การสังเคราะห์เพอรอฟสไคต์โดยอัลตราโซนิก
ปฏิกิริยาที่เหนี่ยวนําด้วยอัลตราโซนิกและเข้มข้นเป็นวิธีการสังเคราะห์ที่ง่ายดายควบคุมได้อย่างแม่นยําและหลากหลายสําหรับการผลิตวัสดุที่กระตุ้นด้วยแสงซึ่งมักไม่สามารถเตรียมได้ด้วยเทคนิคทั่วไป
การตกผลึกอัลตราโซนิกและการตกตะกอนของผลึกเพอรอฟสไกต์เป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพสูงและประหยัดซึ่งช่วยให้สามารถผลิตนาโนคริสตัลเพอรอฟสไกต์ในระดับอุตสาหกรรมสําหรับการผลิตจํานวนมาก
การสังเคราะห์อัลตราโซนิกของนาโนคริสตัล Perovskite
เพอรอฟสไกต์ตะกั่วฮาไลด์อินทรีย์-อนินทรีย์มีคุณสมบัติด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ยอดเยี่ยมเช่นการดูดซับแสงสูงอายุการใช้งานของพาหะที่ยาวนานมากความยาวการแพร่กระจายของพาหะและความคล่องตัวของพาหะสูงซึ่งทําให้สารประกอบเพอรอฟสไกต์เป็นวัสดุที่ใช้งานได้เหนือกว่าสําหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูงในแผงโซลาร์เซลล์ LED โฟโตดิกเตอร์เลเซอร์ ฯลฯ
อัลตราโซนิกเป็นหนึ่งในวิธีการทางกายภาพในการเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ต่างๆ กระบวนการตกผลึกได้รับอิทธิพลและควบคุมโดยการรักษาด้วยอัลตราโซนิกส่งผลให้มีคุณสมบัติขนาดที่ควบคุมได้ของอนุภาคนาโนเพอรอฟสไกต์ผลึกเดี่ยว
รูปภาพ TEM สําหรับ CH3เอ็นเอช3พีบีบีอาร์3 QDs (a) ที่มีและ (b) โดยไม่ต้องผ่านการบําบัดด้วยอัลตราโซนิก
UIP2000hdt พร้อมเครื่องปฏิกรณ์เซลล์การไหลแรงดัน
กรณีศึกษาการสังเคราะห์เพอรอฟสไกต์อัลตราโซนิก
การวิจัยได้ดําเนินการการเจริญเติบโตของผลึกเพอรอฟสไกต์ด้วยอัลตราโซนิกหลายประเภท โดยทั่วไปผลึกเพอรอฟสไกต์จะถูกเตรียมด้วยวิธีการเจริญเติบโตของของเหลว ในการตกตะกอนผลึกเพอรอฟสไกต์ความสามารถในการละลายของตัวอย่างเป้าหมายจะลดลงอย่างช้าๆและควบคุมในสารละลายสารตั้งต้น การตกตะกอนอัลตราโซนิกของผลึกนาโนเพอรอฟสไกต์ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการชุบแข็งตัวทําละลาย
การตกผลึกอัลตราโซนิกของนาโนคริสตัลเพอรอฟสไกต์
Jang et al. (2016) รายงานการสังเคราะห์ด้วยอัลตราโซนิกที่ประสบความสําเร็จในการสังเคราะห์นาโนคริสตัลเพอรอฟสไกต์ตะกั่วฮาไลด์ การใช้อัลตราซาวนด์ APbX3 นาโนคริสตัลเพอรอฟสไกต์ที่มีองค์ประกอบที่หลากหลาย โดยที่ A = CH3เอ็นเอช3, Cs หรือ HN=CHNH3 (ฟอร์มามิดินเนียม) และ X = Cl, Br หรือ I ตกตะกอน อัลตราโซนิกช่วยเร่งกระบวนการละลายของสารตั้งต้น (AX และ PbX2) ในโทลูอีนและอัตราการละลายเป็นตัวกําหนดอัตราการเจริญเติบโตของนาโนคริสตัล ต่อจากนั้นทีมวิจัยได้ประดิษฐ์เครื่องตรวจจับแสงที่มีความไวสูงโดยการสปินเคลือบนาโนคริสตัลขนาดสม่ําเสมอบนพื้นผิวซิลิกอนออกไซด์พื้นที่ขนาดใหญ่
