태양광 응용 프로그램에 대 한 모든 무기 할로겐 페로 잉크를 인쇄 하는 잉크젯

요약

합성 무기 리드 할로겐 하이브리드 페로 양자 점 잉크 잉크젯 인쇄 및 준비 하 고 게시물 특성화 기술로 잉크젯 프린터에 양자 점 잉크 인쇄 프로토콜에 대 한 프로토콜 표시 됩니다.

초록

광 무기 페로 양자 점 잉크 및 합성된 잉크를 사용 하는 잉크젯 프린터 증 착 방법, 합성 하는 방법을 시연 됩니다. 잉크 합성 간단한 습식된 화학 반응에 근거 하 고 잉크젯 인쇄 프로토콜은 손쉬운 단계 방법. 잉크젯 인쇄 박막 전자 전송 측정, 축 광 분광학, 광 흡수 분광학, x 선 회절에 의해 특징. 인쇄 된 양자 점 영화의 x 선 회절 (001) 방향으로 orthorhombic 실내 온도 단계와 일관 된 결정 구조를 나타냅니다. 다른 특성화 방법 함께, x-선 회절 측정 표시 고품질 영화 잉크젯 인쇄 방법을 통해 얻어질 수 있다.

서문

디 터 웨버 1978^1,2에 첫번째 유기-무기 하이브리드 할로겐 perovskites 합성. 약 30 년 후 2009 년에 아키 코 지 마와 공동 작업자 조작 베버, 즉 합성 같은 유기-무기 하이브리드 할로겐 perovskites를 사용 하 여 태양광 장치, 채널₃NH₃PbI₃ , 채널₃NH₃ PbBr₃³. 이러한 실험의 유기-무기 하이브리드 할로겐 perovskites 태양광 속성에 초점을 맞추고 연구의 후속 해 일 파도의 시작 했다. 2009 년 2018, 장치 전원 변환 효율 극적으로 증가 3.8³ 에서 23% 이상⁴, 유기-무기 하이브리드 할로겐 perovskites Si 기반에 비해 태양 전지를 만들기. 유기-무기 할로겐 기반 perovskites와 무기 할로겐 기반 perovskites 시작 했다 주위 2012 때 첫 번째 태양광 장치 효율은 0.9⁵측정 연구 커뮤니티에서 견인을 얻는. 2012 이후 모든 무기 할로겐 기반 perovskites 우기 길이 측정 이상 2017 연구에서 13 %Sanehira 그 외 여러분 에 의해 일부 장치 효율성 ⁶ 유기 및 무기 기반 perovskites 레이저^7,,89,10, 빛 발광 다이오드^11, 와 관련 된 응용 프로그램 들이 ^{12 , 13}, 높은 에너지 방사선 탐지¹⁴, 사진 검색^15,16, 그리고 물론 태양광 응용 프로그램^5,,1517,18 . 거의 지난 10 년간, 과학자에서 많은 다른 합성 기술이 등장 하 고 엔지니어 들이 솔루션 처리 방법에서 이르기까지 진공 증기 증 착 기법^19,,2021. 솔루션 처리 방법을 사용 하 여 합성 할로겐 perovskites는 유리 잉크 잉크젯 인쇄¹⁵에 대 한으로 쉽게 채택 될 수 있다.

1987 년에 처음 보고 태양 전지의 잉크젯 인쇄의 사용을 제시 했다. 그 이후, 과학자와 엔지니어가 매력적인 성능 특성을 가진 모든 무기 태양 전지를 성공적으로 인쇄 하는 방법을 모색 하 고 낮은 구현 비용²². 잉크젯 인쇄 태양 전지, 일반적인 진공 근거한 제조 방법 중 일부에 비해 많은 장점이 있다. 잉크젯 인쇄 방법의 중요 한 측면은 솔루션 기반 자료 잉크로 사용 됩니다. 이 다양 한 재료, 손쉬운 습식된 화학 방법으로 종합 될 수 있는 무기 페로 기반 잉크 등의 시험을 위해 문을 엽니다. 즉, 태양 전지 재료의 잉크젯 인쇄 신속한 프로토 타입을 낮은 비용 경로입니다. 또한 잉크젯 인쇄는 유연한 기판에 넓은 영역을 인쇄 하 고 대기 조건에서 낮은 온도에서 디자인으로 인쇄 할 수 있는 장점이 있습니다. 또한, 잉크젯 인쇄는 매우 현실적인 저가 롤 투 롤 구현^23,24에 대 한 허용 하는 대량 생산에 적합 합니다.

