A getto d'inchiostro stampa tutti gli inchiostri di Perovskite alogenuro inorganici per applicazioni fotovoltaiche

Riepilogo

Un protocollo per la sintesi di ibridi inorganici-piombo-alogenuro perovskite quantum dot inchiostri per la stampa a getto d'inchiostro e il protocollo per la preparazione e stampa degli inchiostri di quantum dot in una stampante a getto d'inchiostro con tecniche di caratterizzazione di post sono presentati.

Abstract

Un metodo per la sintetizzazione fotoattivi inorganici perovskite quantum dot inchiostri e un metodo di deposizione della stampante a getto d'inchiostro, utilizzando gli inchiostri sintetizzati, sono dimostrati. La sintesi di inchiostro si basa su una semplice reazione chimica bagnata e il protocollo di stampa a getto d'inchiostro è un facile metodo di passo dopo passo. Il getto di inchiostro stampato film sottili sono stati caratterizzati dalla diffrazione dei raggi x, spettroscopia di assorbimento ottico, fotoluminescenti spettroscopia e misure di trasporto elettronico. Diffrazione dei raggi x delle pellicole stampate quantum dot indica una struttura cristallina coerenza con una fase di temperatura ambiente ortorombico con orientamento (001). In combinazione con altri metodi di caratterizzazione, le misure di diffrazione di raggi x mostrano film possono essere ottenuti attraverso il metodo di stampa a getto d'inchiostro di alta qualità.

Introduzione

Dieter Weber sintetizzato il primo ibridi organici-inorganici ad alogenuri perovskiti nel 1978^1,2. Circa 30 anni dopo, nel 2009, Akihiro Kojima e collaboratori fabbricati dispositivi fotovoltaici utilizzando la stessa ibridi organici-inorganici ad alogenuri perovskiti sintetizzato da Weber, vale a dire, CH₃NH₃PbI₃ e CH₃NH₃ PbBr₃³. Questi esperimenti sono stati l'inizio di una successiva ondata di ricerche incentrate sulle proprietà fotovoltaica di ibridi organici-inorganici ad alogenuri perovskiti. Dal 2009 al 2018, l'efficienza di conversione di potere dispositivo drammaticamente aumentato da 3,8%³ a oltre il 23%⁴, rendendo ibridi organici-inorganici ad alogenuri perovskiti paragonabile a Si-based celle solari. Come con le perovskiti basati su alogenuri organici-inorganici, le perovskiti basati su alogenuri inorganici iniziò a guadagnare trazione nella comunità di ricerca intorno al 2012 quando è stato misurato l'efficienza del dispositivo fotovoltaico prima di essere 0,9%⁵. Dal 2012 i tutte le perovskiti basati su alogenuri inorganici hanno percorso una lunga strada con alcuni efficienze di dispositivo misurate per essere oltre 13% come nello studio di 2017 da Sanehira et al. ⁶ entrambe le perovskiti organici-inorganici basati e trovano applicazioni legate al laser^7,8,9,10, di diodi che emettono luce^{11, 12 , 13}, ad alta energia radiazione rilevazione¹⁴, foto rilevamento^15,16e applicazioni fotovoltaiche naturalmente^5,15,17,18 . Quasi nell'ultimo decennio, molte tecniche differenti di sintesi sono emerse da scienziati e ingegneri che vanno dai metodi di soluzione elaborata a vuoto vapor deposition tecniche^19,20,21. L'alogenuro perovskiti sintetizzati utilizzando un metodo di soluzione-trattati sono vantaggiosi in quanto possono facilmente essere impiegati come inchiostri per inkjet stampa¹⁵.

Nel 1987, il primo riferito uso della stampa a getto d'inchiostro di celle solari è stato presentato. Da allora, gli scienziati e gli ingegneri hanno cercato modi per stampare correttamente tutte le celle solari inorganiche con proprietà interessanti prestazioni e scarsa esecuzione Costa²². Ci sono molti vantaggi a stampa celle solari a getto d'inchiostro, rispetto ad alcuni dei comuni metodi di fabbricazione base vuoto. Un aspetto importante del metodo di stampa a getto d'inchiostro è che materiali basati sulla soluzione sono usati come inchiostri. Questo apre la porta per le prove di molti materiali differenti, quali inchiostri a base di perovskite inorganici, che possono essere sintetizzati dal facile bagnati metodi chimici. In altre parole, stampa a getto d'inchiostro di materiali della pila solare è un percorso di basso costo per prototipazione rapida. Stampa a getto d'inchiostro ha anche il vantaggio di essere in grado di stampare grandi aree su substrati flessibili e stampare da design a bassa temperatura in condizioni atmosferiche. Inoltre, la stampa inkjet è molto adatto per la produzione di massa consentendo per implementazione realistica di roll-to-basso costo^23,24.

