Sinteza e perovskitit me ultratinguj
Reaksionet e nxitura dhe të intensifikuara nga ultratingujt ofrojnë një metodë sinteze të thjeshtë, saktësisht të kontrollueshme dhe të gjithanshme për prodhimin e materialeve të aktivizuara nga drita, të cilat shpesh nuk mund të përgatiten me teknika konvencionale.
Kristalizimi dhe precipitimi me ultratinguj i kristaleve të perovskitit është një teknikë shumë efektive dhe ekonomike, e cila mundëson prodhimin e nanokristaleve të perovskitit në shkallë industriale për prodhim masiv.
Sinteza me ultratinguj e nanokristaleve të perovskitit
Perovskitet organike–inorganike të halogjenureve të plumbit shfaqin veti të jashtëzakonshme optoelektronike, si përthithje të lartë të dritës, jetëgjatësi shumë të madhe të bartësve të ngarkesës, gjatësi difuzioni të bartësve dhe lëvizshmëri të lartë të bartësve, gjë që i bën përbërjet e perovskitit një material funksional superior për aplikime me performancë të lartë në panele diellore, LED, fotodetektorë, lazerë etj.
Trajtimi me ultratinguj është një nga metodat fizike për përshpejtimin e reaksioneve të ndryshme organike. Procesi i kristalizimit ndikohet dhe kontrollohet nga trajtimi me ultratinguj, duke bërë të mundur kontrollin e karakteristikave të madhësisë së nanogrimcave monokristalore të perovskitit.
Imazhe TEM të pikave kuantike të CH3NH3PbBr3 (QD), (a) me dhe (b) pa trajtim me ultratinguj.
UIP2000hdT me reaktor me qelizë rrjedhjeje që mund të vihet nën presion
Studime rastesh të sintezës së perovskitit me ultratinguj
Në kërkime janë realizuar lloje të shumta të rritjes së kristaleve të perovskitit me ndihmën e ultratingujve. Në përgjithësi, kristalet e perovskitit përgatiten me metodën e rritjes në lëng. Për të precipituar kristalet e perovskitit, tretshmëria e mostrave të synuara zvogëlohet ngadalë dhe në mënyrë të kontrolluar në një tretësirë pararendëse. Precipitimi me ultratinguj i nanokristaleve të perovskitit bazohet kryesisht në shuarjen me antitretës.
Kristalizimi me ultratinguj i nanokristaleve të perovskitit
Jang et al. (2016) raportojnë sintezën e suksesshme të nanokristaleve të perovskitit të halogjenureve të plumbit me ndihmën e ultratingujve. Duke përdorur ultratinguj, nanokristalet e perovskitit APbX3 me një gamë të gjerë përbërjesh, ku A = CH3NH3, Cs, ose HN=CHNH3 (formamidinium), dhe X = Cl, Br, ose I, u precipituan. Trajtimi me ultratinguj përshpejton procesin e tretjes së pararendësve (AX dhe PbX2) në toluen, dhe shpejtësia e tretjes përcakton shpejtësinë e rritjes së nanokristaleve. Më pas, ekipi kërkimor prodhoi fotodetektorë me ndjeshmëri të lartë duke depozituar në mënyrë homogjene, me anë të veshjes me rrotullim, nanokristalet me madhësi uniforme mbi substrate oksidi silici me sipërfaqe të madhe.
Shpërndarjet e madhësisë së grimcave të CH3NH3PbBr3 (a) me dhe (b) pa trajtim me ultratinguj.
Chen et al. 2017
Kristalizimi asimetrik i perovskitit me ultratinguj
Peng et al. (2016) zhvilluan një metodë të re rritjeje të bazuar në kristalizimin asimetrik të shkaktuar nga kavitacioni (CTAC), i cili nxit bërthamëzimin heterogjen duke siguruar energji të mjaftueshme për të kapërcyer barrierën e bërthamëzimit. Shkurtimisht, ata aplikuan impulse shumë të shkurtra ultrasonike (≈ 1sec) në tretësirë kur ajo arriti një nivel të ulët mbingopjeje përmes difuzionit të avujve të antitretësit. Impulsi ultrasonik aplikohet në nivele të larta mbingopjeje, ku kavitacioni shkakton një numër të tepërt ngjarjesh bërthamëzimi dhe, për rrjedhojë, rritjen e një numri shumë të madh kristalesh të imëta. Në mënyrë premtuese, filmat monokristalorë të MAPbBr3 u rritën në sipërfaqen e substrateve të ndryshme brenda disa orësh të trajtimit ciklik me ultratinguj.
