Perovskit-Synthees duerch Ultraschallbehandlung
Duerch Ultraschall ausgeléisten a verstäerkte Reaktioune bidden eng einfach, präzis kontrolléierbar a villsäiteg Syntheesmethod fir d’Produktioun vu liichtaktivéierte Materialien, déi dacks net mat konventionellen Technike kënne produzéiert ginn.
D’Kristalliséierung an d’Ausfällung vu Perovskit-Kristaller duerch Ultraschall ass eng héichwierksam a wirtschaftlech Technik, déi et erméiglecht, Perovskit-Nanokristaller am industrielle Moossstaf fir d’Masseproduktioun hierzestellen.
Ultraschallsynthees vu Perovskit-Nanokristaller
Organesch–anorganesch Bläihalogenid-Perovskitte weisen aussergewéinlech optoelektronesch Eegenschafte wéi eng héich Liichtabsorptioun, eng ganz laang Liewensdauer vun de Ladungsdréier, eng Diffusiounslängt vun de Ladungsdréier an eng héich Mobilitéit vun de Ladungsdréier op, wat d’Perovskit-Verbindungen zu engem iwwerleeëne funktionelle Material fir Héichleeschtungsapplikatiounen a Solarpanneauen, LEDen, Fotodetektoren, Laseren asw. mécht.
D’Ultraschallbehandlung ass eng vun de physikalesche Methode fir verschidden organesch Reaktiounen ze beschleunegen. De Kristalliséierungsprozess gëtt duerch d’Ultraschallbehandlung beaflosst a kontrolléiert, soudatt d’Gréissteneegenschafte vun den eenkristalline Perovskit-Nanopartikele kontrolléierbar sinn.
TEM-Biller vu CH3NH3PbBr3 QDs (a) mat an (b) ouni Ultraschallbehandlung.
UIP2000hdT mat engem Duerchflosszellereakter, deen ënner Drock gesat ka ginn
Fallstudien iwwer d’Ultraschallsynthees vu Perovskit
An der Fuerschung goufe vill verschidden Aarte vum ultraschallënnerstëtzte Wuesstum vu Perovskit-Kristaller duerchgefouert. Am Allgemenge gi Perovskit-Kristaller mat der Method vum Wuesstum an der flësseger Phas hiergestallt. Fir Perovskit-Kristaller auszefällen, gëtt d’Léislechkeet vun den Zilprouwen an enger Virleeferléisung lues a kontrolléiert reduzéiert. D’Ausfällung vu Perovskit-Nanokristaller duerch Ultraschall baséiert haaptsächlech op engem Ofschrecke mat engem Antiléisungsmëttel.
Kristalliséierung vu Perovskit-Nanokristaller duerch Ultraschall
Jang et al. (2016) berichten iwwer déi erfollegräich ultraschallënnerstëtzte Synthees vu Bläihalogenid-Perovskit-Nanokristaller. Mat Hëllef vun Ultraschall goufen APbX3 -Perovskit-Nanokristaller mat enger breeder Palett vun Zesummesetzungen ausgefällt, woubäi A = CH3NH3, Cs oder HN=CHNH3 (Formamidinium) an X = Cl, Br oder I sinn. D’Ultraschallbehandlung beschleunegt den Opléisungsprozess vun de Virleefer (AX a PbX2) am Toluol, an d’Opléisungsvitess bestëmmt d’Wuesstumsvitess vun den Nanokristaller. Duerno huet d’Fuerschungsekipp héichempfindlech Fotodetektoren hiergestallt, andeems si groussflächeg Siliziumoxid-Substrater duerch Rotatiounsbeschichtung gläichméisseg mat den Nanokristaller vun eenheetlecher Gréisst beschicht huet.
Partikelgréissteverdeelunge vu CH3NH3PbBr3 (a) mat an (b) ouni Ultraschallbehandlung.
Chen et al. 2017
Asymmetresch Kristalliséierung vu Perovskit duerch Ultraschall
Peng et al. (2016) hunn eng nei Wuesstumsmethod entwéckelt, déi op enger duerch Kavitatioun ausgeléister asymmetrescher Kristalliséierung (CTAC) baséiert an déi heterogen Keimbildung fërdert, andeems si genuch Energie liwwert, fir d’Keimbildungsbarriär ze iwwerwannen. Kuerz gesot hu si ganz kuerz Ultraschallimpulser (≈ 1sec) an d’Léisung ageleet, wéi dës duerch d’Dampdiffusioun vun engem Antiléisungsmëttel en niddregen Iwwersättegungsniveau erreecht hat. Den Ultraschallimpuls gëtt bei héijen Iwwersättegungsniveauen ageleet, wou d’Kavitatioun iwwerméisseg vill Keimbildungsevenementer an domat de Wuesstum vun enger Villzuel vu winzege Kristaller ausléist. Villverspriechend war, datt monokristallin MAPbBr3 -Filmer bannent e puer Stonne vun der zyklescher Ultraschallbehandlung op der Uewerfläch vu verschiddene Substrater gewuess sinn.
