การสังเคราะห์เพอรอฟสไกต์ด้วยอัลตราโซนิก
ปฏิกิริยาที่เหนี่ยวนำและเพิ่มความเข้มข้นด้วยอัลตราโซนิกเป็นวิธีการสังเคราะห์ที่ทำได้ง่าย ควบคุมได้อย่างแม่นยำ และใช้ได้หลากหลาย สำหรับการผลิตวัสดุที่ถูกกระตุ้นด้วยแสง ซึ่งมักไม่สามารถเตรียมได้ด้วยเทคนิคทั่วไป
การตกผลึกและการตกตะกอนของผลึกเพอรอฟสไกต์ด้วยอัลตราโซนิกเป็นเทคนิคที่มีประสิทธิภาพสูงและประหยัด ซึ่งช่วยให้สามารถผลิตผลึกนาโนเพอรอฟสไกต์ในระดับอุตสาหกรรมเพื่อการผลิตจำนวนมากได้
การสังเคราะห์ผลึกนาโนเพอรอฟสไกต์ด้วยอัลตราโซนิก
เพอรอฟสไกต์ตะกั่วเฮไลด์ชนิดอินทรีย์–อนินทรีย์มีสมบัติทางออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่โดดเด่น เช่น การดูดกลืนแสงสูง อายุของพาหะประจุที่ยาวนานมาก ระยะการแพร่ของพาหะประจุ และความคล่องตัวของพาหะประจุสูง ซึ่งทำให้สารประกอบเพอรอฟสไกต์เป็นวัสดุเชิงหน้าที่ที่เหนือกว่าสำหรับการใช้งานที่ต้องการสมรรถนะสูงในแผงเซลล์แสงอาทิตย์ LED ตัวตรวจจับแสง เลเซอร์ เป็นต้น
การใช้อัลตราโซนิกเป็นหนึ่งในวิธีทางกายภาพสำหรับเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ต่าง ๆ การบำบัดด้วยอัลตราโซนิกส่งผลต่อและควบคุมกระบวนการตกผลึก ทำให้สามารถควบคุมลักษณะด้านขนาดของอนุภาคนาโนเพอรอฟสไกต์ชนิดผลึกเดี่ยวได้
ภาพ TEM ของ CH3NH3PbBr3 QDs (a) ที่ผ่านและ (b) ที่ไม่ผ่านการบำบัดด้วยอัลตราโซนิก
UIP2000hdT พร้อมเครื่องปฏิกรณ์เซลล์ไหลที่สามารถเพิ่มความดันได้
กรณีศึกษาการสังเคราะห์เพอรอฟสไกต์ด้วยอัลตราโซนิก
มีการวิจัยเกี่ยวกับการเติบโตของผลึกเพอรอฟสไกต์ที่ใช้อัลตราโซนิกช่วยหลายรูปแบบ โดยทั่วไป ผลึกเพอรอฟสไกต์เตรียมด้วยวิธีการเติบโตในของเหลว เพื่อให้ผลึกเพอรอฟสไกต์ตกตะกอน จะลดความสามารถในการละลายของตัวอย่างเป้าหมายในสารละลายสารตั้งต้นอย่างช้า ๆ และมีการควบคุม การตกตะกอนของผลึกนาโนเพอรอฟสไกต์ด้วยอัลตราโซนิกอาศัยการทำให้ตกตะกอนอย่างฉับพลันด้วยสารต้านตัวทำละลายเป็นหลัก
การตกผลึกของผลึกนาโนเพอรอฟสไกต์ด้วยอัลตราโซนิก
Jang และคณะ (2016) รายงานความสำเร็จในการสังเคราะห์ผลึกนาโนเพอรอฟสไกต์ตะกั่วเฮไลด์โดยใช้อัลตราโซนิกช่วย การใช้อัลตราโซนิกทำให้เกิดการตกตะกอนของผลึกนาโนเพอรอฟสไกต์ APbX3 ที่มีองค์ประกอบหลากหลาย โดย A = CH3NH3, Cs หรือ HN=CHNH3 (formamidinium) และ X = Cl, Br หรือ I การใช้อัลตราโซนิกเร่งกระบวนการละลายของสารตั้งต้น (AX และ PbX2) ในโทลูอีน และอัตราการละลายเป็นตัวกำหนดอัตราการเติบโตของผลึกนาโน ต่อมา ทีมวิจัยได้ผลิตตัวตรวจจับแสงที่มีความไวสูงโดยเคลือบผลึกนาโนที่มีขนาดสม่ำเสมอลงบนวัสดุฐานซิลิคอนออกไซด์ที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ด้วยวิธีเคลือบแบบหมุนให้เป็นเนื้อเดียวกัน
