Inkjet-drucken alle anorganischen Halogenid-Perowskit-Tinten für photovoltaische Anwendungen

Zusammenfassung

Ein Protokoll für die Synthese von anorganischen-Blei-Halogenid Hybrid Perowskit Quantum Dot Druckfarben für den Inkjet-Druck und das Protokoll für die Vorbereitung und drucken die Quantum Dot Tinten in einem Tintenstrahldrucker mit Post Charakterisierung Techniken werden vorgestellt.

Zusammenfassung

Eine Methode zur Synthese von photoaktiven anorganische Perowskit Quantum Dot Tinten und ein Inkjet-Drucker Ablagerung Methode, bei der die synthetisierten Tinten werden demonstriert. Die Tinte Synthese basiert auf einer einfachen nassen chemischen Reaktion und der Inkjet-Druck-Protokoll ist eine einfache Schritt-für-Schritt-Methode. Die Inkjet bedruckt Dünnfilme wurden von x-ray Diffraction, optische Absorption Spektroskopie, Photoluminescent Spektroskopie und elektronischen Transport Messungen geprägt. X-ray Diffraction der gedruckten Quantum Dot Filme zeigt eine Kristallstruktur eine orthorhombic Raumtemperatur Phase mit (001) Orientierung entsprechen. Die x-ray Diffraction Messungen zeigen in Verbindung mit anderen Charakterisierungsmethoden hohe Qualität, die Filme durch die Inkjet-Druckverfahren gewonnen werden können.

Einleitung

Dieter Weber synthetisiert die erste Bio-anorganische Hybrid Halogenid Perovskites in 1978^1,2. Rund fabriziert 30 Jahre später im Jahr 2009, Akihiro Kojima und Kollaborateure Photovoltaik-Geräte mit der gleichen organisch-anorganische Hybrid Halogenid Perovskites synthetisiert von Weber, nämlich, CH₃NH₃PbI₃ und CH₃NH₃ PbBr₃³. Diese Experimente wurden zum Jahresbeginn eine anschließende Flutwelle der Forschung konzentriert sich auf die Photovoltaik Eigenschaften des Bio-anorganische Hybrid Halogenid Perovskites. Von 2009 bis 2018, der Gerät Wirkungsgrad dramatisch zugenommen von 3,8 %³ auf über 23 %⁴, so dass organische anorganische Hybrid Halogenid Perovskites vergleichbar mit Si-basierte Solarzellen. Als wurde mit der organisch-anorganische Halogenid-basierte Perovskites der anorganischen Halogenid-basierte Perovskites Traktion in der Forschungsgemeinschaft etwa 2012 wenn die ersten Photovoltaik-Gerät-Effizienz gemessen wurde, 0,9 %⁵. Seit 2012 haben die alle anorganischen Halogenid-basierte Perovskites einen langen Weg zurückgelegt, mit einigen Gerät Effizienz gemessen, um über 13 % wie in der Studie von 2017 werden von Sanehira Et al. ⁶ der organischen und anorganischen-basierten Perovskites finden Anwendungen im Zusammenhang mit Laser^7,8,9,10, Licht emittierende Dioden^{11, 12 , 13}, hochenergetische Strahlung Erkennung¹⁴, Foto-Erkennung^15,16und natürlich Photovoltaikanwendungen^5,15,17,18 . Fast im letzten Jahrzehnt viele verschiedenen Synthesetechniken entstanden aus Wissenschaftler und Ingenieure von Lösungsverfahren verarbeitet, Vakuum vapor Deposition Techniken^19,20,21. Das Halogenid-Perovskites synthetisiert, mit einer Lösung verarbeitet Methode sind vorteilhaft, da sie leicht als Tinten für Tintenstrahldrucker drucken¹⁵eingesetzt werden können.

