Sinteza perovskita z ultrazvokom
Ultrazvočno inducirane in intenzivne reakcije ponujajo enostavno, natančno nadzorovano in vsestransko metodo sinteze za proizvodnjo materialov, aktiviranih s svetlobo, ki jih pogosto ni mogoče pripraviti s konvencionalnimi tehnikami.
Ultrazvočna kristalizacija in obarjanje kristalov perovskita je zelo učinkovita in ekonomična tehnika, ki omogoča proizvodnjo perovskitnih nanokristalov v industrijskem obsegu za množično proizvodnjo.
Ultrazvočna sinteza perovskitnih nanokristalov
Organsko-anorganski perovskiti svinčevega halogenida kažejo izjemne optoelektronske lastnosti, kot so visoka absorpcija svetlobe, zelo dolga življenjska doba nosilca, dolžina difuzije nosilca in visoka mobilnost nosilcev, zaradi česar so perovskitne spojine vrhunski funkcionalni material za visoko zmogljive aplikacije v sončnih kolektorjih, LED, fotodetektorjih, laserjih itd.
Ultrasonication je ena od fizikalnih metod za pospeševanje različnih organskih reakcij. Na proces kristalizacije vpliva in ga nadzoruje ultrazvočna obdelava, kar ima za posledico nadzorovane lastnosti velikosti monokristalnih perovskitnih nanodelcev.
TEM slike za CH3Nh3PbBr3 QD (a) z in (b) brez ultrazvočne obdelave.
UIP2000hdT s reaktorjem pretočne celice pod tlakom
Študije primerov ultrazvočne sinteze perovskita
Raziskave so izvedle številne vrste ultrazvočno podprte rasti kristalov perovskita. Na splošno se kristali perovskita pripravijo z metodo tekoče rasti. Da bi oborili kristale perovskita, se topnost ciljnih vzorcev počasi in nadzorovano zmanjša v raztopini predhodne sestavine. Ultrazvočno obarjanje perovskitnih nano kristalov temelji predvsem na gašenju proti topilu.
Ultrazvočna kristalizacija perovskitnih nanokristalov
Jang et al. (2016) poročajo o uspešni ultrazvočno podprti sintezi svinčevih halogenidnih perovskitnih nanokristalov. Uporaba ultrazvoka, APbX3 perovskitni nanokristali s široko paleto sestav, kjer je A = CH3Nh3, Cs ali HN = CHNH3 (formamidinij) in X = Cl, Br ali I. Ultrasonication pospešuje proces raztapljanja predhodnih sestavin (AX in PbX2) v toluenu, hitrost raztapljanja pa določa hitrost rasti nanokristalov. Nato je raziskovalna skupina izdelala visoko občutljive fotodetektorje s homogenim spiniranjem nanokristalov enakomerne velikosti na substratih silicijevega oksida na velikih površinah.
Porazdelitev velikosti delcev CH3NH3PbBr3 (a) z in (b) brez ultrazvočne obdelave.
Chen et al. 2017
Ultrazvočna asimetrična kristalizacija perovskita
Peng et al. (2016) so razvili novo metodo rasti, ki temelji na asimetrični kristalizaciji, ki jo sproži kavitacija (CTAC), ki spodbuja heterogeno nukleacijo z zagotavljanjem dovolj energije za premagovanje nukleacijske pregrade. Na kratko, v raztopino so uvedli zelo kratke ultrazvočne impulze (≈ 1 sekundo), ko je dosegla nizko stopnjo prenasičenosti z difuzijo hlapov proti topilu. Ultrazvočni impulz se uvede pri visokih stopnjah prenasičenosti, kjer kavitacija sproži prekomerne nukleacijske dogodke in s tem rast množice drobnih kristalov. Obetavno, MAPbBr3 Monokristalni filmi so rasli na površini različnih substratov v nekaj urah po ciklični ultrazvočni obdelavi.
