Inyección de tinta impresión todos halogenuros inorgánicos perovskita tintas para aplicaciones fotovoltaicas

Resumen

Se presenta un protocolo para sintetizar halogenuros inorgánicos plomo híbrido perovskita quantum dot tintas para la impresión y el protocolo para la preparación e impresión de las tintas de punto cuántico en una impresora de inyección de tinta con técnicas de caracterización de post.

Resumen

Un método para sintetizar fotoactivos perovskita inorgánicos quantum dot tintas y un método de deposición de impresora de inyección de tinta, usando las tintas sintetizadas, se han demostrado. La síntesis de tinta se basa en una simple reacción química húmeda y el protocolo de impresión de inyección de tinta es un método paso a paso fácil. La inyección de tinta imprime películas delgadas han sido caracterizados por difracción de rayos x, espectroscopia de absorción óptica, espectroscopia fotoluminiscente y medidas de transporte electrónico. Difracción de rayos x de las películas de punto cuántico impreso indica una estructura de cristal consistente con una fase ortorrómbica temperatura con orientación (001). Junto con otros métodos de caracterización, las mediciones de difracción de rayos x muestran alta calidad películas pueden obtenerse a través del método de impresión de inyección de tinta.

Introducción

Dieter Weber sintetiza el primer híbrido orgánico-inorgánico perovskitas de haluro en 1978^1,2. Aproximadamente 30 años después, en 2009, Akihiro Kojima y colaboradores fabrican dispositivos fotovoltaicos usando el mismo híbrido orgánico-inorgánico haluro perovskitas sintetizada por Weber, es decir, CH₃NH₃PbI₃ y CH₃NH₃ PbBr₃³. Estos experimentos fueron el comienzo de una oleada posterior de investigación centrada en las propiedades fotovoltaicas de híbridos orgánicos-inorgánicos haluro perovskitas. Entre 2009 y 2018, la eficiencia de conversión de energía de dispositivo aumentado de 3.8%³ a más del 23%⁴y híbridos orgánicos-inorgánicos haluro perovskitas comparable a base de Si las células solares. Como con el perovskitas basada en haluro orgánico inorgánico, el perovskitas basada en halogenuros inorgánicos comenzaron ganando impulso en la comunidad de investigación alrededor de 2012 cuando se midió la eficiencia fotovoltaica dispositivo primera ser 0.9%⁵. Desde 2012 las perovskitas de base de halogenuros inorgánicos todos han recorrido un largo camino con unas eficiencias de dispositivo medidas para ser superior al 13% como en el estudio de 2017 por Sanehira et al. ⁶ las perovskitas orgánicos-inorgánicos basados y encuentran aplicaciones relacionadas con láser^7,8,9,10, de diodos emiten luz^{11, 12 , 13}, de detección de radiación de alta energía¹⁴, Foto detección^15,16y aplicaciones fotovoltaicas de^5,15,17,18 . Casi la última década, han surgido muchas técnicas de síntesis diferentes de científicos e ingenieros que van desde métodos de la solución procesado al vacío vapor deposición técnicas^19,20,21. Las perovskitas de haluro sintetizados usando un método de solución procesada son ventajosas ya que pueden emplearse fácilmente como tintas de inyección de tinta impresión¹⁵.

En 1987, el primer divulgó que el uso de chorro de tinta de impresión de células solares fue presentado. Desde entonces, los científicos e ingenieros han buscado maneras de imprimir con éxito todas células solares inorgánico con propiedades atractivas de rendimiento y baja implementación cuesta²². Hay muchas ventajas a inyección de tinta impresión las células solares, en comparación con algunos de los métodos comunes de fabricación basado en vacío. Un aspecto importante del método de impresión de inyección de tinta es que los materiales basados en la solución se utilizan como tintas. Esto abre la puerta para ensayos de muchos diversos materiales, como inorgánicos tintas basadas en perovskita, que pueden ser sintetizados por métodos químicos húmedos facilonas. En otras palabras, impresión de materiales de la célula solar es una ruta de bajo coste para prototipado rápido. Impresión de inyección de tinta también tiene las ventajas de ser capaces de imprimir grandes áreas en substratos flexibles e imprimir por diseño a baja temperatura en las condiciones atmosféricas. Además, la impresión de inyección de tinta es muy adecuada para producción en masa que permite aplicación de rollo a rollo bajo costo realista^23,24.