การกระจายขนาดอนุภาคของ CH3NH3PbBr3 (a) ที่มีและ (b) โดยไม่ต้องผ่านการบําบัดด้วยอัลตราโซนิก
เฉินและคณะ 2017
การตกผลึกแบบ Asymetrical อัลตราโซนิกของ Perovskite
Peng et al. (2016) ได้พัฒนาวิธีการเจริญเติบโตใหม่โดยใช้การตกผลึกแบบอสมมาตรที่กระตุ้นด้วยโพรงอากาศ (CTAC) ซึ่งส่งเสริมการสร้างนิวเคลียสที่แตกต่างกันโดยให้พลังงานเพียงพอที่จะเอาชนะอุปสรรคการเกิดนิวเคลียส โดยสังเขปพวกเขาแนะนําพัลส์อัลตราโซนิกที่สั้นมาก (≈ 1 วินาที) กับสารละลายเมื่อถึงระดับความอิ่มตัวต่ําด้วยการแพร่กระจายของไอตัวต้านตัวทําละลาย พัลส์อัลตราโซนิกถูกนํามาใช้ในระดับความอิ่มตัวสูงซึ่งโพรงอากาศทําให้เกิดเหตุการณ์นิวเคลียสมากเกินไปและดังนั้นการเจริญเติบโตของผลึกขนาดเล็กจํานวนมาก มีแนวโน้ม MAPbBr3 ฟิล์มโมโนคริสตัลไลน์เติบโตบนพื้นผิวของพื้นผิวต่างๆภายในไม่กี่ชั่วโมงของการบําบัดด้วยอัลตราโซนิกแบบวัฏจักร
การสังเคราะห์อัลตราโซนิกของจุดควอนตัม Perovskite
Chen et al. (2017) นําเสนอในงานวิจัยของพวกเขาเกี่ยวกับวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเตรียมจุดควอนตัมเพอรอฟสไกต์ (QDs) ภายใต้การฉายรังสีอัลตราโซนิก อัลตราโซนิกใช้เป็นวิธีการทางกลเพื่อเร่งการตกตะกอนของจุดควอนตัมเพอรอฟสไกต์ กระบวนการตกผลึกของจุดควอนตัมเพอรอฟสไกต์นั้นเข้มข้นขึ้นและควบคุมโดยการรักษาด้วยอัลตราโซนิกส่งผลให้มีขนาดที่ปรับแต่งได้อย่างแม่นยําของนาโนคริสตัล การวิเคราะห์โครงสร้างขนาดอนุภาคและสัณฐานวิทยาของจุดควอนตัมเพอรอฟสไกต์แสดงให้เห็นว่าการตกผลึกอัลตราโซนิกให้ขนาดอนุภาคที่เล็กลงและการกระจายขนาดอนุภาคที่สม่ําเสมอมากขึ้น การใช้การสังเคราะห์อัลตราโซนิก (= sonochemical) ยังสามารถสร้างจุดควอนตัมเพอรอฟสไกต์ที่มีองค์ประกอบทางเคมีต่างกันได้ องค์ประกอบที่แตกต่างกันเหล่านั้นในผลึกเพอรอฟสไกต์ทําให้ไม่สามารถปล่อยยอดและขอบดูดซับของ CH ได้3เอ็นเอช3พีบีเอ็กซ์3 (X = Cl, Br และ I) ซึ่งนําไปสู่ช่วงสีที่กว้างมาก
การกระจายอัลตราโซนิก
อัลตราโซนิกของสารแขวนลอยและหมึกอนุภาคนาโนเป็นเทคนิคที่เชื่อถือได้ในการกระจายตัวเป็นเนื้อเดียวกันก่อนที่จะใช้สารแขวนลอยนาโนบนพื้นผิวเช่นกริดหรืออิเล็กโทรด (อ้างอิง Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
การกระจายตัวของอัลตราโซนิกสามารถจัดการกับความเข้มข้นของแข็งสูง (เช่น น้ําพริก) และกระจายอนุภาคนาโนลงในอนุภาคที่กระจายตัวเดี่ยวเพื่อให้เกิดสารแขวนลอยที่สม่ําเสมอ สิ่งนี้ทําให้มั่นใจได้ว่าในการใช้งานครั้งต่อไปเมื่อเคลือบพื้นผิวจะไม่มีการจับตัวเป็นก้อนเช่นการรวมตัวกันทําให้ประสิทธิภาพของการเคลือบลดลง
