგიურად უსაფრთხო ენერგიის დიდი რაოდენობით წარმოებაში.
ლიტერატურაში მოხსენიებული ერთკრისტალური პეროვსკიტის კრიტიკული ოპტოელექტრონული პარამეტრები:
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 ხვრელების ძვრადობა (SCLC) 105 ხვრელების ძვრადობა (Hall) 24 ± 6,8 ელექტრონების ძვრადობა SCLC
82 ± 5 µs TPV 95 ± 8 µs იმპედანსური სპექტროსკოპია (IS)9 × 109 p175 ± 25 µm3.6 × 1010 ხვრელებისთვის 34,5 × 1010 for electronMAPbI31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 ხვრელებისთვის 4,8 × 1010 for electronMAPbBr31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 ხვრელებისთვის 4,8 × 1010 for electronMAPbBr32,24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 ხვრელებისთვის 1,1 × 1011 for electronMAPbCl32,24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 ხვრელებისთვის 1,1 × 1011 for electronMAPbCl32,97 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 ხვრელების ძვრადობა SCLC1.8 × 10-8
2,8 × 109
1,34 × 1010
| მასალები | აკრძალული ზონა ან შთანთქმის დასაწყისი | ძვრადობა [cm2 V-1 s-1] | გამტარობა [Ω-1 cm-1] | მუხტის მატარებლის სიცოცხლის ხანგრძლივობა და მეთოდი | მუხტის მატარებლის კონცენტრაცია და ტიპი [cm-3] (n ან p) | დიფუზიის სიგრძე | ხაფანგების სიმკვრივე [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (Hall) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 5 × 10-დან10 p | 3–17 µm | 5,8 × 109 |