Synteza perowskitu za pomocą ultradźwięków
Wywołane ultradźwiękami i zintensyfikowane reakcje oferują łatwą, precyzyjnie kontrolowaną i wszechstronną metodę syntezy do produkcji materiałów aktywowanych światłem, których często nie można przygotować konwencjonalnymi technikami.
Ultradźwiękowa krystalizacja i wytrącanie kryształów perowskitu jest wysoce skuteczną i ekonomiczną techniką, która pozwala na produkcję nanokryształów perowskitu na skalę przemysłową do masowej produkcji.
Ultradźwiękowa synteza nanokryształów perowskitu
Organiczno-nieorganiczne perowskity halogenków ołowiu wykazują wyjątkowe właściwości optoelektroniczne, takie jak wysoka absorpcja światła, bardzo długi czas życia nośnika, długość dyfuzji nośnika i wysoka ruchliwość nośnika, co sprawia, że związki perowskitu są doskonałym materiałem funkcjonalnym do wysokowydajnych zastosowań w panelach słonecznych, diodach LED, fotodetektorach, laserach itp.
Ultradźwięki są jedną z fizycznych metod przyspieszania różnych reakcji organicznych. Na proces krystalizacji wpływa i kontroluje go obróbka ultradźwiękowa, co skutkuje kontrolowanymi właściwościami wielkości monokrystalicznych nanocząstek perowskitu.
Studia przypadków ultradźwiękowej syntezy perowskitów
W ramach badań przeprowadzono wiele rodzajów wspomaganego ultradźwiękami wzrostu kryształów perowskitu. Ogólnie rzecz biorąc, kryształy perowskitu są przygotowywane metodą wzrostu cieczy. W celu wytrącenia kryształów perowskitu, rozpuszczalność próbek docelowych jest powoli i kontrolowanie zmniejszana w roztworze prekursora. Ultradźwiękowe wytrącanie nanokryształów perowskitu opiera się głównie na hartowaniu antyrozpuszczalnikowym.
Ultradźwiękowa krystalizacja nanokryształów perowskitu
Jang et al. (2016) donoszą o udanej, wspomaganej ultradźwiękami syntezie nanokryształów perowskitu halogenku ołowiu. Za pomocą ultradźwięków, APbX3 nanokryształów perowskitu o szerokim zakresie składu, gdzie A = CH3nH3, Cs, lub HN=CHNH3 (formamidinium) i X = Cl, Br lub I, wytrącono. Ultradźwięki przyspieszają proces rozpuszczania prekursorów (AX i PbX2) w toluenie, a szybkość rozpuszczania determinuje szybkość wzrostu nanokryształów. Następnie zespół badawczy wyprodukował fotodetektory o wysokiej czułości poprzez jednorodne powlekanie spinowe nanokryształów o jednolitym rozmiarze na podłożach z tlenku krzemu o dużej powierzchni.
Ultradźwiękowa asymetryczna krystalizacja perowskitu
Peng et al. (2016) opracowali nową metodę wzrostu opartą na asymetrycznej krystalizacji wyzwalanej kawitacją (CTAC), która promuje heterogeniczne zarodkowanie poprzez zapewnienie wystarczającej energii do pokonania bariery zarodkowania. Krótko mówiąc, wprowadzili bardzo krótkie impulsy ultradźwiękowe (≈ 1 s) do roztworu, gdy osiągnął on niski poziom przesycenia z dyfuzją pary antyrozpuszczalnika. Impuls ultradźwiękowy jest wprowadzany przy wysokich poziomach przesycenia, gdzie kawitacja wyzwala nadmierne zdarzenia zarodkowania, a tym samym wzrost mnóstwa małych kryształów. Obiecująco, MAPbBr3 monokrystaliczne warstwy wyrosły na powierzchni różnych podłoży w ciągu kilku godzin od cyklicznej obróbki ultradźwiękowej.