การกระจายอัลตราโซนิกเตรียมสารแขวนลอยขนาดนาโนที่สม่ําเสมอ: เส้นโค้งสีเขียว – ก่อน sonication / เส้นโค้งสีแดงหลัง sonication
โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกสําหรับการตกตะกอน Perovskite
Hielscher Ultrasonics ออกแบบและผลิตระบบอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงสําหรับการสังเคราะห์โซโนเคมีของผลึกเพอรอฟสไกต์คุณภาพสูง ในฐานะผู้นําตลาดและด้วยประสบการณ์อันยาวนานในการประมวลผลอัลตราโซนิก Hielscher Ultrasonics ช่วยเหลือลูกค้าตั้งแต่การทดสอบความเป็นไปได้ครั้งแรกไปจนถึงการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการไปจนถึงการติดตั้งขั้นสุดท้ายของโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรมสําหรับการผลิตขนาดใหญ่ นําเสนอพอร์ตโฟลิโอเต็มรูปแบบตั้งแต่ห้องปฏิบัติการและเครื่องอัลตราโซนิกแบบตั้งโต๊ะไปจนถึงโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรม Hielscher สามารถแนะนําอุปกรณ์ที่เหมาะสําหรับกระบวนการนาโนคริสตัลของคุณ
เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher ทั้งหมดสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยําและสามารถปรับได้จากแอมพลิจูดต่ํามากถึงสูงมาก แอมพลิจูดเป็นหนึ่งในปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่อผลกระทบและการทําลายล้างของกระบวนการ sonication Hielscher อัลตราโซนิกส์’ โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกให้สเปกตรัมกว้างมากของแอมพลิจูดที่ครอบคลุมช่วงของการใช้งานที่ไม่รุนแรงและอ่อนนุ่มมากและรุนแรงมากและทําลายล้าง การเลือกการตั้งค่าแอมพลิจูดบูสเตอร์และ sonotrode ที่เหมาะสมช่วยให้สามารถตั้งค่าผลกระทบอัลตราโซนิกที่จําเป็นสําหรับกระบวนการเฉพาะของคุณ เครื่องปฏิกรณ์เซลล์ไหลพิเศษของ Hielscher แทรก MPC48 – MultiPhaseCavitator (ดูภาพซ้าย) – อนุญาตให้ฉีดเฟสที่สองผ่าน 48 cannulas เป็นสายพันธุ์บาง ๆ ลงในฮอตสปอตโพรงอากาศ ซึ่งคลื่นอัลตราซาวนด์ประสิทธิภาพสูงจะกระจายทั้งสองเฟสให้เป็นส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกัน MultiPhaseCavitator เหมาะอย่างยิ่งในการเริ่มต้นจุดเพาะคริสตัลและควบคุมปฏิกิริยาการตกตะกอนของนาโนคริสตัลเพอรอฟสไกต์
โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรม Hielscher สามารถให้แอมพลิจูดสูงเป็นพิเศษ แอมพลิจูดสูงถึง 200μm สามารถทํางานต่อเนื่องได้อย่างง่ายดายในการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน สําหรับแอมพลิจูดที่สูงขึ้นมี sonotrodes อัลตราโซนิกแบบกําหนดเอง ความทนทานของอุปกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ช่วยให้สามารถทํางานได้ตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันในงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่ต้องการ
