太陽光発電のアプリケーションのすべての無機塩ペロブスカイト型インキを印刷インク ジェット

要約

無機鉛ハロゲン ハイブリッド ペロブスカイト型量子ドット インク ジェット印刷用インキとポスト解析技術とインク ジェット プリンターで量子ドット インキの印刷と準備のためのプロトコルを合成するためのプロトコルが表示されます。

要約

光無機ペロブスカイト型量子ドット インキ、合成のインクを使用して、インク ジェット プリンターの蒸着法を合成する方法の例を示します。インク合成は、単純な湿式化学反応に基づいており、インク ジェットの印刷プロトコルは、安易なステップ バイ ステップ方法。インク ジェット印刷薄膜 x 線回折法、光吸収分光、発光分光、電子輸送測定によって特徴づけられています。印刷された量子ドット薄膜の x 線回折は、結晶の (001) 配向と斜方晶系の室温相と一致を示します。その他の評価方法と組み合わせて、x 線回折測定フィルム インク ジェット印刷法によって得られる高品質を表示します。

概要

ディーター ・ ヴェーバー 1978年^1,2で最初の有機-無機ハイブリッド ハロゲン化ペロブスカイトを合成しました。約 30 年後の 2009 年、小嶋昭弘との共同研究とし作製した太陽光発電素子でウェーバー、すなわち合成同じ有機-無機ハイブリッド ハロゲン化ペロブスカイト、CH₃NH₃PbI₃ CH₃NH₃PbBr₃³。これらの実験は、有機無機ハイブリッド ハロゲン化ペロブスカイトの光電変換特性に焦点を当て研究のそれに続く津波の始まりだった。2018 年まで 2009 年からデバイスの電力変換効率大幅に 3.8^{3 から}に増加 23% 以上⁴、有機-無機ハイブリッド ハロゲン化ペロブスカイト Si ベースに匹敵する太陽電池。として有機-無機ハロゲン化物系ペロブスカイト型と無機ハロゲン化物系ペロブスカイト型を獲得し始めた研究コミュニティの牽引 0.9⁵最初の太陽光発電装置の効率を測定したとき 2012 年頃。2012 年すべて無機ハロゲン化物系ペロブスカイト型は實ら2017年研究と同じく 13% 以上を用いていくつかのデバイスの効率と長い道のりを歩んでいます。⁶有機系、無機系ペロブスカイト型レーザー^7,8,9,10、光発光ダイオード^11、に関連するアプリケーションを見つける^12,もちろん太陽光発電アプリケーション^{5,15,17,18、写真検出15,16、高エネルギー放射線検出14 13}.過去 10 年間ほとんど、科学者から浮上している多くの異なる合成技術と真空処理解法に至るエンジニア気相蒸着技術^19,20,21。塗布法を用いた合成塩ペロブスカイトは、¹⁵の印刷インク ジェット用インキとして簡単に雇用できる有利です。

1987 年に、最初の太陽電池のインク ジェット印刷の使用を示した報告。その後、科学者やエンジニアは、無機太陽電池セルはすべて魅力的な性能を正常に印刷する方法を求めている、低い実装コスト²²。インク ジェット印刷太陽電池は、一般的な真空ベース作製方法のいくつかと比較して多くの利点があります。インク ジェット印刷法の重要な側面は、ソリューション ベースの材料をインクとして使用することです。これは無機ペロブスカイト型インキ、安易な湿式化学法で合成することができますなど、多くの異なる材料の試験のためにドアを開きます。つまり、太陽電池材料のインク ジェット印刷は、ラピッドプロトタイピングへ低コストのルートです。インク ジェット印刷では、大気の状態で低温のデザインによって印刷フレキシブル基板上に大規模な領域を印刷することができるという利点もあります。さらに、インク ジェット印刷は高い現実的な低コストのロール ・ ツー ・ ロール実装^23,24を可能にする大量生産に適しています。

この記事で最初に合成無機ペロブスカイト型量子ドット インクのインク ジェット印刷と関連する手順をについて説明します。その後、印刷、インク ジェット印刷市販のインクジェットプリンターを使用して光フィルムの実際の手技のインクを準備するための追加の手順をについて説明します。最後に、我々 は適切な化学、結晶組成高品質デバイスのパフォーマンスのための映画を確実にするために必要なプリント用フィルムの特性をについて説明します。

プロトコル

注意: は、ラボの製品安全データシート (MSDS) 続行する前に参照してください。これらの合成のプロトコルで使用される化学物質は、健康への危険を関連付けられています。さらに、ナノ材料と比べて、バルク、その他の危険があります。ヒューム フードやグローブ ボックス、適切な個人用保護具 (保護メガネ、手袋、白衣、ズボン、閉じてつま先の靴、等) の使用を含むナノ反応を実行するときは、すべての適切な安全対策を使用してください。