Ultradźwiękowa synteza perowskitowych kropek kwantowych
Chen et al. (2017) przedstawiają w swoich pracach badawczych skuteczną metodę przygotowania perowskitowych kropek kwantowych (QD) pod wpływem promieniowania ultradźwiękowego. Ultradźwięki są stosowane jako metoda mechaniczna w celu przyspieszenia wytrącania perowskitowych kropek kwantowych. Proces krystalizacji kropek kwantowych perowskitu jest intensyfikowany i kontrolowany przez obróbkę ultradźwiękową, co skutkuje precyzyjnie dopasowanym rozmiarem nanokryształów. Analiza struktury, wielkości cząstek i morfologii kropek kwantowych perowskitu wykazała, że krystalizacja ultradźwiękowa daje mniejsze rozmiary cząstek i bardziej jednorodny rozkład wielkości cząstek. Stosując syntezę ultradźwiękową (= sonochemiczną), możliwe było również wytwarzanie perowskitowych kropek kwantowych o różnym składzie chemicznym. Te różne składy w kryształach perowskitu pozwoliły na uzyskanie pików emisji i krawędzi adsorpcji CH3nH3PbX3 (X = Cl, Br i I), co doprowadziło do uzyskania niezwykle szerokiej gamy kolorów.
Dyspersja ultradźwiękowa
Ultradźwięki zawiesin nanocząstek i atramentów są niezawodną techniką ich jednorodnego rozpraszania przed nałożeniem nano-zawiesiny na podłoża, takie jak siatki lub elektrody. (por. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Dyspersja ultradźwiękowa z łatwością radzi sobie z wysokimi stężeniami ciał stałych (np. past) i rozprowadza nanocząstki do pojedynczych zdyspergowanych cząstek, dzięki czemu powstaje jednolita zawiesina. Zapewnia to, że w kolejnym zastosowaniu, gdy podłoże jest powlekane, żadne zbrylanie, takie jak aglomeraty, nie pogarsza wydajności powłoki.
Procesory ultradźwiękowe do wytrącania perowskitów
Hielscher Ultrasonics projektuje i produkuje wysokowydajne systemy ultradźwiękowe do sonochemicznej syntezy wysokiej jakości kryształów perowskitu. Jako lider rynku i z wieloletnim doświadczeniem w obróbce ultradźwiękowej, Hielscher Ultrasonics pomaga swoim klientom od pierwszego testu wykonalności do optymalizacji procesu do ostatecznej instalacji przemysłowych procesorów ultradźwiękowych do produkcji na dużą skalę. Oferując pełne portfolio z laboratorium i bench-top ultrasonicators do przemysłowych procesorów ultradźwiękowych, Hielscher może polecić idealne urządzenie do procesu nanokryształów.
Wszystkie ultradźwięki Hielscher są precyzyjnie sterowane i mogą być dostrajane od bardzo niskich do bardzo wysokich amplitud. Amplituda jest jednym z głównych czynników wpływających na wpływ i destrukcyjność procesów sonikacji. Hielscher Ultrasonics’ Procesory ultradźwiękowe zapewniają bardzo szerokie spektrum amplitud obejmujące zakres od bardzo łagodnych i miękkich do bardzo intensywnych i niszczących zastosowań. Wybór odpowiedniego ustawienia amplitudy, wzmacniacza i sonotrody pozwala ustawić wymagany wpływ ultradźwięków dla konkretnego procesu. Specjalna wkładka reaktora przepływowego MPC48 firmy Hielscher – Kawitator wielofazowy (patrz zdjęcie po lewej) – Pozwala na wstrzyknięcie drugiej fazy za pomocą 48 kaniul jako cienkiego szczepu do kawitacyjnego hot-spotu, gdzie wysokowydajne fale ultradźwiękowe rozpraszają dwie fazy w jednorodną mieszaninę. MultiPhaseCavitator jest idealny do inicjowania punktów wysiewu kryształów i kontrolowania reakcji wytrącania nanokryształów perowskitu.
Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher mogą dostarczać niezwykle wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe. Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach.
