Синтез перовскіту методом ультразвуку
Ультразвуково індуковані та інтенсифіковані реакції пропонують легкий, точно контрольований і універсальний метод синтезу для виробництва матеріалів, що активуються світлом, який часто не може бути приготовлений звичайними методами.
Ультразвукова кристалізація та осадження кристалів перовскіту є високоефективною та економічною методикою, яка дозволяє виробляти нанокристали перовскіту в промислових масштабах для масового виробництва.
Ультразвуковий синтез нанокристалів перовскіту
Органічно-неорганічні перовскіти з галогенідом свинцю демонструють виняткові оптоелектронні властивості, такі як високе світлопоглинання, дуже тривалий термін служби носія, довжина дифузії носія та висока рухливість носія, що робить сполуки перовскіту чудовим функціональним матеріалом для високопродуктивного застосування в сонячних панелях, світлодіодах, фотодетекторах, лазерах тощо.
Ультразвук є одним з фізичних методів прискорення різних органічних реакцій. Процес кристалізації контролюється ультразвуковою обробкою, що призводить до контрольованих розмірних властивостей однокристалічних наночастинок перовскіту.
Зображення TEM для CH3nH3PbBr3 КД (а) з і (б) без ультразвукової обробки.
UIP2000HDT з реактором з проточною камерою під тиском
Приклади синтезу ультразвукового перовскіту
Дослідження проводили різноманітні типи вирощування кристалів перовскіту за допомогою ультразвуку. Як правило, кристали перовскіту готують методом росту рідини. Для осадження кристалів перовскіту розчинність цільових зразків повільно і контрольовано зменшують у розчині прекурсора. Ультразвукове осадження нанокристалів перовскіту в основному засноване на антисольвентному загартуванні.
Ультразвукова кристалізація нанокристалів перовскіту
Jang et al. (2016) повідомляють про успішний синтез нанокристалів свинцевого галогеніду перовскіту за допомогою ультразвуку. За допомогою ультразвуку, APbX3 перовскітні нанокристали з широким спектром складів, де А = СН3nH3, Cs або HN=CHNH3 (formamidinium), і X = Cl, Br або I, були осаджені. Ультразвук прискорює процес розчинення прекурсорів (AX і PbX2) в толуолі, а швидкість розчинення визначає швидкість росту нанокристалів. Згодом дослідницька група виготовила високочутливі фотодетектори шляхом гомогенного спінового покриття нанокристалів однакового розміру на підкладках з оксиду кремнію великої площі.
Гранулометричний склад CH3NH3PbBr3 (а) з і (б) без ультразвукової обробки.
Chen та ін., 2017
Ультразвукова асиметрична кристалізація перовскіту
Peng et al. (2016) розробили новий метод росту, заснований на асиметричній кристалізації, спричиненій кавітацією (CTAC), який сприяє гетерогенному зародженню, забезпечуючи достатню кількість енергії для подолання зародкового бар'єру. Коротко кажучи, вони вводили дуже короткі ультразвукові імпульси (≈ 1сек) до розчину, коли він досягав низького рівня перенасичення антисольвентною дифузією парів. Ультразвуковий імпульс вводиться при високих рівнях перенасичення, коли кавітація викликає надмірні події зародження і, отже, зростання безлічі крихітних кристалів. Багатообіцяюче, MAPbBr3 Монокристалічні плівки виросли на поверхні різних субстратів протягом декількох годин після циклічної ультразвукової обробки.
Ультразвуковий синтез перовскітних квантових точок
Chen et al. (2017) у своїй дослідницькій роботі представляють ефективний метод приготування перовскітних квантових точок (QD) при ультразвуковому опроміненні. Ультразвук використовується як механічний метод для того, щоб прискорити осадження квантових точок перовскіту. Процес кристалізації квантових точок перовскіту інтенсифікується та контролюється ультразвуковою обробкою, що призводить до точно підібраного розміру нанокристалів. Аналіз структури, розміру частинок і морфології квантових точок перовскіту показав, що ультразвукова кристалізація дає менші розміри частинок і більш рівномірний розподіл частинок за розмірами. За допомогою ультразвукового (= сонохімічного) синтезу також вдалося отримати перовскітні квантові точки з різним хімічним складом. Ці різні склади в кристалах перовскіту дозволяли виводити з ладу піки випромінювання і адсорбційні грані СН3nH3Атс3 (X = Cl, Br і I), що призвело до надзвичайно широкої колірної гами.