Im Jahr 1987 gemeldete die erste Verwendung von Inkjet-Druck von Solarzellen vorgestellt wurde. Seitdem Wissenschaftler und Ingenieure haben Möglichkeiten, um erfolgreich alle anorganischen Solarzellen mit attraktiven Leistungseigenschaften drucken gesucht und geringe Inanspruchnahme kostet²². Es gibt viele Vorteile für den Inkjet-Druck Solarzellen im Vergleich zu einigen gemeinsamen Vakuum basiert Herstellungsmethoden. Ein wichtiger Aspekt der Inkjet-Druckverfahren ist, dass die Lösung basierende Materialien wie Tinten verwendet werden. Dies öffnet die Tür für Studien aus vielen verschiedenen Materialien, wie z. B. anorganische Perowskit-Tinten, die durch leichtfertige nassen chemische Methoden synthetisiert werden können. In anderen Worten, ist Inkjet-Druck der Solarzelle Materialien eine kostengünstige Route zum rapid Prototyping. Inkjet-Druck hat auch die Vorteile des Seins in der Lage, große Flächen auf flexiblen Substraten und Drucken von Design bei niedrigen Temperaturen unter atmosphärischen Bedingungen. Inkjet-Druck eignet sich darüber hinaus für die Massenproduktion ermöglicht realistische low-cost-Rolle-zu-Rolle-Implementierung^23,24.

In diesem Artikel besprechen wir zuerst die Schritte mit Synthese von anorganischen Perowskit Quantum Dot Druckfarben für den Inkjet-Druck. Dann beschreiben wir die zusätzlichen Schritte für die Zubereitung von Tinten für den Druck und die eigentlichen Verfahren für Inkjet Drucken eines photoaktiven Films mit einem handelsüblichen Inkjet-Drucker. Schließlich diskutieren wir die Charakterisierung von bedruckten Folien ist notwendig um sicherzustellen, dass die Filme von richtigen chemischen und Kristall Komposition für hochwertige Geräteleistung.

Protokoll

Achtung: Bitte konsultieren Sie das Labor Sicherheitsdatenblätter (SDB), bevor Sie fortfahren. In dieser Synthese Protokolle verwendeten Chemikalien haben Gesundheitsgefahren verbunden. Nanomaterialien haben darüber hinaus zusätzliche Gefahren, die im Vergleich zu ihrer Masse Gegenstück. Nutzen Sie alle entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen bei der Durchführung einer Nanocrystal Reaktion, einschließlich der Verwendung von einem Abzug oder Handschuhfach und die richtige persönliche Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe, Kittel, Hosen, geschlossene Schuhe, etc.).

1. Vorläufer Synthese

1. Cäsium Oleate Vorläufer Synthese
   Hinweis: Cäsium Oleate synthetisiert wird unter einer N-₂ -Umgebung.
   1. Fügen Sie 0,203 g von Cäsium (Cs₂CO₃) Carbonat 10 mL Octadecene (ODE) und 1,025 mL Ölsäure (OA), drei runde Unterseite rühren Flasche necked hinzu. Die drei necked Rundboden-Kolben für Cäsium Oleate Vorläufer ist 1 in Abbildung 1abeschriftet.
   2. Legen Sie ein Thermometer oder Thermoelement in eines der Hals über einen Gummistopfen.
   3. Legen Sie ein Gummiseptum in eines der verbleibenden Hälse und bringen Sie die dritten und letzten Hals, ein Stickstoff Gas Linie über eine Schlenk-Linie. Legen Sie die Mischung unter gasförmigen Stickstoff-Atmosphäre.
   4. Erhitzen Sie die Mischung auf 150 ° C unter ständigem Rühren mit einer mitreißenden Geschwindigkeit von 399 mm/s mit einer 2,54 cm magnetische rühren bis die Cs₂CO₃ vollständig auflöst.
   5. Senken Sie die Temperatur auf 100 ° C, Niederschlag und Zersetzung des Cäsium Oleate und rühren bei der gleichen Rührgeschwindigkeit wie in Schritt 1.1.4 zu vermeiden.
2. Oleylamine-PbBr-₂ -Vorläufer-Synthese
   Hinweis: Oleylamine-PbBr₂ Vorläufer synthetisiert wird unter einer N-₂ -Umgebung.
   1. Hinzugeben Sie 37,5 mL ODE, 7,5 mL Oleylamine (OAm), 3,75 mL OA und 1,35 Mmol PbBr₂ in drei weiteren Runde Unterseite rühren Flasche necked. Die drei necked Runde unten bewegenden Kolben für OAm-PbBr2 2 in Abbildung 1agekennzeichnet ist. Abbildung 1 b zeigt die ungemischte Vorläufer-Lösung.
   2. Ein Thermometer oder Thermoelement in eines der Hals legen Sie und irgendeine Art von Polymerfolie um Thermometer/Thermoelement Hals zu versiegeln, siehe Abbildung 1.
   3. Legen Sie einen Gummistopfen in einem der verbleibenden Hälse und bringen Sie die dritten und letzten Hals zu einer Stickstoff-Gas-Linie über eine Schlenk Leitung. Legen Sie die Mischung unter gasförmigen Stickstoff-Atmosphäre.
   4. Erhitzen Sie die Mischung auf 100 ° C unter ständigem Rühren mit einer mitreißenden Geschwindigkeit von 599 mm/s mit einer magnetischen rühren bis die PbBr₂ vollständig aufgelöst ist. Die Vorläufer-Lösung unter ständigem Rühren ist in Abbildung 1c und die Lösung vollständig gelösten Vorstufe ist in Abbildung 1d angezeigt.
   5. Erhitzen Sie die Mischung auf 170 ° C unter ständigem Rühren, beachten Sie, dass das Gemisch durchläuft eine Farbveränderung bis dunkelgelb bis 170 ° C wie in Abbildung 1d. gesehen verlassen unter 170 ° C Hitze rühren.