En este artículo, primero discutimos los pasos involucrados en la síntesis inorgánica perovskita quantum dot las tintas para la impresión. A continuación, describimos los pasos adicionales para preparar tintas para la impresión y los procedimientos reales de inyección de tinta impresión una película fotoactivas utilizando una impresora de inyección de tinta disponibles en el mercado. Finalmente, discutimos la caracterización de películas impresas que es necesaria garantizar que las películas son de producto químico adecuado y la composición de cristal para el funcionamiento del dispositivo de alta calidad.

Protocolo

PRECAUCIÓN: Por favor consultar hojas de datos de seguridad del material del laboratorio (MSDS) antes de proceder. Los productos químicos utilizados en estos protocolos de síntesis han asociado riesgos para la salud. Además, nanomateriales tienen riesgos adicionales en comparación con sus contrapartes a granel. Utilice todas las prácticas de seguridad apropiadas cuando se realiza una reacción de nanocrystal incluyendo el uso de una campana de humos o guantera y el adecuado equipo de protección personal (gafas, guantes, bata, pantalones, zapatos cerrados, etc.).

1. precursores síntesis

1. Síntesis de precursores de oleato de cesio
   Nota: Oleato de cesio se sintetiza en un entorno de N₂ .
   1. Agregue el carbonato de 0,203 g de cesio (Cs₂CO₃), 10 mL de Octadeceno (ODA) y 1,025 mL de ácido oleico (OA) a un tres cuello redondo inferior removiendo el frasco. El matraz de fondo redondo cuello tres para precursor de oleato de cesio está etiquetado como 1 en la Figura 1a.
   2. Coloque un termómetro o termopar en uno de los cuellos a través de un tapón de caucho.
   3. Coloque una membrana de goma en uno de los cuellos restantes y luego fije la tercera y final el cuello a un nitrógeno gas línea través de una línea de Schlenk. Coloque la mezcla en una atmósfera de nitrógeno gaseoso.
   4. Calienta la mezcla a 150 ° C con agitación constante a una velocidad de agitación de 399 mm/s con una barra de agitación magnética de 2,54 cm hasta el Cs₂CO₃ completamente se disuelve.
   5. Bajar la temperatura a 100 ° C para evitar la precipitación y la descomposición del oleato de cesio y dejar agitando a la misma velocidad de agitación como en el paso 1.1.4.
2. Síntesis de precursores Oleylamine-PbBr₂
   Nota: Oleylamine-PbBr₂ precursor se sintetiza en un entorno de N₂ .
   1. Añadir 37,5 mL de Oda, 7,5 mL de oleylamine (OAm), 3,75 mL de OA y 1.35 mmol de PbBr₂ en otros tres cuello redondo inferior removiendo el frasco. Los tres cuello redondo matraz de revolvimiento de fondo para OAm PbBr2 es etiquetado como 2 en la Figura 1a. Figura 1b muestra la solución precursora sin mezclar.
   2. Colocar un termómetro o termopar en uno de los cuellos y una especie de película de polímero alrededor del termómetro/termopar para sellar el cuello, vea la figura 1.
   3. Colocar un tapón de goma en uno de los cuellos restantes y luego fije la tercera y final el cuello a una tubería de gas nitrógeno a través de una línea de Schlenk. Coloque la mezcla bajo atmósfera de nitrógeno gaseoso.
   4. Calienta la mezcla a 100 ° C con agitación constante a una velocidad de agitación de 599 mm/s con una barra de agitación magnética hasta que se haya disuelto completamente el PbBr₂ . La solución precursora bajo agitación constante se muestra en la figura 1c y en d figura 1se muestra la solución precursora completamente disuelto.
   5. Calienta la mezcla a 170 ° C con agitación constante, cuenta de que la mezcla somete a un cambio de color a amarillo oscuro una vez llegando a 170 ° C como se observa en la figura 1d. dejar revolviendo bajo 170 calor de C °.