1. 前駆体の合成

1. セシウム オレイン酸前駆体合成
   注: N₂環境下でセシウム オレイン酸が合成されます。
   1. オレイン酸 (OA) 3 つの 1.025 mL 首丸底フラスコを攪拌とセシウムの 0.203 g 炭酸 (Cs₂CO₃)、octadecene (ODE) 10 mL を追加します。セシウム オレイン酸前駆体 3 つのハイネックの丸底フラスコには、図 1 aに 1 が付いています。
   2. 温度計や熱電対を首経由でゴム栓のいずれかに配置します。
   3. 残りの首の 1 つにゴムキャップを置き、窒素ガス ラインを介してシュレンク管に 3 番目と最後の首をアタッチします。窒素ガス雰囲気下で混合物を配置します。
   4. 399 mm 攪拌速度で一定の攪拌で 150 ° C に混合物を熱/s Cs₂CO₃まで 2.54 cm 電磁攪拌棒を使用して完全に溶解します。
   5. 沈殿物およびセシウム オレイン酸と 1.1.4 の手順と同じ攪拌速度で攪拌を残すの分解を避けるために 100 ° C に温度を下げます。
2. オレイルアミン PbBr₂前駆体の合成
   注: N₂環境下でオレイルアミン PbBr₂前駆体が合成されています。
   1. ODE の 37.5 mL オレイルアミン (OAm)、OA、3.75 mL と PbBr 別の 3 に₂首丸底フラスコを攪拌の 1.35 モルの 7.5 mL を追加します。3 つ首丸底フラスコに攪拌の OAm PbBr2図 1 aに 2 のラベルはのため。図 1 bは、混じり気のない前駆体溶液を示しています。
   2. 首の 1 つに温度計や熱電対を置き、首のシールは、図 1を参照してくださいに温度計/熱電対周り高分子フィルムのいくつかの並べ替えを置きます。
   3. 残りの首の 1 つのゴム栓を置き、シュレンク管を経由して窒素ガス行に 3 番目と最後の首を添付します。窒素ガス雰囲気下で混合物を配置します。
   4. 599 mm/s の磁気攪拌棒を使用して PbBr₂は完全に溶解するまで攪拌速度で一定の攪拌で 100 ° C に混合物を熱する。一定攪拌下で前駆体溶液は図 1の c に示すように、完全に溶存前駆体溶液が図 1d に表示されます。
   5. 一定の攪拌で 170 ° C に混合物を加熱、下 170 ° C の熱を攪拌が去れば図 1d で見られる 170 ° C に達する、混合物受ける濃い黄色への色の変化に注意してください。

2. CsPbBr₃量子ドット合成

1. 図 2に示すように、ゴム隔壁を通して首の 3 つのフラスコからセシウム オレイン酸前駆体の 1.375 mL を抽出 10 cm 長い 18 ゲージ針で 2 mL ガラス製注射器を使用します。
2. 経由でゴムキャップ、図 2b に示すように、OAm PbBr₂前駆体を含む 3 つの首フラスコにセシウム オレイン酸前駆体の 1.375 mL すばやく注入します。オブザーバブルの色変更、鮮やかな黄緑色、図 2c に示すように必要があります。
3. セシウム オレイン酸前駆体、待機 5 s を注射した後、熱から首の 3 つのフラスコを削除し、図 3に示すように、0 の ° C で氷水風呂に三首丸底フラスコに没頭します。
4. 分割首の 3 つのフラスコでソリューション同様に試験管 2 本、約 25 mL の試験管あたり。
5. 、各液にアセトン 25 mL を追加し、以下のパラメーターを使用して遠心分離機で区切ります。
6. 図 3 bに示すように、部屋の温度設定で 5 分間 2431.65 × g で遠心分離機を用いた量子ドットで区切ります。
7. 空のテスト チューブに上清を注ぐことによって図 3 cで示すように、上清および遠心量子ドットで区切ります。
8. 最後に、10-25 mL のヘキサンかシクロヘキサンに区切られた量子ドットを溶解します。このソリューションは、印刷薄膜インクジェット プリンタ カートリッジのインクとして使用できます。
   注: 市販のインクジェットプリンターは、すべて量子ドット薄膜無機ハロゲン化物系ペロブスカイト型インキを印刷する使用されました。非晶質のガラスとインジウムスズ酸化物のこのプロトコル基板コーティング ポリエチレンテレフタル酸塩 (ペット/伊藤) は測定中に使用されていました。確実基板表面を印刷する前にクリーンな状態に、基板はメタノール洗浄後アセトン洗浄を使用して掃除しました。