(2) CsPbBr₃ Quantum Dot Synthese

1. Mit einer Spritze, 2 mL Glas, mit einer 10 cm langen 18-Gauge-Nadel, 1,375 mL Cäsium Oleate Vorläufer von drei Hals-Kolben durch das Gummiseptum zu extrahieren, wie in Abbildung 2gezeigt ein.
2. Schnell zu injizieren, über die Gummiseptum, die 1,375 mL Cäsium Oleate Vorläufer in den drei Hals-Kolben mit OAm-PbBr-₂ -Vorläufer, wie in Abbildung 2b dargestellt. Eine beobachtbare Farbe geändert, eine brillante gelb-grün, wie in Abbildung 2c gezeigt werden sollte.
3. Nach der Injektion von Cäsium Oleate Vorläufer, warten 5 s, die drei Hals-Kolben vom Herd nehmen und tauchen die drei Hals Rundboden-Flasche in ein Eis/Wasser-Bad bei 0 ° C, wie in Abbildung 3dargestellt ein.
4. Trennen Sie die Lösung in den drei Hals-Kolben ebenso in 2 Reagenzgläser, etwa 25 mL pro Reagenzglas.
5. 25mL Aceton zu jeder überstand Lösungen hinzufügen, dann mit Zentrifuge mit folgenden Parameter zu trennen.
6. Trennen Sie die Quantenpunkte mit einer Zentrifuge bei 2431.65 x g für 5 min bei Raumtemperatur Einstellung, wie in Abbildung 3 bgezeigt.
7. Trennen Sie den Überstand und zentrifugiert Quantenpunkte, wie in Abbildung 3 c, dargestellt durch das Gießen des Überstands in ein leeres Reagenzglas.
8. Schließlich lösen sich die getrennten Quantenpunkte in 10-25 mL Hexanes oder Cyclohexanes. Diese Lösung kann dann als eine Tinte im Drucker Tintenpatronen für dünne Druckfolien verwendet werden.
   Hinweis: Ein handelsüblichen Inkjet-Drucker wurde verwendet, um alle die Quantum Dot Dünnschichten der anorganischen Halogenid-basierte Perowskit-Tinten gedruckt. In diesem Protokoll Substraten aus amorphen Glas und Indium-Zinn-Oxid beschichtetes Polyethylenterephthalat (ITO/PET) dienten während der Messung. Um sicherzustellen, dass die Substratoberfläche sauber vor dem Drucken ist, wurden die Substrate mit einer Aceton-Waschung, gefolgt von einer Methanol-Wäsche gereinigt.