Sinteza me ultratinguj e pikave kuantike të perovskitit
Chen et al. (2017) paraqesin në punën e tyre kërkimore një metodë efikase për përgatitjen e pikave kuantike të perovskitit (QDs) nën rrezatim ultrasonik. Trajtimi me ultratinguj përdoret si metodë mekanike për të përshpejtuar precipitimin e pikave kuantike të perovskitit. Procesi i kristalizimit të pikave kuantike të perovskitit intensifikohet dhe kontrollohet nga trajtimi me ultratinguj, duke rezultuar në përmasa të nanokristaleve të përshtatura me saktësi. Analiza e strukturës, përmasave të grimcave dhe morfologjisë së pikave kuantike të perovskitit tregoi se kristalizimi me ultratinguj jep grimca me përmasa më të vogla dhe një shpërndarje më të njëtrajtshme të përmasave të grimcave. Duke përdorur sintezën ultrasonike (= sonokimike), ishte gjithashtu e mundur të prodhoheshin pika kuantike të perovskitit me përbërje të ndryshme kimike. Këto përbërje të ndryshme në kristalet e perovskitit lejuan pamundësimin e maksimumeve të emetimit dhe skajeve të adsorbimit të CH3NH3PbX3 (X = Cl, Br dhe I), gjë që çoi në një gamë jashtëzakonisht të gjerë ngjyrash.
Dispergimi me ultratinguj
Trajtimi me ultratinguj i suspensioneve dhe bojërave me nanogrimca është një teknikë e besueshme për dispergimin e tyre në mënyrë homogjene përpara aplikimit të nanosuspensionit mbi substrate si rrjeta ose elektroda. (shih Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
Dispergimi me ultratinguj përpunon lehtësisht përqendrime të larta të lëndëve të ngurta (p.sh. pasta) dhe i shpërndan nanogrimcat si grimca të veçuara, në mënyrë që të prodhohet një suspension i njëtrajtshëm. Kjo siguron që gjatë aplikimit të mëpasshëm, kur substrati vishet, asnjë grumbullim, siç janë aglomeratet, të mos dëmtojë performancën e veshjes.
Dispergimi me ultratinguj përgatit suspensione të njëtrajtshme me grimca me përmasa nanometrike: kurba e gjelbër – përpara trajtimit me ultratinguj / kurba e kuqe pas trajtimit me ultratinguj
Procesorë ultrasonikë për precipitimin e perovskitit
Hielscher Ultrasonics projekton dhe prodhon sisteme ultrasonike me performancë të lartë për sintezën sonokimike të kristaleve të perovskitit me cilësi të lartë. Si udhëheqëse e tregut dhe me përvojë shumëvjeçare në përpunimin me ultratinguj, Hielscher Ultrasonics i mbështet klientët e saj që nga testi i parë i fizibilitetit, përmes optimizimit të procesit, deri te instalimi përfundimtar i procesorëve ultrasonikë industrialë për prodhim në shkallë të gjerë. Duke ofruar të gjithë gamën, nga pajisjet ultrasonike laboratorike dhe ato për tavolinë pune deri te procesorët ultrasonikë industrialë, Hielscher mund t’ju rekomandojë pajisjen ideale për procesin tuaj të nanokristaleve.
Të gjithë sonikatorët Hielscher mund të kontrollohen me saktësi dhe të rregullohen nga amplituda shumë të ulëta deri në shumë të larta. Amplituda është një nga faktorët kryesorë që ndikon në efektin dhe fuqinë shkatërruese të proceseve të sonikimit. Procesorët ultrasonikë të Hielscher Ultrasonics ofrojnë një spektër shumë të gjerë amplitudash, që mbulon aplikime nga shumë të buta dhe delikate deri në shumë intensive dhe shkatërruese. Zgjedhja e cilësimit të duhur të amplitudës, përforcuesit dhe sonotrodës mundëson përcaktimin e efektit ultrasonik të kërkuar për procesin tuaj specifik. Inserti i posaçëm i Hielscher për reaktorin me qelizë rrjedhjeje MPC48 – MultiPhaseCavitator (shih figurën majtas) – mundëson injektimin e fazës së dytë përmes 48 kanulave si një rrjedhë e hollë në zonën e nxehtë të kavitacionit, ku valët ultrasonike me performancë të lartë i dispergojnë të dyja fazat në një përzierje homogjene. MultiPhaseCavitator është ideal për të krijuar pika fillestare të kristalizimit dhe për të kontrolluar reaksionin e precipitimit të nanokristaleve të perovskitit.
Procesorët ultrasonikë industrialë Hielscher mund të prodhojnë amplituda jashtëzakonisht të larta. Amplituda deri në 200µm mund të mbahen lehtësisht dhe vazhdimisht gjatë funksionimit 24/7. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotroda ultrasonike të përshtatura sipas kërkesës. Qëndrueshmëria e pajisjeve ultrasonike të Hielscher mundëson funksionim 24/7 nën ngarkesa të rënda dhe në mjedise kërkuese.
