Jet d’encre, impression de toutes les encres de Perovskite halogénure inorganique pour Applications photovoltaïques

Résumé

Un protocole pour la synthèse d’hybrides inorganiques-plomb-halogénure perovskite quantum dot encres pour impression jet d’encre et le protocole pour la préparation et impression encres quantum dot dans une imprimante à jet d’encre avec des techniques de caractérisation post sont présentés.

Résumé

Une méthode de synthèse d’encres de perovskite inorganiques photoactifs quantum dot et une méthode de déposition de l’imprimante jet d’encre, en utilisant les encres synthétisées, sont démontrés. La synthèse de l’encre est basée sur une simple réaction chimique humide et le protocole d’impression jet d’encre est une méthode étape par étape facile. Le jet d’encre imprimée minces ont été caractérisés par diffraction des rayons x, spectroscopie d’absorption optique, photoluminescent spectroscopie et mesures de transport électronique. Diffraction des rayons x des films imprimés quantum dot indique une structure en cristal compatible avec une phase orthorhombique de température ambiante avec l’orientation (001). En collaboration avec d’autres méthodes de caractérisation, les mesures de diffraction des rayons x montrent films peuvent être obtenus par le biais de la méthode d’impression à jet d’encre de haute qualité.

Introduction

Dieter Weber synthétisé la première hybrides organiques-inorganiques halogénure pérovskites en 1978^1,2. Environ 30 ans plus tard en 2009, Akihiro Kojima et collaborateurs fabriqué des dispositifs photovoltaïques à l’aide de la même pérovskites de halogénure hybrides organiques-inorganiques synthétisé par Weber, nommément et CH₃NH₃IBP₃ CH₃NH₃ PbBr₃³. Ces expériences ont été le début d’un raz-de-marée subséquent de recherche portant sur les propriétés photovoltaïques de pérovskites halogénure hybrides organiques-inorganiques. Entre 2009 et 2018, le rendement de conversion de puissance dispositif considérablement augmenté de 3,8 %,³ à plus de 23 % le⁴, hybrides organiques-inorganiques halogénure pérovskites comparable à la base Si des cellules solaires. Comme avec les pérovskites axée sur l’halogénure organique-inorganique, les pérovskites axée sur l’halogénure inorganique a commencé à prendre de traction dans le milieu de la recherche autour de 2012 lorsque le rendement du dispositif photovoltaïque première a été mesuré à 0,9 %⁵. Depuis 2012 les tous les pérovskites axée sur l’halogénure inorganiques ont parcouru un long chemin avec des efficacités de périphérique mesurées pour être de plus de 13 %, comme dans l’étude de 2017 par Sanehira et al. ⁶ les deux les pérovskites organiques et inorganiques trouvent des applications liées aux lasers^7,8,9,10, lumière électroluminescentes diodes^{11, 12 , 13}, rayonnement de haute énergie détection¹⁴, photo détection^15,16et applications photovoltaïques bien sûr^5,15,17,18 . Près ces dix dernières années, plusieurs techniques de synthèse différentes ont émergé des scientifiques et ingénieurs allant des méthodes de la solution traitée de passer l’aspirateur vapeur dépôts techniques^19,20,21. L’halogénure pérovskites synthétisés en utilisant une méthode de solution-traitées sont avantageux car ils peuvent facilement être employés comme les encres pour impression¹⁵jet d’encre.

En 1987, le premier rapporté l’utilisation de l’impression jet d’encre des cellules solaires a été présentée. Depuis lors, les scientifiques et les ingénieurs ont cherché des moyens d’imprimer avec succès tous les photopiles inorganiques avec des propriétés de rendement attrayant et faible mise en œuvre coûte²². Il y a beaucoup d’avantages à des cellules solaires impression jet d’encre, par rapport à certains des méthodes courantes de fabrication basé sous vide. Un aspect important de la méthode d’impression à jet d’encre, c’est que les matériaux à base de solution sont utilisés comme encres. Cela ouvre la porte pour les essais des différents matériaux, tels qu’inorganiques perovskite encres, qui peuvent être synthétisés par des méthodes chimiques humides faciles. En d’autres termes, impression jet d’encre des matériaux de la cellule solaire est un itinéraire de faible coût pour le prototypage rapide. Impression jet d’encre a également l’avantage d’être en mesure d’imprimer de grandes surfaces sur des substrats souples et imprimer par design à basse température dans des conditions atmosphériques. En outre, impression jet d’encre est parfaitement adaptée à la production de masse, permettant la mise en œuvre réaliste de faible coût roll-to-roll^23,24.