3. reinigen den Druckkopf

1. Stellen Sie zunächst sicher, dass der Drucker angeschlossen ist und der Zugriff auf die Tintenpatronen und Druckkopf eingeschaltet.
2. Nehmen Sie die Tintenpatronen aus den Druckkopf, öffnen Sie die Oberseite des Druckers und die Tintenpatronen wieder die Mittelstellung und die roten Lichter unter die Tintenpatronen zu beleuchtenden warten Sie, und entfernen Sie dann alle Patronen.
3. Bewegen Sie den Druckkopf leicht nach rechts und die Wache auf dem Tablett Tinte herausziehen Sie, so dass dadurch das Fach an Ihrem Platz bleiben, wie in Abbildung 4dargestellt. Auf der Rückseite des Fachs Tinte zu erreichen Sie und Kneifen Sie der Kunststoff Raumteiler trennt die beiden Hälften des Druckkopfes. Ziehen Sie vorsichtig und der Druckkopf wird leicht entfernt werden.
4. Um den Druckkopf zu reinigen, bereiten Sie ein Gericht mit ein paar Millimeter mit warmem Wasser. Setzen Sie den Druckkopf mit die Schlitze am unteren untergetaucht im Wasser. Vermeiden Sie den Kontakt zwischen grünen elektronischen Bauteile auf der Rückseite und dem Wasser, denn dies das Potenzial hat, um den Druckkopf beschädigen.
5. Verwenden Sie eine Pipette und warmes Wasser zu Wasser fallen auf die Widerstände. Lassen Sie den Druckkopf sitzen im warmen Wasser für 1-2 h.
6. Nachdem in warmem Wasser einweichen, legen Sie den Druckkopf auf ein Labor Gewebe und vermeiden Sie die Unterseite des Druckkopfes abwischen, da die Fasern aus dem Tuch in die Schlitze stecken können, wo Tinte verzichtet mindestens 20 min. trocknen lassen.
7. Der Druckkopf in seine Position zurück und schieben die Wache zurück in seine ursprüngliche Position.

4. Drucken Perowskit Quantenpunkt Tinten

Hinweis: Dieses Protokoll verwendet einen Tintenstrahldrucker, der die Möglichkeit zum Drucken von CD-Etiketten auf CDs mit Hilfe von einem starren CD CD-Fach enthält. Es wird empfohlen vor dem Druck Perovskites, dass man eine bevorzugte Form und Größe des Substrats ausgeschnitten und dann drucken Sie die genaue Größe und Form des gewünschten Substrats auf dem CD-Laufwerk selbst mit schwarzer Tinte, wie in Abbildung 5dargestellt.