In questo articolo, discutiamo prima i passaggi necessari per sintetizzare inchiostro inorganici perovskite quantum dot stampa. Quindi, descriviamo i passaggi aggiuntivi per la preparazione di inchiostri per la stampa e le procedure attuali per inkjet stampa un film fotoattivo utilizzando una stampante a getto d'inchiostro disponibili in commercio. Infine, si discute la caratterizzazione dei film stampato che è necessaria garantire che i film sono di composizione di cristallo per le prestazioni del dispositivo di alta qualità e del prodotto chimico adeguato.

Protocollo

Attenzione: Si prega di consultare schede di sicurezza del laboratorio (MSDS) prima di procedere. I prodotti chimici utilizzati in questi protocolli di sintesi sono associati a rischi per la salute. Inoltre, i nanomateriali hanno ulteriori rischi rispetto alla loro controparte di massa. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate quando si esegue una reazione nanocristallo compreso l'uso di una cappa aspirante o guantiera e adeguata attrezzatura di protezione individuale (occhiali di sicurezza, guanti, camice, pantaloni, Scarpe chiuse, ecc.).

1. precursore sintesi

1. Sintesi di precursori di cesio oleato
   Nota: Oleato di cesio è sintetizzato in un ambiente di₂ N.
   1. Aggiungere carbonato 0,203 g di cesio (Cs₂CO₃), 10 mL di octadecene (ODE) e 1,025 mL di acido oleico (OA) per un tre a collo tondo in basso mescolando boccetta. Il pallone fondo tondo collo tre per precursore di oleato di cesio con l'etichetta 1 in Figura 1a.
   2. Mettere un termometro o la termocoppia in uno dei colli tramite un tappo di gomma.
   3. Mettere un setto di gomma in uno dei colli rimanenti e quindi allegare il terzo e ultimo collo a un azoto gas linea tramite una linea di Schlenk. Mettere il composto in un'atmosfera di azoto gassoso.
   4. Riscaldare la miscela a 150 ° C con agitazione costante ad una velocità di agitazione di 399 mm/s utilizzando un'ancoretta magnetica di 2,54 cm fino a quando il Cs₂CO₃ completamente si dissolve.
   5. Abbassare la temperatura a 100 ° C per evitare la precipitazione e la decomposizione del oleato di cesio e congedo mescolando alla stessa velocità di agitazione come descritto al punto 1.1.4.
2. Sintesi di precursori di oleilammina-PbBr₂
   Nota: Oleilammina-PbBr₂ precursore è sintetizzato in un ambiente di₂ N.
   1. Aggiungere 37,5 mL di ODE, 7,5 mL di oleilammina (OAm), 3,75 mL di OA e 1,35 mmol di PbBr₂ in altri tre dal collo tondo in basso mescolando boccetta. I tre dal collo pallone da agitazione per OAm-PbBr2 è etichettato 2 in Figura 1a. Figura 1b Mostra la soluzione precursore non miscelati.
   2. Inserire un termometro o la termocoppia in uno dei colli e inserire una sorta di pellicola polimerica intorno termometro/termocoppia per sigillare il collo, Vedi Figura 1.
   3. Inserire un tappo di gomma in uno dei colli rimanenti e quindi allegare il terzo e ultimo collo alla linea di gas di azoto tramite una linea di Schlenk. Mettere il composto sotto atmosfera di azoto gassoso.
   4. Riscaldare la miscela a 100 ° C con agitazione costante ad una velocità di agitazione di 599 mm/s utilizzando un'ancoretta magnetica finchè il PbBr₂ sia completamente dissolto. La soluzione di precursore sotto costante agitazione è mostrata in Figura 1c e la soluzione completamente disciolto precursore è mostrata nella Figura 1d.
   5. Riscaldare la miscela a 170 ° C con agitazione costante, notare che la miscela subisce un cambiamento di colore di colore giallo scuro, una volta che arrivano fino a 170 ° C come si vede nella Figura 1d. lascia mescolando sotto 170 ° C calore.