การกระจายขนาดอนุภาคของ CH3NH3PbBr3 (a) ที่ผ่านและ (b) ที่ไม่ผ่านการบำบัดด้วยอัลตราโซนิก
Chen และคณะ 2017
การตกผลึกแบบอสมมาตรของเพอรอฟสไกต์ด้วยอัลตราโซนิก
Peng และคณะ (2016) พัฒนาวิธีการเติบโตแบบใหม่ที่อาศัยการตกผลึกแบบอสมมาตรซึ่งถูกกระตุ้นด้วยคาวิเทชัน (CTAC) โดยส่งเสริมการเกิดนิวเคลียสแบบวิวิธพันธุ์ด้วยการให้พลังงานเพียงพอที่จะเอาชนะกำแพงพลังงานของการเกิดนิวเคลียส กล่าวโดยย่อ พวกเขาป้อนพัลส์อัลตราโซนิกที่สั้นมาก (≈ 1 วินาที) ลงในสารละลายเมื่อสารละลายมีระดับความอิ่มตัวยิ่งยวดต่ำจากการแพร่ของไอสารต้านตัวทำละลาย พัลส์อัลตราโซนิกถูกป้อนที่ระดับความอิ่มตัวยิ่งยวดสูง ซึ่งคาวิเทชันกระตุ้นให้เกิดนิวเคลียสจำนวนมากเกินไป และจึงทำให้เกิดการเติบโตของผลึกขนาดเล็กจำนวนมาก ผลที่น่าสนใจคือ ฟิล์มผลึกเดี่ยว MAPbBr3 เติบโตบนพื้นผิวของวัสดุฐานต่าง ๆ ภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมงของการบำบัดด้วยอัลตราโซนิกเป็นรอบ ๆ
การสังเคราะห์ควอนตัมดอตเพอรอฟสไกต์ด้วยอัลตราโซนิก
Chen และคณะ (2017) นำเสนอวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเตรียมควอนตัมดอตเพอรอฟสไกต์ (QDs) ภายใต้การฉายคลื่นอัลตราโซนิกในงานวิจัยของพวกเขา การใช้อัลตราโซนิกเป็นวิธีทางกลเพื่อเร่งการตกตะกอนของควอนตัมดอตเพอรอฟสไกต์ การบำบัดด้วยอัลตราโซนิกเพิ่มความเข้มข้นและควบคุมกระบวนการตกผลึกของควอนตัมดอตเพอรอฟสไกต์ ทำให้สามารถปรับขนาดของผลึกนาโนได้อย่างแม่นยำตามต้องการ การวิเคราะห์โครงสร้าง ขนาดอนุภาค และสัณฐานวิทยาของควอนตัมดอตเพอรอฟสไกต์แสดงให้เห็นว่า การตกผลึกด้วยอัลตราโซนิกให้อนุภาคที่มีขนาดเล็กลงและมีการกระจายขนาดอนุภาคที่สม่ำเสมอมากขึ้น การสังเคราะห์ด้วยอัลตราโซนิก (= โซโนเคมี) ยังทำให้สามารถผลิตควอนตัมดอตเพอรอฟสไกต์ที่มีองค์ประกอบทางเคมีแตกต่างกันได้ องค์ประกอบที่แตกต่างกันเหล่านี้ในผลึกเพอรอฟสไกต์ทำให้สามารถ “unable” พีคการเปล่งแสงและขอบการดูดซับของ CH3NH3PbX3 (X = Cl, Br และ I) ซึ่งนำไปสู่ขอบเขตสีที่กว้างอย่างยิ่ง
การกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิก
การใช้อัลตราโซนิกกับสารแขวนลอยและหมึกที่มีอนุภาคนาโนเป็นเทคนิคที่เชื่อถือได้ในการกระจายอนุภาคให้เป็นเนื้อเดียวกันก่อนนำสารแขวนลอยนาโนไปใช้บนวัสดุฐาน เช่น กริดหรือขั้วไฟฟ้า (เทียบกับ Belchi และคณะ 2019; Pichler และคณะ 2018)
การกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกจัดการกับของแข็งที่มีความเข้มข้นสูง (เช่น เพสต์) ได้อย่างง่ายดาย และกระจายอนุภาคนาโนให้เป็นอนุภาคเดี่ยวที่แยกจากกัน จึงได้สารแขวนลอยที่สม่ำเสมอ วิธีนี้ช่วยให้มั่นใจว่าในการใช้งานขั้นต่อมาเมื่อเคลือบวัสดุฐาน การจับตัวเป็นก้อน เช่น การรวมกลุ่มของอนุภาค จะไม่ลดสมรรถนะของสารเคลือบ
การกระจายตัวด้วยอัลตราโซนิกใช้เตรียมสารแขวนลอยขนาดนาโนที่สม่ำเสมอ: เส้นโค้งสีเขียว – ก่อนการใช้อัลตราโซนิก / เส้นโค้งสีแดงหลังการใช้อัลตราโซนิก
เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกสำหรับการตกตะกอนของเพอรอฟสไกต์
Hielscher Ultrasonics ออกแบบและผลิตระบบอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับการสังเคราะห์ผลึกเพอรอฟสไกต์คุณภาพสูงด้วยโซโนเคมี ในฐานะผู้นำตลาดและด้วยประสบการณ์อันยาวนานด้านกระบวนการอัลตราโซนิก Hielscher Ultrasonics ช่วยเหลือลูกค้าตั้งแต่การทดสอบความเป็นไปได้ครั้งแรก การปรับกระบวนการให้เหมาะสม ไปจนถึงการติดตั้งเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมขั้นสุดท้ายสำหรับการผลิตขนาดใหญ่ ด้วยผลิตภัณฑ์ครบกลุ่มตั้งแต่เครื่องอัลตราโซนิกสำหรับห้องปฏิบัติการและแบบตั้งโต๊ะไปจนถึงเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรม Hielscher จึงสามารถแนะนำอุปกรณ์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกระบวนการผลึกนาโนของคุณได้
เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher ทุกเครื่องควบคุมได้อย่างแม่นยำ และสามารถปรับแอมพลิจูดได้ตั้งแต่ต่ำมากจนถึงสูงมาก แอมพลิจูดเป็นหนึ่งในปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่อผลกระทบและความสามารถในการทำลายของกระบวนการใช้อัลตราโซนิก เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกของ Hielscher Ultrasonics ให้ช่วงแอมพลิจูดที่กว้างมาก ครอบคลุมการใช้งานตั้งแต่อ่อนและนุ่มนวลมากไปจนถึงรุนแรงและทำลายได้มาก การเลือกการตั้งค่าแอมพลิจูด บูสเตอร์ และโซโนโทรดที่เหมาะสมช่วยให้กำหนดผลกระทบจากอัลตราโซนิกตามที่กระบวนการเฉพาะของคุณต้องการได้ ชิ้นส่วนแทรกสำหรับเครื่องปฏิกรณ์เซลล์ไหลพิเศษของ Hielscher รุ่น MPC48 – MultiPhaseCavitator (ดูภาพด้านซ้าย) – ช่วยให้ฉีดเฟสที่สองผ่านแคนนูลา 48 ช่องในลักษณะ “thin strain” เข้าไปยังจุดร้อนของคาวิเทชัน ซึ่งคลื่นอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงจะกระจายทั้งสองเฟสให้เป็นส่วนผสมเนื้อเดียวกัน MultiPhaseCavitator เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเริ่มจุดกำเนิดผลึกและควบคุมปฏิกิริยาการตกตะกอนของผลึกนาโนเพอรอฟสไกต์
เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมของ Hielscher สามารถให้แอมพลิจูดสูงเป็นพิเศษได้ แอมพลิจูดสูงถึง 200µm สามารถใช้งานต่อเนื่องแบบ 24/7 ได้อย่างง่ายดาย สำหรับแอมพลิจูดที่สูงกว่านี้ มีโซโนโทรดอัลตราโซนิกที่ผลิตตามความต้องการให้เลือกใช้ ความทนทานของอุปกรณ์อัลตราโซนิก Hielscher ช่วยให้ใช้งานแบบ 24/7 ภายใต้ภาระงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดเข้มงวดได้
ลูกค้าของเราพึงพอใจกับความทนทานและความเชื่อถือได้ที่โดดเด่นของระบบ Hielscher Ultrasonics การติดตั้งเพื่อใช้งานหนัก ในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดเข้มงวด และเพื่อการทำงานแบบ 24/7 ช่วยให้มั่นใจได้ถึงกระบวนการที่มีประสิทธิภาพและประหยัด การเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการด้วยอัลตราโซนิกช่วยลดเวลาการประมวลผลและให้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้น ได้แก่ คุณภาพที่สูงขึ้น ผลได้ที่สูงขึ้น และผลิตภัณฑ์เชิงนวัตกรรม
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:
| ปริมาตรต่อชุด | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนำ |
|---|---|---|
| 0.5 ถึง 1.5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1 ถึง 500mL | 10 ถึง 200mL/min | UP100H |
| 10 ถึง 2000mL | 20 ถึง 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 ถึง 20L | 0.2 ถึง 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 ถึง 100L | 2 ถึง 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 ถึง 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | สูงกว่านี้ | ชุดเครื่อง UIP16000 |
ติดต่อเรา! / สอบถามเรา!
เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกกำลังสูงตั้งแต่ระดับ ห้องปฏิบัติการ ไปจนถึงระดับ นำร่อง และ ระดับอุตสาหกรรม.
วรรณกรรม/เอกสารอ้างอิง
- 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.
ข้อเท็จจริงที่ควรรู้
เพอรอฟสไกต์
เพอรอฟสไกต์เป็นคำที่ใช้เรียกแร่เพอรอฟสไกต์ (หรือที่รู้จักกันในชื่อแคลเซียมไทเทเนียมออกไซด์หรือแคลเซียมไททาเนต มีสูตรเคมี CaTiO3) ตลอดจนโครงสร้างวัสดุเฉพาะชนิดหนึ่ง ตามชื่อที่ใช้ร่วมกัน แร่เพอรอฟสไกต์มีโครงสร้างแบบเพอรอฟสไกต์
สารประกอบเพอรอฟสไกต์อาจมีโครงสร้างแบบลูกบาศก์ เตตระโกนัล หรือออร์โธรอมบิก และมีสูตรเคมี ABX3. A และ B เป็นแคตไอออน ส่วน X แทนแอนไอออนซึ่งสร้างพันธะกับทั้งสองชนิด ในสารประกอบเพอรอฟสไกต์ แคตไอออน A มีขนาดใหญ่กว่าแคตไอออน B อย่างมาก แร่อื่น ๆ ที่มีโครงสร้างแบบเพอรอฟสไกต์ ได้แก่ โลพาไรต์และบริดจ์มาไนต์