이 문서에서는, 우리는 먼저 합성 무기 페로 양자 점 잉크 잉크젯 인쇄와 관련 된 단계 설명. 다음, 우리 인쇄 및 상업적으로 사용 가능한 잉크젯 프린터를 사용 하 여 광 필름을 인쇄 하는 잉크젯에 대 한 실제 절차에 대 한 잉크를 준비 하기 위한 추가 단계를 설명 합니다. 마지막으로, 우리는 적절 한 화학 및 고품질 장치 성능에 대 한 크리스탈 구성의 영화는 되도록 필요한 인쇄 필름 특성 설명.

프로토콜

주의: 진행 하기 전에 실험실의 물질 안전 데이터 시트 (MSDS)를 참조 하십시오. 이러한 합성 프로토콜에 사용 되는 화학 물질에는 건강 위험 관련 된 있다. 또한, 나노 재료는 추가 위험 그들의 대량 대응에 비해. 증기 두건 또는 글러브와 적절 한 개인 보호 장비 (보호 안경, 장갑, 실험실 외 투, 바지, 폐쇄 발가락 신발, 등)의 사용을 포함 한 nanocrystal 반응을 수행할 때 모든 적절 한 안전 관행을 사용 하십시오.

1. 전조 합성

1. 세 슘 oleate 전조 합성
   참고: 세 슘 oleate N₂ 환경에서 합성 됩니다.
   1. 세 슘의 0.203 g 탄산염 (Cs₂CO₃), octadecene (ODE) 10 mL 및 올레 산 (OA) 3의 1.025 mL 둥근 바닥 플라스 크를 교 반 센을 추가 합니다. 세 슘 oleate 전조에 대 한 3 센된 둥근 바닥 플라스 크 1 그림 1a에 표시 됩니다.
   2. 온도계 또는 열전대는 목을 통해 고무 스 토퍼 중 하나에 놓습니다.
   3. 나머지 목 중 하나로 고무 격 막을 놓고에는 질소 가스 라인 통해 Schlenk 선 제 3의 그리고 마지막 목을 첨부 합니다. 가스 질소 분위기에서 혼합물을 놓습니다.
   4. 150 ° c 399 mm의 교 반 속도로 지속적인 교 반 혼합이 열/s 완전히 Cs₂CO₃ 까지 2.54 cm 자기 볶음 바를 사용 하 여 녹이 고.
   5. 강 수와 세 슘 oleate 단계 1.1.4에서 동일한 교 반 속도에 감동 하는 휴가의 분해를 피하기 위해 100 ° C의 온도 낮춥니다.
2. Oleylamine-PbBr₂ 전조 합성
   참고: Oleylamine PbBr₂ 전조 N₂ 환경에서 합성 됩니다.
   1. 37.5 mL 송 시의 oleylamine (OAm), OA, 3.75 mL 둥근 바닥 플라스 크를 저 어 다른 3로₂ 센 PbBr의 1.35 mmol의 7.5 mL를 추가 합니다. 3 하단 감동적인 플라스 크 라운드 센 위한 OAm-PbBr2 2 그림 1a에 표시 됩니다. 그림 1b 는 순수한 전조 솔루션을 보여 줍니다.
   2. 목의 하나에 온도계 또는 열전대를 배치 하 고 어떤 종류의 폴리머 필름 온도계/열전대 목 인감 그림 1을 참조 하십시오 주위 장소.
   3. 나머지 목 중에서 고무 마 개를 놓고 제 3의 그리고 마지막 목 Schlenk 선 질소 가스 라인에 연결 합니다. 가스 질소 분위기에서 혼합물을 놓습니다.
   4. 100 ° c 599 m m/s PbBr₂ 완전히 해산 될 때까지 자기 볶음 바를 사용 하 여의 교 반 속도로 지속적인 교 반 혼합 열. 지속적인 교 아래 전조 솔루션 그림 1c에 표시 되 고 완전히 녹아 전조 솔루션 그림 1d에 표시 됩니다.
   5. 지속적인 교 반 170 ° C에 혼합물을가 열, 혼합 일단 아래 170 ° C 열을 저 어 두고 디 그림 1에서에서 본 170 ° C를 도달 어두운 노란색 노란색 색상 변화를 겪 습 주의.