Dans cet article, nous discutons tout d’abord les étapes avec synthèse inorganique perovskite quantum dot encres pour impression jet d’encre. Ensuite, nous décrivons les étapes supplémentaires pour préparer des encres pour l’impression et les modalités effectives de jet d’encre, impression d’un film photoactif à l’aide d’une imprimante jet d’encre disponible dans le commerce. Enfin, nous discutons de la caractérisation des films imprimés qui est nécessaire pour s’assurer que les films sont de bonne chimique et composition de cristaux pour la performance de l’appareil de haute qualité.

Protocole

Attention : Veuillez consulter fiches signalétiques du laboratoire (FS) avant de procéder. Les produits chimiques utilisés dans ces protocoles de synthèse ont associé des dangers pour la santé. En outre, nanomatériaux ont des risques supplémentaires par rapport à leurs homologues en vrac. Copiez toutes les pratiques de sécurité qui s’imposent lorsque vous effectuez une réaction de nanocristaux semiconducteurs incluant l’utilisation d’une hotte aspirante ou boîte à gants et l’équipement de protection individuelle approprié (lunettes, gants, blouse, pantalon, chaussures fermées, etc.).

1. précurseur synthèse

1. Synthèse de césium oléate précurseur
   NOTE : Oléate de césium est synthétisé dans un environnement de₂ N.
   1. Ajouter carbonatées de 0,203 g du césium (Cs₂CO₃), 10 mL d’octadecene (ODE), et 1,025 mL d’acide oléique (OA) à trois à col rond bas en agitant le flacon. Le trois à col ballon pour précurseur d’oléate de césium est étiqueté 1 Figure1 a.
   2. Placez un thermomètre ou thermocouple dans un du cou par un bouchon en caoutchouc.
   3. Placez un septum en caoutchouc dans l’un des autres cous et fixez ensuite la troisième et dernière manche à un azote gaz ligne via une ligne de Schlenk. Placer le mélange sous atmosphère d’azote gazeux.
   4. Porter le mélange à 150 ° C sous agitation constante à une vitesse d’agitation du 399 mm/s en utilisant une barre d’agitation magnétique de 2,54 cm jusqu'à ce que le Cs₂CO₃ entièrement dissout.
   5. Abaisser la température à 100 ° C pour éviter la précipitation et la décomposition de l’oléate de césium et de laisser en remuant à la même vitesse d’agitation comme au point 1.1.4.
2. Oleylamine-PbBr₂ synthèse de précurseurs
   Remarque : Oleylamine-PbBr₂ précurseur est synthétisé dans un environnement de₂ N.
   1. Ajouter 37,5 mL d’ODE, 7,5 mL d’oleylamine (OAm), 3,75 mL d’OA et 1,35 mmol de PbBr₂ dans les trois autres à fond en remuant le ballon rond. Les trois cou vibrant ballon à fond rond pour OAm-PbBr2 est étiqueté 2 Figure1 a. Figure 1 b montre la solution de précurseurs non mélangés.
   2. Placer un thermomètre ou thermocouple dans l’une des cous et une sorte de film polymère autour de thermomètre/thermocouple pour sceller cou, voir la Figure 1.
   3. Placer un bouchon de caoutchouc dans l’un des autres cous et fixez ensuite la troisième et dernière manche à une conduite de gaz azote via une ligne de Schlenk. Placer le mélange sous atmosphère d’azote gazeux.
   4. Porter le mélange à 100 ° C sous agitation constante à une vitesse d’agitation de 599 mm/s en utilisant une barre magnétique remuer jusqu'à ce que le PbBr₂ est entièrement dissous. La solution de précurseur en agitant est montrée dans la Figure1C et la solution entièrement dissous précurseur est illustrée à la Figure 1d.
   5. Porter le mélange à 170 ° C sous agitation constante, vous remarquerez que le mélange subit un changement de couleur d’un jaune foncé, une fois arriver à 170 ° C, comme on le voit dans la Figure 1d. laisser en remuant la chaleur de C moins 170 °.