Ultraschallsynthees vu Perovskit-Quantepunkten
Chen et al. (2017) stellen an hirer Fuerschungsaarbecht eng effizient Method vir, fir Perovskit-Quantepunkten (QDs) ënner Ultraschallbestralung hierzestellen. D’Ultraschallbehandlung gëtt als mechanesch Method agesat, fir d’Ausfällung vu Perovskit-Quantepunkten ze beschleunegen. De Kristalliséierungsprozess vun de Perovskit-Quantepunkte gëtt duerch d’Ultraschallbehandlung verstäerkt a kontrolléiert, wouduerch d’Gréisst vun den Nanokristaller präzis ugepasst gëtt. D’Analys vun der Struktur, der Partikelgréisst an der Morphologie vun de Perovskit-Quantepunkten huet gewisen, datt d’Ultraschallkristalliséierung zu méi klenge Partikelen an enger méi gläichméisseger Partikelgréissteverdeelung féiert. Mat der Ultraschallsynthes (= sonochemescher Synthes) war et och méiglech, Perovskit-Quantepunkte mat ënnerschiddleche cheemeschen Zesummesetzungen hierzestellen. Dës ënnerschiddlech Zesummesetzungen an de Perovskitkristaller hunn et erlaabt, Emissiounsspëtzten an Adsorptiounskante vu CH3NH3PbX3 (X = Cl, Br an I) onméiglech ze maachen, wat zu engem extrem breede Faarfspektrum gefouert huet.
Ultraschalldispergéierung
D’Ultraschallbehandlung vun Nanopartikelsuspensiounen an Tënten ass eng zouverlässeg Technik, fir se homogen ze dispergéieren, éier d’Nanosuspensioun op Substrater wéi Gitter oder Elektroden opgedroe gëtt. (vgl. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
D’Ultraschalldispergéierung verschafft ouni Schwieregkeeten héich Feststoffkonzentratiounen (z. B. P asten) a verdeelt Nanopartikelen an eenzel dispergéiert Partikelen, soudatt eng gläichméisseg Suspensioun entsteet. Dëst garantéiert, datt bei der uschléissender Uwendung, wann de Substrat beschicht gëtt, keng Verklompungen, wéi Agglomerater, d’Leeschtungsfäegkeet vun der Beschichtung beanträchtegen.
D’Ultraschalldispergéierung stellt gläichméisseg Suspensioune mat Partikelen an Nanogréisst hier: gréng Kéier – virun der Ultraschallbehandlung / rout Kéier no der Ultraschallbehandlung
Ultraschallprozessoren fir d’Ausfällung vu Perovskit
Hielscher Ultrasonics entwéckelt a fabrizéiert leeschtungsstaark Ultraschallsystemer fir d’sonochemesch Synthes vu qualitativ héichwäertege Perovskitkristaller. Als Maartleader a mat laangjäreger Erfarung an der Ultraschallveraarbechtung ënnerstëtzt Hielscher Ultrasonics seng Clientë vum éischte Machbarkeetstest iwwer d’Prozessoptiméierung bis zur definitiver Installatioun vun industriellen Ultraschallprozessoren fir d’Produktioun a groussem Moossstaf. Mat sengem komplette Portfolio vu Labo- an Dëschultraschallapparater bis hin zu industriellen Ultraschallprozessoren kann Hielscher Iech den idealen Apparat fir Ären Nanokristallprozess recommandéieren.
All Ultraschallapparater vun Hielscher kënne präzis gesteiert a vu ganz niddrege bis ganz héijen Amplituden agestallt ginn. D’Amplitude ass ee vun den Haaptfacteuren, déi den Afloss an déi zerstéierend Wierkung vun Ultraschallbehandlungsprozesser bestëmmen. D’Ultraschallprozessoren vun Hielscher Ultrasonics liwweren e ganz breede Spektrum vun Amplituden, dee vu ganz mëllen a schounende bis ganz intensiven an zerstéierenden Uwendunge reecht. Duerch d’Wiel vun der richteger Amplitudenastellung, dem Booster an der Sonotrod kann déi néideg Ultraschallwierkung fir Äre spezifesche Prozess agestallt ginn. Dem Hielscher säi speziellen Asaz fir den Duerchflosszellreakter MPC48 – MultiPhaseCavitator (kuckt d’Bild lénks) – erméiglecht et, déi zweet Phas iwwer 48 Kanülen als dënne Stral an de Kavitatiouns-Hotspot ze injizéieren, wou héichleeschtungsfäeg Ultraschallwellen déi zwou Phasen zu enger homogener Mëschung dispergéieren. De MultiPhaseCavitator ass ideal, fir Kristallkeimbildungsplazen ze initiéieren an d’Ausfällungsreaktioun vu Perovskit-Nanokristaller ze kontrolléieren.
