Syntéza perovskitu ultrazvukom
Ultrazvukom indukované a zosilnené reakcie ponúkajú jednoduchú, presne kontrolovateľnú a všestrannú metódu syntézy na výrobu svetlom aktivovaných materiálov, ktoré sa často nedajú pripraviť konvenčnými technikami.
Ultrazvuková kryštalizácia a zrážanie perovskitových kryštálov je vysoko účinná a ekonomická technika, ktorá umožňuje vyrábať perovskitové nanokryštály v priemyselnom meradle na hromadnú výrobu.
Ultrazvuková syntéza perovskitových nanokryštálov
Organicko-anorganické perovskity halogenidu olovnatého vykazujú výnimočné optoelektronické vlastnosti, ako je vysoká absorpcia svetla, veľmi dlhá životnosť nosiča, dĺžka difúzie nosiča a vysoká mobilita nosiča, vďaka čomu sú perovskitové zlúčeniny vynikajúcim funkčným materiálom pre vysokovýkonné aplikácie v solárnych paneloch, LED, fotodetektoroch, laseroch atď.
Ultrazvuk je jednou z fyzikálnych metód na urýchlenie rôznych organických reakcií. Proces kryštalizácie je ovplyvnený a riadený ultrazvukovou úpravou, čo vedie k kontrolovateľným veľkostiteľným vlastnostiam monokryštalických perovskitových nanočastíc.
Snímky TEM pre CH3Nh3PbBr3 QD (a) s a (b) bez ultrazvukového ošetrenia.
UIP2000hdT s tlakovým reaktorom s prietokovým článkom
Prípadové štúdie ultrazvukovej syntézy perovskitov
Výskum uskutočnil rôzne typy ultrazvukom asistovaného rastu perovskitových kryštálov. Vo všeobecnosti sa kryštály perovskitu pripravujú metódou tekutého rastu. Aby sa vyzrážali kryštály perovskitu, rozpustnosť cieľových vzoriek sa pomaly a kontrolovane redukuje v prekurzorovom roztoku. Ultrazvukové zrážanie perovskitových nanokryštálov je založené hlavne na kalení proti rozpúšťadlám.
Ultrazvuková kryštalizácia perovskitových nanokryštálov
Jang et al. (2016) uvádzajú úspešnú ultrazvukom asistovanú syntézu nanokryštálov perovskitu halogenidu olovnatého. Pomocou ultrazvuku, APbX3 perovskitové nanokryštály so širokou škálou zloženia, kde A = CH3Nh3, Cs alebo HN=CHNH3 (formamidínium) a X = Cl, Br alebo I boli vyzrážané. Ultrazvuk urýchľuje proces rozpúšťania prekurzorov (AX a PbX2) v toluéne a rýchlosť rozpúšťania určuje rýchlosť rastu nanokryštálov. Následne výskumný tím vyrobil vysoko citlivé fotodetektory homogénnym spinovým poťahovaním nanokryštálov jednotnej veľkosti na veľkoplošných substrátoch oxidu kremičitého.
Distribúcia veľkosti častíc CH3NH3PbBr3 (a) s a (b) bez ultrazvukovej úpravy.
Chen a kol. 2017
Ultrazvuková asymetrická kryštalizácia perovskitu
Peng et al. (2016) vyvinuli novú rastovú metódu založenú na asymetrickej kryštalizácii (CTAC) spúšťanej kavitáciou, ktorá podporuje heterogénnu nukleáciu tým, že poskytuje dostatok energie na prekonanie nukleačnej bariéry. Stručne povedané, zaviedli do roztoku veľmi krátke ultrazvukové impulzy (≈ 1 sekundu), keď dosiahol nízku úroveň presýtenia difúziou pár proti rozpúšťadlu. Ultrazvukový impulz sa zavádza pri vysokých úrovniach presýtenia, kde kavitácia spúšťa nadmerné nukleačné udalosti a tým rast množstva drobných kryštálov. Je sľubné, že MAPbBr3 Monokryštalické filmy vyrástli na povrchu rôznych substrátov v priebehu niekoľkých hodín po cyklickej ultrazvukovej úprave.