2. CsPbBr₃ 양자 점 합성

1. 그림 2와 같이 고무 격 막 통해 플라스 크 3 목에서에서 세 슘 oleate 전조의 1.375 mL 추출 10 cm 긴 18 게이지 바늘 2 mL 유리 주사기를 사용 하는.
2. 신속 하 게 주사를 통해 고무 격 막, 그림 2b와 같이 OAm-PbBr₂ 선구자를 포함 하는 세 목 플라스 크로 세 슘 oleate 전조의 1.375 mL. 관찰 가능 색상 변경는 화려한 노란색-녹색, 그림 2c와 같이 해야 합니다.
3. 세 슘 oleate 전조, 대기 5 s 주입, 후 열에서 3 목 플라스 크를 제거 하 고 그림 3에서처럼 0 ° C에서 얼음/물 목욕으로 3 목 둥근 바닥 플라스 크를 담가.
4. 구분 세 목 플라스 크에서 솔루션 똑같이 2 테스트 튜브, 약 테스트 튜브 당 25 mL.
5. 아래 매개 변수를 사용 하 여 원심 분리기로 분리 다음 각 표면에 뜨는 솔루션 아세톤의 25 mL를 추가 합니다.
6. 그림 3b와 같이 실내 온도 설정, 5 분 동안 2431.65 x g에서 원심 분리기를 사용 하 여 양자 점 들을 구분 합니다.
7. 빈 테스트 튜브에는 상쾌한 붓는 의해 그림 3 c와 같이 표면에 뜨는 및 centrifuged 양자 점 들을 구분 합니다.
8. 마지막으로, hexanes 또는 cyclohexanes의 10-25 mL의 분리 된 양자 점 녹. 이 솔루션 다음 얇은 필름 인쇄를 위한 잉크젯 프린터 카트리지에 잉크 사용할 수 있습니다.
   참고: 상업적으로 사용 가능한 잉크젯 프린터 모든 양자 도트 얇은 필름 무기 할로겐 기반 페로 잉크의 인쇄에 사용 되었다. 비정 질 유리 및 인듐 주석 산화물의이 프로토콜 기판에 코팅 된 폴 리 에틸렌 테 레프 탈 레이트 (ITO/PET) 측정 하는 동안 사용 되었다. 기판 표면 인쇄 하기 전에 깨끗 한 확인 하는 기판 뒤에 메탄올 세척 아세톤 세척을 사용 하 여 청소 했다.

3. 프린터 헤드 청소

1. 먼저 프린터에 연결 되어 있고 전원 잉크 카트리지 및 프린터 헤드에 액세스할 수 있는지 확인 합니다.
2. 프린터 헤드에서 잉크 카트리지를 제거, 프린터의 상단을 열고 고 센터 위치와 조명, 잉크 카트리지 아래 빨간 불빛으로 돌아갑니다 잉크 카트리지를 기다리는 모든 카트리지를 제거 합니다.
3. 인쇄 머리를 약간 오른쪽으로 이동 하 고 그림 4와 같이 장소에서 머물 트레이 수 있도록 잉크 트레이에 가드를 꺼내. 잉크 트레이의 뒷면에 도달 하 고 프린트 헤드의 두 반쪽을 분리 하는 플라스틱 분배기를 꼬집어. 부드럽게 당겨 하 고 프린트 헤드는 쉽게 제거 될 것입니다.
4. 인쇄 헤드를 청소 하려면 몇 밀리미터 따뜻한 물과 접시를 준비 합니다. 잠긴 하단 틈새와 물에 인쇄 헤드를 놓습니다. 이 프린트 헤드를 손상 할 가능성이 있기 때문에 뒤에 녹색 전자 부품과 물 사이 접촉을 피하십시오.
5. 저항기에 물 드롭 피 펫과 따뜻한 물을 사용 합니다. 1-2 h에 대 한 따뜻한 물에 앉아 인쇄 헤드를 둡니다.
6. 완료 되 면 따뜻한 물에 몸을 담근 채, 프린터 헤드 연구소 조직에 놓고 적어도 20 분 닦아에서 섬유 잉크 디스 펜스는 틈새에 붙어 얻을 수 있기 때문에 인쇄 헤드의 바닥을 닦아 하지 마십시오 건조 두고.
7. 프린트 헤드의 위치를 반환 하 고 가드를 다시 원래 위치로 밀어.

4. 인쇄 페로 양자 점 잉크

참고:이 프로토콜은 엄밀한 CD 디스크 트레이의 도움으로 Cd에 CD 라벨을 인쇄 하는 기능을 포함 하는 잉크젯 프린터를 사용 합니다. 하나는 기본 모양 및 기판의 크기를 잘라 하 고 다음 인쇄는 정확한 크기와 모양을 원하는 기판의 CD 디스크에 자체 검정 잉크를 사용 하 여 그림 5와 같이 인쇄 perovskites, 전에 추천 된다.