2. CsPbBr₃ Quantum Dot sintesi

1. Usando una siringa di vetro da 2 mL, con un ago di calibro lungo 18 cm 10, estrarre 1,375 mL del precursore di oleato di cesio dal pallone a tre colli da attraverso il setto di gomma come illustrato nella Figura 2un.
2. Iniettare velocemente, attraverso il setto di gomma, i mL 1,375 di precursore di oleato di cesio nel pallone tre collo contenente il precursore di OAm-PbBr₂ , come mostrato nella Figura 2b. Ci dovrebbe essere un cambiamento di colore osservabile, un brillante giallo-verde, come mostrato in Figura 2c.
3. Dopo aver iniettato il cesio oleato precursore, attendere 5 s, togliere il pallone a tre colli dal fuoco e immergere il pallone a fondo tondo tre colli in un bagno di ghiaccio/acqua a 0 ° C, come illustrato nella Figura 3un.
4. Separare la soluzione nella beuta tre collo ugualmente in 2 provette, circa 25 mL / provetta.
5. Aggiungere 25mL di acetone a ogni soluzioni surnatante, quindi separare con centrifuga utilizzando parametri qui sotto.
6. Separare i punti quantici utilizzando una centrifuga a 2431.65 x g per 5 min a temperatura ambiente impostata, come mostrato nella Figura 3b.
7. Separare i punti quantici surnatante e centrifugato, come mostrato nella Figura 3 c, versando il surnatante in una provetta vuota.
8. Infine, sciogliere i punti quantici separati in 10-25 mL di esano o cyclohexanes. Questa soluzione utilizzabile quindi come un inchiostro nelle cartucce della stampante a getto d'inchiostro per stampa pellicole sottili.
   Nota: Una stampante a getto d'inchiostro disponibili in commercio è stata utilizzata per stampare tutti i quantum dot sottile film degli inchiostri perovskite basati su alogenuri inorganici. In questo substrati di protocollo di vetro amorfo e ossido della latta dell'indio rivestito di polietilene tereftalato (ITO/PET) sono stati utilizzati durante le misurazioni. Per garantire che la superficie del substrato sia pulita prima della stampa, i substrati erano puliti utilizzando un lavaggio di acetone seguito da una lavatura di metanolo.

3. pulizia della testina della stampante

1. In primo luogo assicurarsi che la stampante sia collegata e accesa l'alimentazione per accedere alle cartucce di inchiostro e testina di stampa.
2. Rimuovere le cartucce di inchiostro dalla testina della stampante, aprire la parte superiore della stampante e attendere che le cartucce di inchiostro tornare alla posizione centrale e le luci rosse sotto le cartucce di inchiostro ad essere illuminata e quindi rimuovere tutte le cartucce.
3. Spostare la testina di stampa leggermente a destra e tirare fuori la guardia sul vassoio dell'inchiostro in modo che consenta il vassoio rimanere in posizione, come mostrato nella Figura 4. Raggiungere il retro del vassoio dell'inchiostro e un pizzico il divisore di plastica che separa le due metà della testina di stampa. Tirare delicatamente e la testina di stampa verrà rimosso facilmente.
4. Per pulire la testina di stampa, preparare un piatto con pochi millimetri di acqua tiepida. Posizionare la testina di stampa in acqua con le fessure nella parte inferiore sommersa. Evitare il contatto tra l'acqua e le parti elettroniche verde sul retro perché questo ha il potenziale di danneggiare la testina di stampa.
5. Utilizzare una pipetta e acqua calda a goccia d'acqua sulle resistenze. Lasciare la testina di stampa che si siede in acqua calda per 1-2 h.
6. Una volta finito ammollo in acqua calda, posizionare la testina di stampa su un tessuto di laboratorio e lasciare per asciugare almeno 20 min., evitare di pulire la parte inferiore della testina di stampa perché le fibre dalla cancellazione dei dati possono rimanere incastrate nelle feritoie della cui inchiostro è dispensato.
7. Riportare la testina di stampa nella sua posizione e spingere indietro la guardia alla sua posizione originale.

4. stampa Perovskite Quantum Dot inchiostri

Nota: Questo protocollo utilizza una stampante a getto d'inchiostro che include la possibilità di stampare etichette CD su CD con l'ausilio di un cassetto del disco CD rigido. È consigliabile prima stampa perovskiti, che uno tagliato un comodo forma e le dimensioni del substrato e quindi stampare l'esatta dimensione e la forma del substrato desiderato sul disco CD stesso utilizzando inchiostro nero, come mostrato nella Figura 5.