Ultrazvuková syntéza perovskitových kvantových bodov
Chen et al. (2017) vo svojej výskumnej práci predstavujú účinnú metódu na prípravu perovskitových kvantových bodov (QD) pri ultrazvukovom ožarovaní. Ultrazvuk sa používa ako mechanická metóda na urýchlenie zrážania perovskitových kvantových bodov. Proces kryštalizácie perovskitových kvantových bodov je zintenzívnený a riadený ultrazvukovým spracovaním, výsledkom čoho je presne prispôsobená veľkosť nanokryštálov. Analýza štruktúry, veľkosti častíc a morfológie perovskitových kvantových bodov ukázala, že ultrazvuková kryštalizácia poskytuje menšie veľkosti častíc a rovnomernejšie rozloženie veľkosti častíc. Pomocou ultrazvukovej (= sonochemickej) syntézy bolo možné vyrobiť aj perovskitové kvantové bodky s rôznym chemickým zložením. Tieto rôzne zloženia v perovskitových kryštáloch umožnili znemožniť emisné špičky a adsorpčné hrany CH3Nh3Pbx3 (X = Cl, Br a I), čo viedlo k extrémne širokému farebnému gamutu.
Ultrazvuková disperzia
Ultrazvuk suspenzií a atramentov nanočastíc je spoľahlivá technika na ich homogénne rozptýlenie pred aplikáciou nanosuspenzie na substráty, ako sú mriežky alebo elektródy. (porovnaj Belchi et al. 2019; Pichler a kol. 2018)
Ultrazvuková disperzia ľahko zvláda vysoké koncentrácie pevných látok (napr. pasty) a distribuuje nanočastice na jednotlivé dispergované častice, takže vzniká rovnomerná suspenzia. To zaisťuje, že pri následnej aplikácii, keď je podklad potiahnutý, žiadne zhlukovanie, ako sú aglomeráty, nezhoršuje výkon povlaku.
Ultrazvuková disperzia pripravuje rovnomerné suspenzie nanoveľkosti: zelená krivka – pred sonikáciou / červená krivka po sonikácii
Ultrazvukové procesory na zrážanie perovskitov
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics navrhuje a vyrába vysokovýkonné ultrazvukové systémy na sonochemickú syntézu vysokokvalitných perovskitových kryštálov. Ako líder na trhu a s dlhoročnými skúsenosťami s ultrazvukovým spracovaním pomáha spoločnosť Hielscher Ultrasonics svojim zákazníkom od prvého testu uskutočniteľnosti cez optimalizáciu procesov až po konečnú inštaláciu priemyselných ultrazvukových procesorov pre výrobu vo veľkom meradle. Spoločnosť Hielscher ponúka kompletné portfólio od laboratórnych a stolových ultrazvukových procesorov až po priemyselné ultrazvukové procesory a môže vám odporučiť ideálne zariadenie pre váš nanokryštálový proces.
Všetky ultrazvukové prístroje Hielscher sú presne ovládateľné a dajú sa naladiť od veľmi nízkych po veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúda je jedným z hlavných faktorov, ktorý ovplyvňuje vplyv a deštruktívnosť sonikačných procesov. Hielscher Ultrasonics’ Ultrazvukové procesory poskytujú veľmi široké spektrum amplitúd pokrývajúce rozsah veľmi miernych a mäkkých až veľmi intenzívnych a deštruktívnych aplikácií. Výber správneho nastavenia amplitúdy, zosilňovača a sonotródy umožňuje nastaviť požadovaný ultrazvukový dopad pre váš konkrétny proces. Špeciálna vložka reaktora s prietokovým článkom od spoločnosti Hielscher MPC48 – MultiPhaseCavitator (pozri obrázok vľavo) – umožňuje vstreknúť druhú fázu cez 48 kanyl ako tenký kmeň do kavitačného horúceho miesta, kde vysokovýkonné ultrazvukové vlny rozptýlia obe fázy do homogénnej zmesi. MultiPhaseCavitator je ideálny na iniciáciu miest výsevu kryštálov a na riadenie zrážacej reakcie perovskitových nanokryštálov.
Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher môžu poskytovať mimoriadne vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Robustnosť ultrazvukového zariadenia Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach.