2. CsPbBr₃ Quantum Dot synthèse

1. À l’aide d’une seringue en verre 2 mL, avec une aiguille de calibre 18 long 10 cm, extrait 1,375 mL du précurseur de l’oléate de césium de fiole de trois cols à travers le septum en caoutchouc comme illustré à la Figure 2a.
2. Injecter rapidement, par l’intermédiaire du septum en caoutchouc, les 1,375 mL du précurseur de l’oléate de césium dans le ballon à trois cols contenant l’OAm-PbBr₂ précurseurs, comme le montre la Figure 2b. Il devrait y avoir un changement de couleur observables, un jaune-vert brillant, tel qu’illustré à la Figure2c.
3. Après avoir injecté le précurseur de l’oléate de césium, patientez 5 s, enlever le ballon de trois cols de la chaleur et y plonger le ballon trois-cou dans un bain d’eau et de glace à 0 ° C, comme illustré à la Figure 3a.
4. Séparer la solution dans la fiole de trois cols également dans 2 tubes à essai, environ 25 mL par tube à essai.
5. Ajouter 25mL d’acétone à chaque surnageant des solutions, puis séparez par centrifugation en utilisant les paramètres ci-dessous.
6. Séparer les boîtes quantiques à l’aide d’une centrifugeuse à 2431.65 x g pendant 5 min à température ambiante, comme illustré à la Figure 3 b.
7. Séparer les points quantiques surnageant et centrifugé, comme illustré à la Figure 3C, en versant le surnageant dans un tube à essai vide.
8. Enfin, dissoudre les points quantiques séparés dans 10-25 mL d’hexane ou cyclohexanes. Cette solution peut alors servir une encre dans les cartouches d’imprimantes jet d’encre pour impression minces.
   Remarque : Une imprimante jet d’encre disponible dans le commerce a été utilisée pour imprimer tous les quantum dot minces films des encres perovskite de base halogénure inorganique. Dans des substrats de verre amorphe et oxyde de bidon d’Indium de ce protocole enduit polyéthylène téréphtalate (PET/ITO) ont été utilisés pendant les mesures. Pour s’assurer que la surface du substrat soit propre avant l’impression, les substrats ont été nettoyés à l’aide d’un lavage de l’acétone suivi d’un lavage de méthanol.

3. nettoyage de la tête de l’imprimante

1. Tout d’abord assurez-vous que l’imprimante est branché et sous tension pour accéder aux cartouches d’encre et tête d’impression.
2. Retirez les cartouches d’encre de la tête de l’imprimante, ouvrir le dessus de l’imprimante et attendez que les cartouches d’encre revenir à la position centrale et les feux rouges sous les cartouches d’encre à être éclairée et puis retirez toutes les cartouches.
3. Déplacer la tête d’impression légèrement vers la droite et relever la garde sur le plateau d’encre jusqu'à ce qu’il permet à la barre d’état rester en place, comme illustré à la Figure 4. Atteindre l’arrière du bac d’encre et pincer le séparateur en plastique qui sépare les deux moitiés de la tête d’impression. Tirez doucement et la tête d’impression seront supprimée facilement.
4. Pour nettoyer la tête d’impression, préparer un plat avec quelques millimètres d’eau tiède. Placez la tête d’impression dans l’eau avec les fentes au bas submergé. Éviter tout contact entre les parties électroniques vertes sur le dos et de l’eau parce qu’il a le potentiel pour endommager à la tête d’impression.
5. Utiliser une pipette et l’eau chaude à laisser tomber l’eau sur les résistances. Laissez la tête d’impression assis dans l’eau chaude pendant 1-2 h.
6. Une fois terminée trempant dans l’eau tiède, placez la tête de l’imprimante sur un tissu de lab et laisser pour sécher au moins 20 min. Evitez essuyant le bas de la tête d’impression, car les fibres de la lingette peuvent se coincer dans les fentes où l’encre est transférée.
7. Ramenez la tête d’impression en position et repoussez la garde dans sa position initiale.

4. impression Perovskite Quantum Dot encres

Remarque : Ce protocole utilise une imprimante jet d’encre qui inclut la possibilité d’imprimer des étiquettes de CD sur CD à l’aide d’un plateau rigide de disque CD. Il est recommandé avant impression pérovskites, que l'on découpe une forme préférée et la taille du substrat et puis imprimer la taille exacte et la forme du substrat désiré sur le disque CD lui-même à l’aide d’une encre noire, comme illustré à la Figure 5.