Ultrazvočna sinteza perovskitnih kvantnih pik
Chen et al. (2017) v svojem raziskovalnem delu predstavljajo učinkovito metodo za pripravo perovskitnih kvantnih pik (QD) pod ultrazvočnim obsevanjem. Ultrasonication se uporablja kot mehanska metoda za pospeševanje obarjanja perovskitnih kvantnih pik. Proces kristalizacije perovskitnih kvantnih pik se intenzivira in nadzoruje z ultrazvočno obdelavo, kar ima za posledico natančno prilagojeno velikost nanokristalov. Analiza strukture, velikosti delcev in morfologije perovskitnih kvantnih pik je pokazala, da ultrazvočna kristalizacija daje manjše velikosti delcev in bolj enakomerno porazdelitev velikosti delcev. Z uporabo ultrazvočne (= sonokemične) sinteze je bilo mogoče izdelati tudi perovskitne kvantne pike z različnimi kemičnimi sestavami. Te različne sestave v kristalih perovskita so omogočile nemožnost emisijskih vrhov in adsorpcijskih robov CH3Nh3Pbx3 (X = Cl, Br in I), kar je privedlo do izjemno široke barvne lestvice.
Ultrazvočna disperzija
Ultrasonication suspenzij in črnil nano delcev je zanesljiva tehnika za njihovo homogeno razpršitev pred nano-suspenzijo na substrate, kot so mreže ali elektrode. (prim. Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Ultrazvočna disperzija zlahka obvladuje visoke koncentracije trdnih snovi (npr. Paste) in porazdeli nanodelce v enojne dispergirane delce, tako da nastane enakomerna suspenzija. To zagotavlja, da pri nadaljnjem nanosu, ko je podlaga prevlečena, nobeno zlepljanje, kot so aglomerati, ne poslabša učinkovitosti premaza.
Ultrazvočna disperzija pripravlja enakomerne suspenzije nano-velikosti: zelena krivulja – pred ultrazvočnim razbijanjem / rdeča krivulja po ultrazvočnem razbivanju
Ultrazvočni procesorji za perovskitne padavine
Hielscher Ultrasonics načrtuje in proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne sisteme za sonokemično sintezo visokokakovostnih perovskitnih kristalov. Kot vodilni na trgu in z dolgoletnimi izkušnjami na področju ultrazvočne obdelave, Hielscher Ultrasonics pomaga svojim strankam od prvega preizkusa izvedljivosti do optimizacije procesov do končne namestitve industrijskih ultrazvočnih procesorjev za obsežno proizvodnjo. Ponuja celoten portfelj od laboratorijskih in namiznih ultrazvočnih aparatov do industrijskih ultrazvočnih procesorjev, Hielscher vam lahko priporoči idealno napravo za vaš nanokristalni proces.
Vsi Hielscherjevi ultrazvočni aparati so natančno nadzorovani in jih je mogoče nastaviti od zelo nizkih do zelo visokih amplitud. Amplituda je eden glavnih dejavnikov, ki vpliva na vpliv in destruktivnost ultrazvočnih procesov. Hielscher Ultrasonics’ Ultrazvočni procesorji zagotavljajo zelo širok spekter amplitud, ki pokrivajo razpon zelo blagih in mehkih do zelo intenzivnih in destruktivnih aplikacij. Izbira prave nastavitve amplitude, ojačevalnika in sonotrode omogoča nastavitev zahtevanega ultrazvočnega vpliva za vaš specifičen proces. Hielscherjev poseben reaktorski vložek MPC48 – MultiPhaseCavitator (glej sliko levo) – omogoča injiciranje druge faze prek 48 kanil kot tankega seva v kavitacijsko vročo točko, kjer visoko zmogljivi ultrazvočni valovi razpršijo obe fazi v homogeno mešanico. Večfazni kavitator je idealen za sprožitev kristalnih sejalnih točk in za nadzor reakcije obarjanja perovskitnih nanokristalov.