Déi industriell Ultraschallprozessoren vun Hielscher kënnen aussergewéinlech héich Amplitudë liwweren. Amplitudë vu bis zu 200µm kënnen ouni Weideres kontinuéierlech am 24/7-Betrib agesat ginn. Fir nach méi héich Amplitudë si personaliséiert Ultraschallsonotroden disponibel. D’Robustheet vun der Ultraschallausrüstung vun Hielscher erméiglecht de 24/7-Betrib ënner héijer Belaaschtung an an usprochsvollen Ëmfeld.
Eis Cliente si mat der aussergewéinlecher Robustheet an Zouverlässegkeet vun de Systemer vun Hielscher Ultrasonic zefridden. Den Asaz a Beräicher mat héijer Belaaschtung, an usprochsvollen Ëmfeld an am 24/7-Betrib garantéiert eng effizient a wirtschaftlech Veraarbechtung. D’Prozessintensivéierung duerch Ultraschall verkierzt d’Veraarbechtungszäit an erreecht besser Resultater, dat heescht méi héich Qualitéit, méi héich Ausbezuelen an innovativ Produkter.
D’Tabell hei drënner gëtt Iech en Unhaltspunkt fir déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:
| Chargevolumen | Duerchflossrate | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 0,5 bis 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 bis 500mL | 10 bis 200mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | méi héich | Grupp vun UIP16000 |
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
Héichleeschtungs-Ultraschallhomogenisateure vum Laboratoire bis zum Pilotmoossstaf an zum industrielle Moossstaf.
Literatur/Referenzen
- 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.
Wëssenswäert Fakten
Perovskit
Perovskit ass e Begrëff, deen de Mineral Perovskit (och als Kalziumtitanoxid oder Kalziumtitanat bekannt, cheemesch Formel CaTiO3) souwéi eng spezifesch Materialstruktur bezeechent. Entspriechend sengem Numm huet de Mineral Perovskit d’Perovskitstruktur.
Perovskitverbindunge kënnen an enger kubescher, tetragonaler oder orthorhombescher Struktur virkommen an hunn déi cheemesch Formel ABX3. A a B si Kationen, wärend X en Anion duerstellt, dat sech u béid bënnt. A Perovskitverbindungen ass den A-Kation däitlech méi grouss wéi de B-Kation. Aner Mineraler mat enger Perovskitstruktur si Loparit a Bridgmanit.
Perovskitten hunn eng eenzegaarteg Kristallstruktur, an an dëser Struktur kënne verschidde cheemesch Elementer kombinéiert ginn. Wéinst der spezieller Kristallstruktur kënne Perovskitmoleküllen ënnerschiddlech wäertvoll Eegenschaften opweisen, wéi Superleedfäegkeet, ganz héich Magnetoresistenz an/oder Ferroelektrizitéit, déi dës Verbindunge fir industriell Uwendungen héich interessant maachen. Ausserdeem kënnen eng grouss Zuel vu verschiddenen Elementer matenee kombinéiert ginn, fir Perovskitstrukturen ze bilden, wat et erméiglecht, bestëmmte Materialeegenschaften ze kombinéieren, ze veränneren an ze verstäerken. Fuerscher, Wëssenschaftler a Prozessentwéckler notzen dës Méiglechkeeten, fir déi physikalesch, optesch an elektresch Eegenschafte vu Perovskitte gezielt ze gestalten an ze optiméieren.
Hir optoelektronesch Eegenschafte maachen Hybridperovskitten zu ideale Kandidate fir Uwendungen a Solarzellen, a Perovskit-Solarzelle sinn eng villverspriechend Technologie, déi hëllefe kéint, grouss Quantitéite vu propperer, ëmweltfrëndlecher Energie ze produzéieren.
Wichteg optoelektronesch Parametere vun einkristallinem Perovskit, déi an der Literatur uginn sinn:
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 Lachmobilitéit (SCLC) 105 Lachmobilitéit (Hall) 24 ± 6,8 Elektron SCLC
82 ± 5 µs TPV 95 ± 8 µs Impedanzspektroskopie (IS)9 × 109 p175 ± 25 µm3.6 × 1010 fir Lächer 34,5 × 1010 fir ElektronenMAPbI31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 fir Lächer 4,8 × 1010 fir ElektronenMAPbBr31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 fir Lächer 4,8 × 1010 fir ElektronenMAPbBr32,24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 fir Lächer 1,1 × 1011 fir ElektronenMAPbCl32,24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 fir Lächer 1,1 × 1011 fir ElektronenMAPbCl32,97 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 Lachmobilitéit SCLC1.8 × 10-8
2,8 × 109
1,34 × 1010
| Materialien | Bandlück oder Absorptiounsufank | Mobilitéit [cm2 V-1 s-1] | Leetwäert [Ω-1 cm-1] | Liewensdauer vun de Luedungsdréier a Method | Konzentratioun an Typ vun de Luedungsdréier [cm-3] (n oder p) | Diffusiounslängt | Dicht vun de Fangstellen [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (Hall) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 bis 5 × 1010 p | 3–17 µm | 5,8 × 109 |