1. 디스크의 가장자리에 직선을 인출 하 고 CD 디스크 트레이에 계속. 이 방법으로 CD 템플릿 수 될 줄을 같은 방식으로 모든 시간 하 고 원하는 위치에 인쇄 잉크 확인 합니다.
2. 디스크에 인쇄 되는 잉크 이미지 기판에 배치. 기판 그림 5b와 같이 더블 양면된 테이프 또는 다른 접착제를 사용 하 여 장소에서 열릴 수 있습니다.
3. 잉크 카트리지를 작성 하기 전에 오렌지 커버 제대로 설치 되었는지 확인 잉크 카트리지의 하단에 그림 6과 같이 한. 이 카트리지의 하단에 밖으로 흘리 고에서 잉크를 되지 것입니다.
4. 잉크 솔루션 단계 2.9에서 이루어집니다 그리고 덮개는 카트리지에를 사용 하 여 한 피 펫 잉크 카트리지의 상단에 양자 점 잉크를 주입 그림 6에서 같이 한.
   참고: 양자 점 잉크 갯 솜에 의해 포화 상태가 되 고 남은 잉크 스펀지 옆에 구획에 저장 될 때까지 흡수 됩니다. 잉크 거의 완전 하 게 되 면 상단에서 벗어날 수 있기 때문에-이 구획을 작성 하지 마십시오.
5. 카트리지를 원하는 금액을 입력은, 고무 마 개의 상단을 연결 하 고 오렌지 하단 커버를 조심 스럽게 제거. 이 작업을 수행할 때 바닥을 통해 탈출 하는 작은 잉크에 대 한 준비.
6. 고 반드시 제자리에, 그림 6b와 같이, 나머지 카트리지를 비어 있거나 그림 6c와 같이 다음 단계를 계속 하기 전에 전체를 삽입 해야 합니다. 프린터 헤드에 잉크 카트리지를 놓습니다.
7. 프린터를 닫고 프린터의 멀리 오른쪽으로 돌아가려면 프린터 헤드를 기다립니다.
8. 양자 점이 포함 된 잉크 카트리지 색상에 해당 인쇄 되 고 이미지의 색상을 확인 하십시오. 녹청, 자홍 또는 노란색의 단단한 이미지를 가장 잘 작동 하도록 발견 되었습니다 (검은 두 개의 검정 카트리지는 때문에 것은).
9. 하단 오른쪽 모서리와 다음 클릭 인쇄는 화면 지침.
10. 프린터 워밍업 하는 동안 확인 디스크에 디스크 트레이 올바르게 정렬 되도록 예상 하는 어디에 정확 하 게 화면에 이미지 인쇄 됩니다.
11. 지시는 프린터에 있는 디스크 덮개를 열고 컴퓨터에 디스크를 포함 하는 디스크 트레이 삽입 하는 사용자는 화면에 표시 됩니다. 이 작업을 수행 하 고 프린터에 이력서 (오렌지 깜박이) 단추를 눌러 또는 그림 7a 와 7b에서 같이 화면에서 "확인" 버튼을 클릭.
12. 이 시점에서 프린터 수락할 디스크 트레이 기판에 인쇄 perovskites 후 인쇄; 확인 잉크 막힘으로 기판에 실제로 인쇄 하는 일반적인 문제입니다.
    1. 기판 위에 울트라 바이올렛 (UV) 램프를 잡고, 그림 7c; 비슷한 될 것입니다 인쇄 작동 하지 않은 경우 그렇지 않으면 거기 것 이다 될 luminescing 그림 7d에서 필름 위의 프로토콜 제대로 작동 하는 경우.

결과

결정 구조 특성

결정 구조를 특성화 하는 것은 무기 perovskites의 합성에 관한 중요 합니다. X 선 회절 (XRD) 1.54 Å 파장 Cu-K_α 광원을 사용 하 여 diffractometer에 실내 온도에 공기에서 수행 되었다. 그림 8에서 같이 CsPbBr₃ 양자 점 잉크에 대 한 실내 온도 orthorhombic 크리스탈 구조에 연결 되어야 위의...

토론

최종 인쇄 된 필름에 영향을 주는 잉크젯 인쇄 프로세스에 관련 된 많은 매개 변수가 있습니다. 이 프로토콜의 범위를 벗어납니다 매개 변수들의 토론 하지만이 프로토콜 솔루션 기반 합성 및 증 착 방법에 초점을 맞추고, 그것은 다른 유명한 솔루션 기반 증 착 방법에 짧은 비교를 주고 적절 한:는 스핀 코팅 방법 그리고 닥터 블레이드 방법.

스핀 코팅 방법 매우 빠르고, 균일...

자료

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