Naši zákazníci sú spokojní s vynikajúcou robustnosťou a spoľahlivosťou systémov Hielscher Ultrasonic. Inštalácia v oblastiach náročných aplikácií, náročných prostredí a prevádzka 24 hodín denne, 7 dní v týždni zaisťuje efektívne a ekonomické spracovanie. Ultrazvuková intenzifikácia procesu skracuje čas spracovania a dosahuje lepšie výsledky, t.j. vyššiu kvalitu, vyššie výnosy, inovatívne produkty.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 05 až 1,5 ml | N.A. | VialTweeter |
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do pilot a Priemyselná mierka.
Literatúra/Referencie
- 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, ktoré stoja za to vedieť
perovskit
Perovskit je pojem, ktorý popisuje minerál perovskit (tiež známy ako oxid titaničitý vápenatý alebo titanitan vápenatý, chemický vzorec CaTiO3), ako aj špecifickú štruktúru materiálu. Podľa rovnakého názvu má minerál perovskit perovskitovú štruktúru.
Perovskitové zlúčeniny sa môžu vyskytovať v kubikovej, tetragonálnej alebo ortorombickej štruktúre a majú chemický vzorec ABX3. A a B sú katióny, zatiaľ čo X predstavuje anión, ktorý sa viaže na oba. V perovskitových zlúčeninách je katión A výrazne väčší ako katión B. Ďalšími minerálmi s perovskitovou štruktúrou sú loparit a bridgmanit.
Perovskity majú jedinečnú kryštalickú štruktúru a v tejto štruktúre je možné kombinovať rôzne chemické prvky. Vďaka špeciálnej kryštalickej štruktúre môžu molekuly perovskitu vykazovať rôzne cenné vlastnosti, ako je supravodivosť, veľmi vysoká magnetorezistencia a/alebo feroelektrika, vďaka čomu sú tieto zlúčeniny veľmi zaujímavé pre priemyselné aplikácie. Okrem toho je možné kombinovať veľké množstvo rôznych prvkov dohromady a vytvárať perovskitové štruktúry, čo umožňuje kombinovať, upravovať a zintenzívňovať určité materiálové vlastnosti. Výskumníci, vedci a vývojári procesov využívajú tieto možnosti na selektívne navrhovanie a optimalizáciu fyzikálnych, optických a elektrických charakteristík perovskitu.
Vďaka svojim optoelektronickým vlastnostiam sú hybridné perovskity ideálnymi kandidátmi na aplikácie solárnych článkov a perovskitové solárne články sú sľubnou technológiou, ktorá môže pomôcť produkovať veľké množstvo čistej energie šetrnej k životnému prostrediu.
Kritické optoelektronické parametre monokryštalického perovskitu uvádzané v literatúre:
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-dierová mobilita (SCLC) 105-dierová mobilita (Hall) 24 ± 6,8-elektrónová SCLC
82 ± 5 μs TPV 95 ± 8 μs impedančná spektroskopia (IS)9 × 109 p175 ± 25 μm3,6 × 1010 pre otvor 34,5 × 1010 pre elektrónMAPbI31.53 eV 784 nm34 Hala
8.8 × 1011 p
1.8 × 109 pre jamku 4.8 × 1010 pre elektrónMAPbBr31.53 eV 784 nm34 Hala
8.8 × 1011 p
1.8 × 109 pre jamku 4.8 × 1010 pre elektrónMAPbBr32.24 eV 537 nm4.36 Hala
3,87 × 1012 p
2.6 × 1010 pre otvor 1.1 × 1011 pre elektrónMAPbCl32.24 eV 537 nm4.36 Hala
3,87 × 1012 p
2.6 × 1010 pre otvor 1.1 × 1011 pre elektrónMAPbCl32.97 eV 402 nm179 Hala
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 otvorov mobilita SCLC1.8 × 10-8
2.8 × 109
1,34 × 1010
| Materiály | Pásmová medzera alebo nástup absorpcie | Mobilita [cm2 V-1 s-1] | Vodivosť [Ω-1 centimeter-1] | Životnosť a spôsob nosiča | Koncentrácia a typ nosiča [cm-3] (n alebo p) | Dĺžka difúzie | Hustota pasce [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (hala) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 do 5 × 1010 p | 3–17 μm | 5.8 × 109 |