1. Disegnare una linea retta al bordo del disco e proseguire il vassoio del disco CD. In questo modo, il modello di CD possono essere allineati lo stesso modo ogni volta e garantire gli inchiostri di stampa nella posizione desiderata.
2. Posizionare il substrato sopra le immagini di inchiostro stampate sul disco. Il substrato può essere tenuto in posizione con nastro biadesivo o qualche altro adesivo, come mostrato nella Figura 5b.
3. Prima di riempire le cartucce d'inchiostro, assicurare il coperchio arancione è installato correttamente sul fondo della cartuccia di inchiostro, come mostrato nella Figura 6un. Ciò impedirà inchiostro che si rovesciano fuori la parte inferiore della cartuccia.
4. Una volta fatta la soluzione di inchiostro, come descritto al punto 2.9, e la copertina è sulla cartuccia, utilizzare una pipetta per iniettare l'inchiostro del puntino di quantum nella parte superiore della cartuccia di inchiostro, come mostrato nella Figura 6un.
   Nota: L'inchiostro del puntino di quantum sarà assorbita dalla spugna fino a quando esso diventa saturo e l'inchiostro rimanente verrà memorizzato nello scompartimento accanto la spugna. Evitare di riempire eccessivamente questo vano, perché inchiostro può fuoriuscire dalla parte superiore quando diventa quasi pieno.
5. Una volta che la cartuccia è piena la quantità desiderata, collegare la parte superiore con il tappo di gomma e rimuovere con cautela il coperchio inferiore arancione. Preparatevi per un po' inchiostro di fuggire attraverso il fondo, quando si esegue questa operazione.
6. Posizionare la cartuccia d'inchiostro nella testina di stampa e assicuratevi di che scatta in posizione, come mostrato in Figura 6b, assicurarsi di inserire le restanti cartucce, vuote o piena prima di proseguire per il passo successivo, come mostrato nella Figura 6c.
7. Chiudere la stampante e attendere che la testina di stampa tornare l'estremità destra della stampante.
8. Assicurarsi che il colore delle immagini in fase di stampa corrisponde al colore cartuccia inchiostro contenente i punti quantici. Un'immagine solida di ciano, magenta o giallo sono stati trovati per funzionare al meglio (nero è difficile perché ci sono due cartucce di nere).
9. Fare clic su stampa all'angolo in basso a destra e seguire sullo schermo le istruzioni.
10. Mentre la stampante si sta riscaldando, controllare che il disco sia allineato correttamente il vassoio del disco, tale che l'immagine sullo schermo verrà stampata esattamente dove previsto.
11. Un'istruzione apparirà sullo schermo che indirizza l'utente ad aprire il coperchio del disco sulla stampante e inserire il cassetto del disco contenente il disco nella macchina. Eseguire questa operazione e quindi premere il pulsante Riprendi (spia arancione lampeggiante) sulla stampante o fare clic sul pulsante "OK" sullo schermo, come mostrato nella Figura 7a e 7b.
12. A questo punto la stampante accetterà il vassoio del disco e stampa perovskiti sul substrato, termine della stampa; Verifica che gli inchiostri effettivamente stampato sul substrato come intasamento è un problema comune.
    1. Tenere una lampada ultra violetta (UV) sopra il substrato, se la stampa non ha funzionato ci sarà qualcosa di simile a Figura 7c; in caso contrario non ci sarà essere luminescing pellicola come in Figura 7d in se il protocollo di cui sopra ha funzionato correttamente.

Risultati

Caratterizzazione della struttura di cristallo

Che caratterizzano la struttura di cristallo è di vitale importanza per quanto riguarda la sintesi delle perovskiti inorganici. Diffrazione di raggi x (XRD) è stato effettuato in aria a temperatura ambiente su un diffrattometro utilizzando un 1.54 Å lunghezza d'onda Cu-K_α sorgente luminosa. Utilizzando i protocolli di cui sopra dovrebbe condurre a una struttura di crista...

Discussione

Ci sono molti parametri coinvolti nel processo di stampa a getto d'inchiostro che colpiscono la pellicola stampata finale. La discussione di tutti quei parametri esula dall'ambito del presente protocollo, ma poiché questo protocollo si concentra su una soluzione a base di sintesi e metodo di deposizione, è opportuno dare un breve confronto ad altri metodi di deposizione basata su soluzione ben noto: il rivestimento per rotazione metodo e il metodo racla.

Il metodo di rivestimento per rotazio...

Materiali

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