ลูกค้าของเราพึงพอใจกับความทนทานและความน่าเชื่อถือที่โดดเด่นของระบบของ Hielscher Ultrasonic การติดตั้งในด้านการใช้งานหนักสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการและการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันช่วยให้มั่นใจได้ถึงการประมวลผลที่มีประสิทธิภาพและประหยัด การเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการอัลตราโซนิกช่วยลดเวลาในการประมวลผลและได้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้นเช่นคุณภาพที่สูงขึ้นผลผลิตที่สูงขึ้นผลิตภัณฑ์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่
ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:
| ปริมาณแบทช์ | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนํา |
|---|---|---|
| 0.5 ถึง 1.5 มล. | ไม่ | ไวอัลทวีตเตอร์ |
| 1 ถึง 500 มล. | 10 ถึง 200 มล. / นาที | UP100H |
| 10 ถึง 2000 มล. | 20 ถึง 400 มล. / นาที | UP200 ฮิต, UP400ST |
| 0.1 ถึง 20L | 0.2 ถึง 4L / นาที | UIP2000hdt |
| 10 ถึง 100L | 2 ถึง 10L / นาที | UIP4000hdT |
| ไม่ | 10 ถึง 100L / นาที | UIP16000 |
| ไม่ | ขนาด ใหญ่ | คลัสเตอร์ของ UIP16000 |
ติดต่อเรา! / ถามเรา!
โฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกกําลังสูงจาก ห้องทดลอง ถึง นักบิน และ เครื่องชั่งอุตสาหกรรม.
วรรณกรรม/อ้างอิง
- 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.
ข้อเท็จจริงที่ควรค่าแก่การรู้
เพอรอฟสไคต์
Perovskite เป็นคําที่อธิบายแร่ Perovskite (หรือที่เรียกว่าแคลเซียมไทเทเนียมออกไซด์หรือแคลเซียมไททาเนต สูตรทางเคมี CaTiO3) เช่นเดียวกับโครงสร้างวัสดุเฉพาะ ตามชื่อเดียวกันแร่ Perovskite มีโครงสร้าง perovskite
สารประกอบเพอรอฟสไกต์สามารถเกิดขึ้นได้ในโครงสร้างลูกบาศก์ เตตระโกนัล หรือออร์โธโรมบิก และมีสูตรทางเคมี ABX3. A และ B เป็นไอออนบวก ในขณะที่ X หมายถึงประจุลบซึ่งผูกติดกับทั้งสองอย่าง ในสารประกอบเพอรอฟสไกต์ไอออนบวก A มีขนาดใหญ่กว่าไอออนบวก B อย่างมีนัยสําคัญ แร่ธาตุอื่น ๆ ที่มีโครงสร้างเพอรอฟสไกต์ ได้แก่ Loparite และ Bridgmanite