1. Zeichnen einer geraden Linie am Rand der Scheibe und fahren Sie es auf die CD-Schublade. Auf diese Weise die CD-Vorlage kann auf die gleiche Art und Weise jedes Mal gefüttert werden und sicherzustellen, dass die Tinte an der gewünschten Stelle drucken.
2. Platzieren Sie das Substrat über die Tinte Bilder gedruckt auf dem Datenträger. Das Substrat kann mit doppelseitigem Klebeband oder einige andere Kleber, wie in Abbildung 5b statt.
3. Vor dem Befüllen der Tintenpatronen, gewährleisten die orange Abdeckung auf der Unterseite der Tintenpatrone, korrekt installiert ist, wie in Abbildung 6dargestellt ein. Dadurch wird verhindert, dass Tinte verschütten die Unterseite der Patrone.
4. Sobald die Tinte Lösung wird, wie in Schritt 2,9 gemacht, und das Cover auf der Patrone ist, verwenden eine Pipette, um die Quantum-Dot-Tinte in den oberen Teil der Tintenpatrone zu injizieren, wie in Abbildung 6dargestellt ein.
   Hinweis: Die Quantum-Dot-Tinte wird absorbiert durch den Schwamm bis es gesättigt wird und die restliche Tinte in das Fach neben den Schwamm gespeichert werden. Vermeiden Sie dieses Fach überfüllen, weil Tinte von oben entweichen kann, wenn es fast voll ist.
5. Wenn die Patrone auf die gewünschte Höhe gefüllt ist, stecken Sie die Spitze mit dem Gummistopfen und entfernen Sie vorsichtig die orange Bodenabdeckung. Bereit für ein wenig Tinte durch den Boden zu entkommen, wenn diese Aktion durchführen.
6. Legen Sie die Tintenpatrone in den Druckkopf und sicher sein, dass es hörbar einrastet, wie in Abbildung 6gezeigt, achten Sie darauf, die restlichen Patronen, entweder leer oder voll, bevor Sie zum nächsten Schritt fortfahren, wie in Abbildung 6c einfügen.
7. Schließen Sie den Drucker und warten auf den Druckkopf wieder weit rechts des Druckers.
8. Stellen Sie sicher die Farbe der Bilder, die gedruckt wird, enthält die Quantenpunkte Patrone Tintenfarbe entspricht. Ein solides Bild von Cyan, Magenta oder gelb funktioniert am besten gefunden wurden (schwarz ist schwierig, da gibt es zwei schwarze Patronen).
9. Klicken Sie auf Drucken auf der unteren rechten Ecke und folgen Sie den Anweisungen auf dem Bildschirm Anweisungen.
10. Während der Drucker Aufwärmen, überprüfen Sie, dass die Festplatte richtig auf das Disk-Fach ausgerichtet ist derart, dass das Bild auf dem Bildschirm gedruckt wird, genau dort, wo erwartet.
11. Eine Anweisung erscheint auf dem Bildschirm, die führt den Benutzer zu öffnen Sie die Datenträger-Abdeckung auf dem Drucker und setzen die Schublade mit der Scheibe in die Maschine. Durchführen Sie diese Aktion und dann drücken Sie die Schaltfläche fortsetzen (orange blinkend) auf dem Drucker oder klicken Sie auf "OK" auf dem Bildschirm wie in Abbildung 7a und 7 bgezeigt.
12. An dieser Stelle akzeptieren der Drucker das Disk-Fach und print Perovskites auf dem Substrat nach Abschluss des Druckvorgangs; Überprüfen Sie ist, dass die Tinten tatsächlich auf das Substrat als Verstopfung gedruckt ein weit verbreitetes Problem.
    1. Eine ultra violette (UV) Lampe über dem Substrat halten, wenn das Drucken nicht funktioniert wird es etwas ähnliches wie Abbildung 7c; Ansonsten wird es sein luminescing Film wie in Abbildung 7d wenn das obige Protokoll ordnungsgemäß funktioniert hat.

Ergebnisse

Kristallstruktur Charakterisierung

Charakterisierung der Kristallstruktur ist unerlässlich für die Synthese von anorganischen Perovskites. Röntgendiffraktometrie (XRD) erklang in Luft bei Raumtemperatur auf einem Diffraktometer mit 1,54 Å Wellenlänge Cu-K_α Lichtquelle. Mit Hilfe der oben genannten Protokolle sollte zu einer Raumtemperatur orthorhombic Kristallstruktur für die CsPbBr₃ Quantum Dot Tinten ...

Diskussion

Im Inkjet-Druckverfahren, die Einfluss auf die endgültige bedruckter Folie gibt es viele Parameter. Die Diskussion dieser Parameter sprengt den Rahmen dieses Protokolls, aber da dieses Protokoll auf eine Lösung-basierte Synthese und Abscheidungsverfahren konzentriert, es empfiehlt sich, einen kurzen Vergleich zu anderen bekannten lösungsorientierter Ablagerung Methoden geben: die Spin-Coating-Verfahren und die Rakel Methode.

Das Spin-Coating-Verfahren ist sehr schnell, einheitliche Filme pr...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Oleic acid, 90%	Sigma Aldrich	364525	Technical grade
Oleylamine, 70%	Sigma Aldrich	O7805	Technical grade
1-octadecene, 90%	Sigma Aldrich	O806	Technical grade
Acetone, >95%	Fisher	67641	Certified ACS
Cesium Carbonate, 99%	Chem-Impex	1955	Assay
Hexane, 98.5%	Sigma Aldrich	178918	Mixture of isomers
Cyclohexane, 99.9%	Sigma Aldrich	110827
Lead(II) bromide, 98%	Sigma Aldrich	211141
Lead(II) iodide, 99%	Sigma Aldrich	211168