3. プリンター ヘッドのクリーニング

1. まず、プリンターが接続されると電源オンでインク カートリッジやプリンタ ヘッドへのアクセスを得るためにかどうかを確認します。
2. プリンタ ヘッドからインク カートリッジを取り外します、プリンターの上部を開くと中心位置と照らされるインク カートリッジの下に赤いライトに戻りますインク カートリッジを待って、すべてのカートリッジを取り外します。
3. プリント ヘッドを右に少し移動、図 4に示すように、場所に滞在するトレイをできるようにインク トレイにガードを引き出します。インク トレイの背面に到達し、プリント ヘッドの 2 つの半分を分離するプラスティックのピンチします。軽く引いて、プリント ヘッドを簡単に削除されます。
4. プリント ヘッドをきれいにするには、暖かい水の少数のミリメートルの料理を準備します。冠水した下部にスリットが付いている水にヘッドを置きます。プリント ヘッドにダメージを与える可能性がありますこのため背面緑の電子部品と、水との接触を避けます。
5. 抵抗器に水をドロップするのにピペットと暖かい水を使用します。プリント ヘッドをぬるま湯に 1-2 時間で座っているままにします。
6. 暖かい水に浸漬し終わったら、ラボ組織上プリンタ ヘッドを配置し、少なくとも 20 分避けるためワイプから繊維がはまり、スリット インクが分配されるため、プリント ヘッドの下を拭くを乾燥に残します。
7. プリント ヘッドをその位置に戻り、ガードを元の位置に押し戻します。

4. 印刷ペロブスカイト型量子ドットをインクします。

注: このプロトコルは、剛 CD ディスク トレイの助けを借りて Cd に CD ラベルを印刷する機能を含むインク ジェット プリンターを使用します。1 つ好みの形状や、基板のサイズをカットして正確なサイズと目的の基板の形状に印刷 CD ディスク自体、黒のインクを使用して図 5に示すように、印刷のペロブスカイトする前に勧めします。

1. ディスクの端に直線を引き、CD ディスク トレイにそれ。このように、CD テンプレートは並ぶことができる同じ方法たびに、な目的の場所に印刷するインク。
2. ディスクに印刷インクのイメージに基板を置きます。基板は、図 5b に示すように、両面テープまたはいくつかの他の接着剤を使ってその場で開催できます。
3. インク カートリッジを充填する前にオレンジ色のカバーが正しくインストールされるようインク カートリッジの底面に図 6に示すように。これは、カートリッジの下にこぼれることからインクを防ぐ。
4. 図 6に示すように、ステップ、2.9 のようにインクのソリューションが作成され、カートリッジのカバーは、一度を使用インク カートリッジの上部に量子ドットのインクを注入するピペットを。
   それが飽和状態になります、残りのインクをスポンジの横にあるコンパートメントに格納されますまで注: 量子ドット インクがスポンジによって吸収されます。それがほぼいっぱいになると、インクが上部から脱出できるので過充填この区画を避けてください。
5. カートリッジは、希望の金額に満ちている、一度ゴム栓の上部を接続し、オレンジ底部カバーを慎重に取り外します。この操作を実行するとき、底を通って脱出する少しインクの準備。
6. プリンタ ヘッドにインク カートリッジを配置、図 6 bに示すように、カチッを必ず残りのカートリッジ、空または図 6c に示すように、次の手順に進む前に完全に挿入してください。
7. プリンターを閉じるし、プリンタ ヘッド プリンターの右端側に戻るを待ちます。
8. 量子ドットを含むインク カートリッジの色に対応する印刷されるイメージの色を確認します。シアン、マゼンタ、またはイエローの立体像は、最高動作するように発見されている (黒 2 つの黒のカートリッジがあるのでわかりにくい)。
9. 右下隅のフォローで印刷をクリック、画面に表示される指示。
10. プリンターがウォーム アップ中、チェック ディスクがディスク トレイに正しく配置されるよう、期待される場所を正確に画面上のイメージが印刷されます。
11. 命令は、ユーザーがプリンターのディスク カバーを開けてマシンにディスクを含むディスク ・ トレイを挿入する画面に表示されます。この操作を実行、プリンターの再開 (オレンジ色点滅) ボタンを押してや、図 7 a及び7 bに示すように、画面の「OK」ボタンをクリックしてキーを押します。
12. この時点でプリンターは、ディスク トレイや、基板上の印刷ペロブスカイト受け入れる、印刷が終了するとチェックの共通の問題は、インクが目詰まりとして基板上に実際に印刷されること。
    1. 図 7c に類似した何かをする印刷が動作しなかった場合、基板上、紫外線 (UV) ランプを保持それ以外の場合が、ある luminescing図 7d のように映画上記プロトコルが正しく働いていた場合。

結果

結晶構造解析

無機ペロブスカイトの合成について、結晶構造の特性が重要です。X 線回折 (XRD) は、1.54 Å 波長 Cu K_α光源を使用して回折装置で室温で空気で行われました。図 8に示すように、室温斜方晶結晶 CsPbBr₃量子ドット インクにつながる必要があります上記プロトコルを使用して?...

ディスカッション

最終的なプリント用フィルムに影響するインク ジェット印刷プロセスに関与する多くのパラメーターがあります。これらのすべてのパラメーターの説明このプロトコルの範囲外ですが、このプロトコルは、ソリューション ベースの合成と蒸着法に焦点を当て、それは他のよく知られているソリューション ベースの成膜方法に短い比較を与える適切な:スピン コーティング法とドクターブレ?...

資料

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