เพอรอฟสไกต์มีโครงสร้างผลึกที่เป็นเอกลักษณ์ และธาตุเคมีต่าง ๆ สามารถรวมกันในโครงสร้างนี้ได้ เนื่องจากโครงสร้างผลึกพิเศษ โมเลกุลเพอรอฟสไกต์จึงสามารถแสดงสมบัติที่มีคุณค่าต่าง ๆ เช่น ความเป็นตัวนำยิ่งยวด ความต้านทานแม่เหล็กที่สูงมาก และ/หรือความเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริก ซึ่งทำให้สารประกอบเหล่านี้น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม นอกจากนี้ ธาตุต่างชนิดจำนวนมากสามารถรวมกันเพื่อสร้างโครงสร้างเพอรอฟสไกต์ ทำให้สามารถผสมผสาน ปรับเปลี่ยน และเพิ่มลักษณะเฉพาะบางประการของวัสดุได้ นักวิจัย นักวิทยาศาสตร์ และผู้พัฒนากระบวนการใช้ทางเลือกเหล่านี้เพื่อออกแบบและปรับลักษณะทางกายภาพ ทางแสง และทางไฟฟ้าของเพอรอฟสไกต์ให้เหมาะสมตามที่เลือกไว้
สมบัติทางออปโตอิเล็กทรอนิกส์ทำให้เพอรอฟสไกต์ไฮบริดเป็นวัสดุที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในเซลล์แสงอาทิตย์ และเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์เป็นเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มดี ซึ่งอาจช่วยผลิตพลังงานสะอาดที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมได้ในปริมาณมาก
พารามิเตอร์ทางออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญของเพอรอฟสไกต์ชนิดผลึกเดี่ยวที่รายงานในวรรณกรรม:
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 ความคล่องตัวของโฮล (SCLC) 105 ความคล่องตัวของโฮล (Hall) 24 ± 6.8 อิเล็กตรอน SCLC
82 ± 5 µs TPV 95 ± 8 µs อิมพีแดนซ์สเปกโทรสโกปี (IS)9 × 109 p175 ± 25 µm3.6 × 1010 สำหรับโฮล 34.5 × 1010 สำหรับอิเล็กตรอน MAPbI31.53 eV 784 nm34 Hall
8.8 × 1011 p
1.8 × 109 สำหรับโฮล 4.8 × 1010 สำหรับอิเล็กตรอน MAPbBr31.53 eV 784 nm34 Hall
8.8 × 1011 p
1.8 × 109 สำหรับโฮล 4.8 × 1010 สำหรับอิเล็กตรอน MAPbBr32.24 eV 537 nm4.36 Hall
3.87 × 1012 p
2.6 × 1010 สำหรับโฮล 1.1 × 1011 สำหรับอิเล็กตรอน MAPbCl32.24 eV 537 nm4.36 Hall
3.87 × 1012 p
2.6 × 1010 สำหรับโฮล 1.1 × 1011 สำหรับอิเล็กตรอน 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 ความคล่องตัวของโฮล SCLC1.8 × 10-8
2.8 × 109
1.34 × 1010
| วัสดุ | ช่องว่างแถบพลังงานหรือจุดเริ่มต้นการดูดกลืน | ความคล่องตัว [cm2 V-1 s-1] | ความนำไฟฟ้า [Ω-1 cm-1] | อายุของพาหะประจุและวิธีการ | ความเข้มข้นและชนิดของพาหะประจุ [cm-3] (n หรือ p) | ระยะการแพร่ | ความหนาแน่นของกับดัก [cm-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2.21 eV 570 nm | 115 (TOF) 20–60 (Hall) 38 (SCLC) | τs = 41 ns τb = 457 ns (PL) | 5 × 109 ถึง 5 × 1010 p | 3–17 µm | 5.8 × 109 |