เพอรอฟสไกต์มีโครงสร้างผลึกที่เป็นเอกลักษณ์และในโครงสร้างนี้สามารถรวมองค์ประกอบทางเคมีต่างๆเข้าด้วยกันได้ โมเลกุลเพอรอฟสไคต์จึงสามารถแสดงคุณสมบัติที่มีคุณค่าต่างๆ เช่น การนํายิ่งยวด ความต้านทานแม่เหล็กสูงมาก และ/หรือเฟอร์โรอิเล็กทริก ซึ่งทําให้สารประกอบเหล่านั้นน่าสนใจอย่างมากสําหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม นอกจากนี้องค์ประกอบที่แตกต่างกันจํานวนมากสามารถรวมกันเพื่อสร้างโครงสร้างเพอรอฟสไกต์ซึ่งทําให้สามารถรวมปรับเปลี่ยนและทําให้ลักษณะของวัสดุบางอย่างเข้มข้นขึ้น นักวิจัย นักวิทยาศาสตร์ และนักพัฒนากระบวนการใช้ตัวเลือกเหล่านั้นเพื่อเลือกออกแบบและเพิ่มประสิทธิภาพลักษณะทางกายภาพ แสง และไฟฟ้าของเพอรอฟสไกต์
คุณสมบัติของออปโตอิเล็กทรอนิกส์ทําให้เพอรอฟสไกต์ไฮบริดเป็นตัวเลือกที่เหมาะสําหรับการใช้งานเซลล์แสงอาทิตย์ และเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์เป็นเทคโนโลยีที่มีแนวโน้ม ซึ่งอาจช่วยในการผลิตพลังงานที่สะอาดและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมจํานวนมาก
พารามิเตอร์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่สําคัญของเพอรอฟสไกต์ผลึกเดี่ยวที่รายงานในวรรณกรรม:
τs = 28 ns τb = 300 ns PL
1.3–4.3 ไมโครเมตร × 1010แผนที่บี31.51 อีโวล 820 นาโนเมตร 67.2 (เอสซีแอลซี)
τs = 18 ns τb = 570 นาโนวินาที PL
1.8–10.0 ไมโครเมตร 1.4 × 1010แผนที่บี3850 nm164 ± 25 ความคล่องตัวของรู (SCLC) 105 ความคล่องตัวของรู (Hall) 24 ± 6.8 อิเล็กตรอน SCLC
82 ± 5 μs TPV 95 ± 8 μs อิมพีแดนซ์สเปกโทรสโกปี (IS)9 × 109 P175 ± 25 ไมโครเมตร 3.6 × 1010 สําหรับหลุม 34.5 × 1010 สําหรับ electronMAPbI31.53 eV 784 nm34 ฮอลล์
8.8 × 1011 P
1.8 × 109 สําหรับหลุม 4.8 × 1010 สําหรับ electronMAPbBr31.53 eV 784 nm34 ฮอลล์
8.8 × 1011 P
1.8 × 109 สําหรับหลุม 4.8 × 1010 สําหรับ electronMAPbBr32.24 eV 537 nm4.36 ฮอลล์
3.87 × 1012 P
2.6 × 1010 สําหรับหลุม 1.1 × 1011 สําหรับอิเล็กตรอน MAPbCl32.24 eV 537 nm4.36 ฮอลล์
3.87 × 1012 P
2.6 × 1010 สําหรับหลุม 1.1 × 1011 สําหรับอิเล็กตรอน MAPbCl32.97 eV 402 nm179 ฮอลล์
5.1 × 109 n
แผนที่ซีเคล32.88 eV 440 nm42 ± 9 (SCLC)2.7 × 10-8τs = 83 ns τb = 662 นาโนวินาที PL4.0 × 109 p3.0–8.5 μm3.1 × 1010เอฟเอพีบีไอ31.49 eV 870 nm40 ± 5 รู ความคล่องตัว SCLC1.8 × 10-8
2.8 × 109
1.34 × 1010
| วัสดุ | ช่องว่างของวงดนตรีหรือการเริ่มดูดซึม | ความคล่องตัว [ซม.2 V-1 S-1] | การนําไฟฟ้า [Ω-1 เซนติเมตร-1] | อายุการใช้งานและวิธีการของผู้ให้บริการ | ความเข้มข้นและประเภทของพาหะ [ซม.-3] (n หรือ p) | ความยาวการแพร่กระจาย | ความหนาแน่นของกับดัก [ซม.-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| แผนที่3 | 2.21 eV 570 นาโนเมตร | 115 (TOF) 20–60 (ฮอลล์) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 นาโนวินาที (PL) | 5 × 109 ถึง 5 × 1010 P | 3–17 ไมโครเมตร | 5.8 × 109 |