Ультразвукова дисперсія
Ультразвукування суспензій наночастинок і чорнила є надійним методом їх однорідного розсіювання перед нанесенням наносуспензії на підкладки, такі як сітки або електроди. (пор. Belchi та ін. 2019; Pichler et al. 2018)
Ультразвукова дисперсія легко справляється з високими концентраціями твердих речовин (наприклад, пастами) і розподіляє наночастинки на однодисперсні частинки, завдяки чому утворюється однорідна суспензія. Це гарантує, що при подальшому застосуванні, коли основа покрита, жодне грудкування, таке як агломерати, не погіршує експлуатаційні характеристики покриття.
Ультразвукова дисперсія готує однорідні нанорозмірні суспензії: зелена крива – Перед ультразвуком / Червона крива після УЗД
Ультразвукові процесори для осадження перовскіту
Hielscher Ultrasonics розробляє та виробляє високопродуктивні ультразвукові системи для сонохімічного синтезу високоякісних кристалів перовскіту. Як лідер ринку та з багаторічним досвідом ультразвукової обробки, Hielscher Ultrasonics допомагає своїм клієнтам від першого техніко-економічного обґрунтування до оптимізації процесу та кінцевого встановлення промислових ультразвукових процесорів для великомасштабного виробництва. Пропонуючи повний асортимент від лабораторних і настільних ультразвукових пристроїв до промислових ультразвукових процесорів, компанія Hielscher може порекомендувати вам ідеальний пристрій для вашого процесу роботи з нанокристалами.
Всі ультразвукові апарати Hielscher точно управляються і можуть бути налаштовані від дуже низьких до дуже високих амплітуд. Амплітуда є одним з основних факторів, що впливають на вплив і руйнівність процесів ультразвуку. Ультразвук Hielscher’ Ультразвукові процесори забезпечують дуже широкий спектр амплітуд, що охоплюють діапазон від дуже легких і м'яких до дуже інтенсивних і руйнівних застосувань. Вибір правильного налаштування амплітуди, бустера та сонотроду дозволяє встановити необхідний ультразвуковий вплив для вашого конкретного процесу. Реакторна вставка зі спеціальною проточною коміркою Hielscher MPC48 – MultiPhaseCavitator (див. рис. ліворуч) – Дозволяє вводити другу фазу через 48 канюль у вигляді тонкої деформації в кавітаційну гарячу точку, де високоефективні ультразвукові хвилі розсіюють дві фази в однорідну суміш. Багатофазний кавітатор ідеально підходить для ініціювання точок посіву кристалів і для контролю реакції осадження нанокристалів перовскіту.
Промислові ультразвукові процесори Hielscher можуть видавати надзвичайно високі амплітуди. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 у важких умовах і в складних умовах.
Наші клієнти задоволені винятковою міцністю та надійністю систем Hielscher Ultrasonic. Установка в місцях важких умов експлуатації, вимогливих умовах і робота в режимі 24/7 забезпечують ефективну і економічну переробку. Ультразвукова інтенсифікація процесу скорочує час обробки і дозволяє досягти кращих результатів, тобто більш високої якості, більш високих виходів, інноваційних продуктів.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:
| Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 0від .5 до 1.5 мл | Н.А. | VialTweeter |
| Від 1 до 500 мл | Від 10 до 200 мл/хв | UP100H |
| Від 10 до 2000 мл | Від 20 до 400 мл/хв | UP200Ht, UP400St |
| 0від 1 до 20 л | 0від .2 до 4 л/хв | UIP2000HDT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л/хв | UIP4000HDT |
| Н.А. | Від 10 до 100 л/хв | UIP16000 |
| Н.А. | Більше | кластер UIP16000 |
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Потужні ультразвукові гомогенізатори від Лабораторії до Пілот і Промислові масштаби.