Nasi klienci są zadowoleni z wyjątkowej wytrzymałości i niezawodności systemów Hielscher Ultrasonic. Instalacja w obszarach ciężkich zastosowań, wymagających środowiskach i pracy 24/7 zapewnia wydajne i ekonomiczne przetwarzanie. Ultradźwiękowa intensyfikacja procesu skraca czas przetwarzania i osiąga lepsze wyniki, tj. wyższą jakość, wyższą wydajność, innowacyjne produkty.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
---|---|---|
0.5-1,5 mL | b.d. | VialTweeter |
1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura/Referencje
- 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.
Fakty, które warto znać
perowskit
Perowskit to termin opisujący minerał perowskit (znany również jako tlenek tytanu wapnia lub tytanian wapnia, wzór chemiczny CaTiO3), a także specyficzną strukturę materiału. Zgodnie z tą samą nazwą, minerał perowskit ma strukturę perowskitu.
Związki perowskitowe mogą występować w strukturze sześciennej, tetragonalnej lub ortorombowej i mają wzór chemiczny ABX3. A i B są kationami, podczas gdy X reprezentuje anion, który wiąże się z obydwoma. W związkach perowskitowych kation A jest znacznie większy niż kation B. Inne minerały o strukturze perowskitu to loparyt i bridgmanit.
Perowskity mają unikalną strukturę krystaliczną, w której można łączyć różne pierwiastki chemiczne. Ze względu na specjalną strukturę krystaliczną, cząsteczki perowskitu mogą wykazywać różne cenne właściwości, takie jak nadprzewodnictwo, bardzo wysoka magnetooporność i/lub ferroelektryczność, co czyni te związki bardzo interesującymi dla zastosowań przemysłowych. Co więcej, duża liczba różnych pierwiastków może być łączona ze sobą w celu utworzenia struktur perowskitowych, co umożliwia łączenie, modyfikowanie i intensyfikowanie pewnych właściwości materiału. Badacze, naukowcy i twórcy procesów wykorzystują te opcje do selektywnego projektowania i optymalizacji właściwości fizycznych, optycznych i elektrycznych perowskitów.
Ich właściwości optoelektroniczne sprawiają, że perowskity hybrydowe są idealnymi kandydatami do zastosowań w ogniwach słonecznych, a perowskitowe ogniwa słoneczne są obiecującą technologią, która może pomóc w produkcji dużych ilości czystej, przyjaznej dla środowiska energii.
Krytyczne parametry optoelektroniczne monokrystalicznego perowskitu opisane w literaturze:
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 Ruchliwość dziur (SCLC) 105 Ruchliwość dziur (Hall) 24 ± 6,8 elektronów SCLC
82 ± 5 µs TPV 95 ± 8 µs spektroskopia impedancyjna (IS)9 × 109 p175 ± 25 µm3,6 × 1010 dla otworu 34,5 × 1010 dla electronMAPbI31,53 eV 784 nm34 Hall
8.8 × 1011 p
1,8 × 109 dla otworu 4,8 × 1010 dla elektronuMAPbBr31,53 eV 784 nm34 Hall
8.8 × 1011 p
1,8 × 109 dla otworu 4,8 × 1010 dla elektronuMAPbBr32,24 eV 537 nm4,36 Hall
3.87 × 1012 p
2.6 × 1010 dla otworu 1,1 × 1011 dla elektronówMAPbCl32,24 eV 537 nm4,36 Hall
3.87 × 1012 p
2.6 × 1010 dla otworu 1,1 × 1011 dla elektronówMAPbCl32,97 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 Ruchliwość dziur SCLC1,8 × 10-8
2.8 × 109
1.34 × 1010
Materiały | Przerwa pasmowa lub początek absorpcji | Mobilność [cm2 V-1 s-1] | Przewodność [Ω-1 cm-1] | Żywotność nośnika i metoda | Stężenie i typ nośnika [cm-3] (n lub p) | Długość dyfuzji | Gęstość pułapki [cm-3] |
---|---|---|---|---|---|---|---|
MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20-60 (Hall) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 do 5 × 1010 p | 3-17 µm | 5.8 × 109 |