Hielscher industrijski ultrazvočni procesorji lahko zagotovijo izjemno visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Robustnost Hielscherjeve ultrazvočne opreme omogoča 24/7 delovanje pri težkih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Naše stranke so zadovoljne z izjemno robustnostjo in zanesljivostjo sistemov Hielscher Ultrasonic. Namestitev na področjih težkih zahtev, zahtevnih okolij in delovanja 24/7 zagotavlja učinkovito in ekonomično obdelavo. Ultrazvočna intenzifikacija procesa skrajša čas obdelave in doseže boljše rezultate, tj. višjo kakovost, višje donose, inovativne izdelke.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 0.5 do 1.5 ml | n.a. | VialTweeter |
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Ultrazvočni homogenizatorji visoke moči iz laboratorij k Pilot in industrijski obseg.
Literatura/Reference
- 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.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
perovskitni
Perovskit je izraz, ki opisuje mineral perovskit (znan tudi kot kalcijev titanov oksid ali kalcijev titanat, kemijska formula CaTiO3) in posebno strukturo materiala. V skladu z istim imenom ima mineral perovskitno strukturo.
Perovskitne spojine se lahko pojavljajo v kubični, tetragonalni ali ortorombični strukturi in imajo kemijsko formulo ABX3. A in B sta kationi, medtem ko X predstavlja anion, ki se veže na oboje. V perovskitnih spojinah je kation A bistveno večji od kationa B. Drugi minerali s perovskitno strukturo so loparit in bridgmanit.
Perovskiti imajo edinstveno kristalno strukturo in v tej strukturi se lahko kombinirajo različni kemični elementi. Zaradi posebne kristalne strukture lahko molekule perovskita kažejo različne dragocene lastnosti, kot so superprevodnost, zelo visoka magnetoodpornost in / ali feroelektrika, zaradi česar so te spojine zelo zanimive za industrijsko uporabo. Poleg tega se lahko veliko število različnih elementov združi skupaj, da tvorijo perovskitne strukture, kar omogoča kombiniranje, spreminjanje in intenziviranje določenih lastnosti materiala. Raziskovalci, znanstveniki in razvijalci procesov uporabljajo te možnosti za selektivno načrtovanje in optimizacijo fizičnih, optičnih in električnih lastnosti perovskita.
Zaradi svojih optoelektronskih lastnosti so hibridni perovskiti idealni kandidati za uporabo sončnih celic, perovskitne sončne celice pa so obetavna tehnologija, ki bi lahko pomagala pri proizvodnji velikih količin čiste, okolju prijazne energije.
Kritični optoelektronski parametri monokristalnega perovskita, opisani v literaturi:
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 Mobilnost lukenj (SCLC) 105 Mobilnost lukenj (Hall) 24 ± 6.8 elektron SCLC
82 ± 5 μs TPV 95 ± 8 μs impedančna spektroskopija (IS)9 × 109 p175 ± 25 μm3,6 × 1010 za luknjo 34,5 × 1010 za elektronMAPbI31.53 eV 784 nm34 Dvorana
8,8 × 1011 p
1.8 × 109 za luknjo 4.8 × 1010 za elektronMAPbBr31.53 eV 784 nm34 Dvorana
8,8 × 1011 p
1.8 × 109 za luknjo 4.8 × 1010 za elektronMAPbBr32.24 eV 537 nm4.36 Dvorana
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 za luknjo 1.1 × 1011 za elektronMAPbCl32.24 eV 537 nm4.36 Dvorana
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 za luknjo 1.1 × 1011 za elektronMAPbCl32.97 eV 402 nm179 Dvorana
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 ± mobilnost s 5 luknjami SCLC1.8 × 10-8
2,8 × 109
1,34 × 1010
| Materiali | Pasovna vrzel ali začetek absorpcije | Mobilnost [cm2 V-1 s-1] | Prevodnost [Ω-1 centimeter-1] | Življenjska doba in metoda nosilca | Koncentracija in vrsta nosilca [cm-3] (n ali p) | Dolžina difuzije | Gostota pasti [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (dvorana) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 do 5 × 1010 p | 3–17 μm | 5,8 × 109 |