Література/Список літератури
- 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.
Факти, які варто знати
перовскіт
Перовскіт - це термін, який описує мінерал перовскіт (також відомий як оксид титану кальцію або титанат кальцію, хімічна формула CaTiO3), а також специфічну структуру матеріалу. Відповідно до однойменної назви, мінерал перовскіт має перовскітну структуру.
Перовскітні сполуки можуть зустрічатися в кубічній, тетрагональній або орторомбічній структурі і мати хімічну формулу ABX3. A і B є катіонами, тоді як X представляє аніон, який зв'язується з обома. У сполуках перовскіту катіон А значно більший, ніж катіон В. Іншими мінералами з перовскітною структурою є лопарит і бриджманіт.
Перовскіти мають унікальну кристалічну структуру і в цій структурі можуть поєднуватися різні хімічні елементи. Завдяки особливій кристалічній структурі молекули перовскіту можуть проявляти різні цінні властивості, такі як надпровідність, дуже високий магнітоопір та/або сегнетоелектрика, що робить ці сполуки дуже цікавими для промислового застосування. Крім того, велика кількість різних елементів може бути об'єднана разом, утворюючи перовскітні структури, що дозволяє комбінувати, модифікувати та посилювати певні характеристики матеріалу. Дослідники, вчені та розробники процесів використовують ці варіанти для вибіркового проектування та оптимізації фізичних, оптичних та електричних характеристик перовскіту.
Їх оптоелектронні властивості роблять гібридні перовскіти ідеальними кандидатами для застосування в сонячних елементах, а перовскітні сонячні елементи є перспективною технологією, яка може допомогти виробляти велику кількість чистої, екологічно чистої енергії.
Критичні оптикоелектронні параметри монокристалічного перовскіту повідомляються в літературі:
τs = 28 нс τb = 300 нс PL
1,3–4,3 мкм3 × 1010МАПбІ31,51 еВ 820 нм67,2 (ДКРЛ)
τs = 18 нс τb = 570 нс PL
1,8–10,0 мкм1,4 × 1010МАПбІ3850 нм164 ± 25 Рухливість отворів (SCLC) 105 Рухливість отворів (Холл) 24 ± 6,8 електрон SCLC
82 ± 5 мкс TPV 95 ± 8 мкс імпедансна спектроскопія (IS)9 × 109 P175 ± 25 мкм3,6 × 1010 для отвору 34.5 × 1010 для electronMAPbI31,53 еВ 784 нм34 Холл
8,8 × 1011 p
1.8 × 109 для отвору 4.8 × 1010 для electronMAPbBr31,53 еВ 784 нм34 Холл
8,8 × 1011 p
1.8 × 109 для отвору 4.8 × 1010 для electronMAPbBr32,24 еВ 537 нм4,36 Холл
3.87 × 1012 p
2.6 × 1010 для отвору 1.1 × 1011 для electronMAPbCl32,24 еВ 537 нм4,36 Холл
3.87 × 1012 p
2.6 × 1010 для отвору 1.1 × 1011 для electronMAPbCl32,97 еВ 402 нм179 Холл
5.1 × 109 N
MAPbCl32,88 еВ 440 нм42 ± 9 (SCLC)2,7 × 10-8τs = 83 нс τb = 662 нс PL4.0 × 109 p3,0–8,5 мкм3,1 × 1010ФАПбІ31,49 еВ 870 нм40 ± 5 отворів Рухливість SCLC1.8 × 10-8
2.8 × 109
1.34 × 1010
| Матеріали | Ширина смуги або початок абсорбції | Рухливість [см2 V-1 s-1] | Провідність [Ω-1 См-1] | Термін служби та спосіб роботи перевізника | Концентрація та тип носія [см-3] (п або п) | Довжина дифузії | Щільність пастки [см-3] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| MAPbBr3 | 2,21 еВ 570 нм | 115 (TOF) 20–60 (Зал) 38 (SCLC) | τs = 41 нс τb = 457 нс (PL) | 5 × 109 до 5 × 1010 p | 3–17 мкм | 5,8 × 109 |