1. Dessiner une ligne droite au bord du disque et il continuer sur le plateau du disque CD. De cette façon, le modèle CD carreler vers le haut de la même façon chaque fois et s’assurer que les encres d’impression à l’endroit désiré.
2. Placez le substrat sur les images de l’encre imprimées sur le disque. Le substrat peut être maintenu en place à l’aide de ruban adhésif double face ou quelque autre adhésif, comme illustré à la Figure 5b.
3. Avant de remplir les cartouches d’encre, assurer la couverture orange est installée correctement sur le fond de la cartouche d’encre, comme illustré à la Figure 6a. Cela évitera d’encre ne se répande sur le fond de la cartouche.
4. Une fois que la solution de l’encre est faite, comme à l’étape 2,9, et la couverture est sur la cartouche, utiliser une pipette pour injecter l’encre du point quantique dans la partie supérieure de la cartouche d’encre, comme illustré à la Figure 6a.
   Remarque : L’encre de points quantiques est absorbé par l’éponge jusqu'à ce qu’il devient saturé et l’encre restante sera stocké dans le compartiment à côté de l’éponge. Évitez de trop remplir ce compartiment, parce que l’encre puisse s’échapper par le haut quand il devient presque plein.
5. Une fois que la cartouche est remplie à la quantité désirée, branchez le haut avec le bouchon en caoutchouc et retirer délicatement le couvercle inférieur orange. Soyez prêt pour un peu d’encre s’échapper par le fond lors de l’exécution de cette action.
6. Placez la cartouche d’encre dans la tête de l’imprimante et assurez-vous il s’enclenche en place, tel qu’illustré à la Figure 6 b, n’oubliez pas d’insérer les cartouches restantes, soit vides ou plein avant de poursuivre à l’étape suivante, comme le montre La Figure6c.
7. Bouchent l’imprimante et attendez que la tête d’impression revenir à l’extrémité droite de l’imprimante.
8. Assurez-vous que la couleur des images en cours d’impression correspond à la couleur de cartouche d’encre contenant les boîtes quantiques. Une image solide de cyan, magenta ou jaune ont été trouvés pour fonctionner au mieux (noir est délicat car il y a deux cartouches de noirs).
9. Cliquez sur imprimer dans le coin en bas à droite et suivez l’à l’écran instructions.
10. Alors que l’imprimante se réchauffe, vérifiez que le disque est correctement aligné sur le plateau de disque, tel que l’image sur l’écran affichera exactement où.
11. Une instruction apparaîtra sur l’écran qui redirige l’utilisateur d’ouvrir le couvercle du disque sur l’imprimante et insérez le plateau de disque contenant le disque dans la machine. Pour exécuter cette opération puis appuyer sur le bouton (clignotant orange) sur l’imprimante ou cliquez sur le bouton « OK » sur l’écran, comme illustré à la Figure 7 a et 7 b.
12. À ce stade, l’imprimante acceptera le plateau de disque et impression pérovskites sur le substrat, une fois l’impression terminée ; Vérifiez que les encres en fait imprimés sur le substrat comme le colmatage sont un problème commun.
    1. Placez une lampe ultra (UV) sur le substrat, si l’impression ne fonctionne pas il y aura quelque chose de semblable à la Figure 7c ; dans le cas contraire il sera être luminescentes film comme dans la Figure 7d si le protocole ci-dessus a fonctionné correctement.

Résultats

Caractérisation de la Structure cristalline

Caractériser la structure cristalline est vital au sujet de la synthèse de la pérovskites inorganiques. Diffraction des rayons x (DRX) s’est déroulée dans l’air à température ambiante sur un diffractomètre utilisant un 1,54 Å la longueur d’onde Cu-K_α source lumineuse. En utilisant les protocoles ci-dessus devrait conduire à une structure cristalline orthorhomb...

Discussion

Il y a de nombreux paramètres impliqués dans le processus d’impression jet d’encre qui affectent le film imprimé final. La discussion de tous ces paramètres déborde le cadre du présent protocole, mais ce protocole met l’accent sur une synthèse axée sur la solution et le procédé de dépôt, il convient de donner une brève comparaison à d’autres méthodes de dépôts d’axée sur la solution bien connue : la enduction centrifuge méthode et la méthode de racle.

La méthode...

matériels

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