Klientët tanë janë të kënaqur me qëndrueshmërinë dhe besueshmërinë e jashtëzakonshme të sistemeve të Hielscher Ultrasonic. Instalimi në fusha aplikimi me ngarkesa të rënda, në mjedise kërkuese dhe funksionimi 24/7 sigurojnë përpunim efikas dhe ekonomik. Intensifikimi i procesit me ultratinguj shkurton kohën e përpunimit dhe arrin rezultate më të mira, domethënë cilësi më të lartë, rendimente më të larta dhe produkte novatore.
Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të sonikatorëve tanë:
| Vëllimi i serisë | Prurja | Pajisjet e rekomanduara |
|---|---|---|
| 0,5 deri në 1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 deri në 500mL | 10 deri në 200mL/min | UP100H |
| 10 deri në 2000mL | 20 deri në 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 deri në 20L | 0,2 deri në 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 deri në 100L | 2 deri në 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 deri në 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | më e lartë | grup me UIP16000 |
Na kontaktoni! / Na pyesni!
Homogjenizues ultrasonikë me fuqi të lartë nga shkalla laboratorike deri në shkallën pilot dhe industriale.
Literaturë/Referenca
- 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.
Fakte që ia vlen të dini
Perovskiti
Perovskiti është një term që përshkruan mineralin perovskit (i njohur edhe si oksid i kalciumit dhe titanit ose titanat kalciumi, me formulë kimike CaTiO3) si dhe një strukturë specifike të materialit. Në përputhje me emrin e tij, minerali perovskit ka strukturën e perovskitit.
Përbërjet e perovskitit mund të shfaqen me strukturë kubike, tetragonale ose ortorombike dhe kanë formulën kimike ABX3. A dhe B janë katione, ndërsa X përfaqëson një anion që lidhet me të dy. Në përbërjet e perovskitit, kationi A është dukshëm më i madh se kationi B. Minerale të tjera me strukturë perovskiti janë lopariti dhe bridgmaniti.
Perovskitet kanë një strukturë kristalore unike dhe në këtë strukturë mund të kombinohen elemente të ndryshme kimike. Për shkak të strukturës së veçantë kristalore, molekulat e perovskitit mund të shfaqin veti të ndryshme të vlefshme, si superpërçueshmëria, magnetorezistenca shumë e lartë dhe/ose ferroelektriciteti, të cilat i bëjnë këto përbërje shumë interesante për aplikime industriale. Për më tepër, një numër i madh elementesh të ndryshme mund të kombinohen për të formuar struktura perovskiti, gjë që mundëson kombinimin, modifikimin dhe intensifikimin e karakteristikave të caktuara të materialit. Hulumtuesit, shkencëtarët dhe zhvilluesit e proceseve i përdorin këto mundësi për të projektuar dhe optimizuar në mënyrë përzgjedhëse karakteristikat fizike, optike dhe elektrike të perovskitit.
Vetitë e tyre optoelektronike i bëjnë perovskitet hibride kandidatë idealë për aplikime në qeliza diellore, ndërsa qelizat diellore me perovskit janë një teknologji premtuese që mund të ndihmojë në prodhimin e sasive të mëdha të energjisë së pastër dhe miqësore me mjedisin.
Parametrat kritikë optoelektronikë të perovskitit monokristalor të raportuar në literaturë:
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 Lëvizshmëria e vrimave (SCLC) 105 Lëvizshmëria e vrimave (Hall) 24 ± 6,8 elektrone SCLC
82 ± 5 µs TPV 95 ± 8 µs spektroskopia e impedancës (IS)9 × 109 p175 ± 25 µm3.6 × 1010 për vrimat 34,5 × 1010 për elektronet MAPbI31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 për vrimat 4,8 × 1010 për elektronet MAPbBr31,53 eV 784 nm34 Hall
8,8 × 1011 p
1,8 × 109 për vrimat 4,8 × 1010 për elektronet MAPbBr32,24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 për vrimat 1,1 × 1011 për elektronet MAPbCl32,24 eV 537 nm4.36 Hall
3,87 × 1012 p
2,6 × 1010 për vrimat 1,1 × 1011 për elektronet MAPbCl32,97 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 Lëvizshmëria e vrimave SCLC1.8 × 10-8
2,8 × 109
1,34 × 1010
| Materialet | Hendeku energjetik ose fillimi i përthithjes | Lëvizshmëria [cm2 V-1 s-1] | Konduktanca [Ω-1 cm-1] | Jetëgjatësia e bartësve të ngarkesës dhe metoda | Përqendrimi dhe lloji i bartësve të ngarkesës [cm-3] (n ose p) | Gjatësia e difuzionit | Dendësia e kurtheve [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (Hall) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 deri në 5 × 1010 p | 3–17 µm | 5,8 × 109 |