2. CsPbBr₃ Quantum Dot síntesis

1. Utilizando una jeringa de vidrio de 2 mL, con una aguja de calibre 18 largo 10 cm, extraer 1,375 mL del precursor del oleato de cesio frasco cuello tres a través de la membrana de goma como se muestra en la figura 2un.
2. Inyecte rápidamente, a través de la membrana de goma, los 1,375 mL de precursor de oleato de cesio en el matraz de tres cuello que contiene el precursor de OAm-PbBr₂ , como se muestra en la figura 2b. Debe haber un cambio del color observable, un amarillo-verde brillante, como se muestra en la Figura2C.
3. Después de la inyección el precursor del oleato de cesio, esperar 5 s, retirar el matraz de tres cuello del fuego y sumergir el matraz de fondo redondo cuello de tres en un baño de agua de hielo a 0 ° C, como se muestra en la figura 3un.
4. Separar la solución en el matraz de tres cuello igualmente en 2 tubos de ensayo, aproximadamente 25 mL por tubo de ensayo.
5. Añadir 25mL de acetona a cada sobrenadante soluciones, luego separe con centrífuga usando parámetros a continuación.
6. Separar los puntos cuánticos utilizando una centrífuga 2431.65 x g durante 5 minutos a temperatura ambiente, como se muestra en la figura 3b.
7. Separar los puntos de quantum sobrenadante y centrifugada, como se muestra en la figura 3 c, verter el sobrenadante en un tubo de ensayo vacío.
8. Por último, se disuelven los puntos cuánticos separados en 10-25 mL de hexanes o cyclohexanes. Esta solución puede utilizarse entonces como una tinta en los cartuchos de impresora de inyección de tinta para la impresión de películas delgadas.
   Nota: Una impresora de inyección de tinta disponibles en el mercado se utilizó para imprimir todos las quantum dot películas delgadas de las tintas de la perovskita basados en halogenuros inorgánicos. En este sustratos protocolo de vidrio amorfo y óxido de estaño indio terephthalate del polietileno revestido (ITO/PET) fueron utilizados durante las mediciones. Para asegurar que la superficie del sustrato esté limpia antes de la impresión, los sustratos se limpiaron mediante un lavado acetona seguido de un lavado con metanol.

3. limpieza del cabezal de la impresora

1. Primero asegúrese de que la impresora esté enchufada y prendida para poder tener acceso a los cartuchos de tinta y cabezal de la impresora.
2. Retire los cartuchos de tinta desde el cabezal de la impresora, abra la tapa de la impresora y espere a que los cartuchos de tinta volver a la posición central y las luces rojas por debajo de los cartuchos de tinta que se iluminará y retire todos los cartuchos.
3. Mueva el cabezal de impresión ligeramente a la derecha y tire de la guarda en la bandeja de la tinta para que permita la bandeja para permanecer en el lugar como se muestra en la figura 4. Llegar a la parte posterior de la bandeja de tinta y pellizcar el divisor plástico que separa las dos mitades de la cabeza de impresión. Tire suavemente y el cabezal de impresión se quitará fácilmente.
4. Para limpiar el cabezal de impresión, prepare un plato con unos milímetros de agua tibia. Coloque el cabezal de impresión en el agua con las rajas en la parte inferior sumergida. Evitar el contacto entre el agua y los componentes electrónicos verdes en la parte posterior porque esto tiene el potencial de daño a la cabeza de impresión.
5. Utilice una pipeta y agua tibia caer agua sobre las resistencias. Deje el cabezal de impresión en agua tibia durante 1-2 h.
6. Una vez terminado el remojo en agua caliente, coloque el cabezal de la impresora en un tejido de laboratorio y dejar para secar al menos 20 min Evite limpiar la parte inferior de la cabeza de impresión porque las fibras de trapo pueden atascarse en las ranuras donde se distribuye la tinta.
7. Devuelva el cabezal a su posición y empuje el protector hacia atrás a su posición original.

4. impresión de la perovskita Quantum Dot tintas

Nota: Este protocolo usa una impresora de inyección de tinta que incluye la posibilidad de imprimir etiquetas de CD en CD ' s con la ayuda de una bandeja de CD rígida. Se recomienda antes de perovskitas de impresión, que uno Corte una forma preferida y el tamaño del sustrato y luego imprimir el tamaño exacto y la forma del sustrato deseado en el disco de CD utilizando tinta negra, como se muestra en la figura 5.

1. Trazar una línea recta en el borde del disco y continuar en la bandeja de CD. Esta forma, la plantilla del CD puede estén alineados de la misma manera cada vez y asegurar las tintas de impresión en el lugar deseado.
2. Coloque el sustrato encima de las imágenes de la tinta impresas en el disco. El sustrato puede ser sostenido en su lugar con cinta de doble cara o algún otro adhesivo, como se muestra en la figura 5b.
3. Antes de rellenar los cartuchos de tinta, asegúrese de la tapa naranja está instalada correctamente en la parte inferior del cartucho, como se muestra en la figura 6un. Esto evitará que la tinta se derrame fuera de la base del cartucho.
4. Una vez que se haga la solución de tinta, como en el paso 2.9, y la cubierta es en el cartucho, utilice una pipeta para inyectar la tinta de punto cuántico en la parte superior del cartucho, como se muestra en la figura 6un.
   Nota: La tinta de punto cuántico será absorbida por la esponja hasta que se satura y la tinta restante se almacenarán en el compartimento de al lado de la esponja. Evite llenar en exceso este compartimiento, ya que la tinta puede escapar de la parte superior cuando esté casi lleno.
5. Una vez que el cartucho se llena hasta la cantidad deseada, conecte la tapa con el tapón de goma y cuidadosamente retire la cubierta inferior naranja. Estar preparado para que un poco de tinta escapar por la parte inferior, al realizar esta acción.
6. Coloque el cartucho de tinta en el cabezal de la impresora y asegúrese de que encaje en su lugar, como se muestra en la figura 6b, asegúrese de introducir los cartuchos restantes, ya sea vacíos o lleno antes de continuar al siguiente paso, como se muestra en la Figura6C.
7. Cierre la impresora y espere a que el cabezal de la impresora volver a la derecha lejos de la impresora.
8. Asegúrese de que el color de las imágenes se impriman se corresponde con el color del cartucho de tinta que contiene los puntos cuánticos. Una imagen sólida de cian, magenta y amarillo se han encontrado para trabajar mejor (negro es difícil porque hay dos cartuchos de negro).
9. Haga clic en imprimir en la parte inferior derecha y siga la pantalla instrucciones.
10. Mientras que la impresora se está calentando, compruebe que el disco esté correctamente alineado en la bandeja del disco, tal que la imagen en la pantalla se imprimirá exactamente donde espera.
11. Una instrucción aparecerá en la pantalla que el usuario abra la tapa del disco de la impresora y coloque la bandeja de disco que contiene el disco en la máquina. Realizar esta acción y luego oprima el botón (naranja parpadeante) en la impresora o haga clic en el botón "OK" en la pantalla, como se muestra en la Figura 7a y 7b.
12. En este momento la impresora acepta la bandeja de disco y perovskitas impresión sobre el sustrato, después de la impresión es completa; Compruebe que las tintas impresión realmente en el sustrato como obstrucción es un problema común.
    1. Mantenga una ultra violeta (UV) la lámpara sobre el sustrato, si la impresión no funciona será algo similar a c figura 7; de lo contrario hay se se luminescing la película como en la Figura7D si el protocolo anterior funcionaba correctamente.

Resultados

Caracterización de la estructura cristalina

Caracterización de la estructura cristalina es vital la síntesis de las perovskitas inorgánicos. En aire a temperatura ambiente en un difractómetro con un 1,54 Å de longitud de onda de fuente de luz Cu-K_α se realizó difracción de rayos x (DRX). Utilizando los protocolos anteriores debe conducir a una estructura cristalina ortorrómbica de temperatura para las tintas de...

Discusión

Hay muchos parámetros involucrados en el proceso de impresión de inyección de tinta que afectan la película impresa final. La discusión de todos los parámetros está fuera del alcance de este protocolo, pero como este protocolo se centra en un método de deposición y síntesis basada en la solución, es apropiado dar una breve comparación con otros métodos de deposición de solución bien conocidos: la método spin-coating y el método de la lámina de doctor.

El método spin-coating ...

Materiales

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