Jato de tinta de impressão de todas as tintas de perovskita iodetos inorgânicos para aplicações fotovoltaicas

Resumo

Um protocolo para a síntese de híbridos inorgânico-chumbo-haleto de perovskita quântica ponto as tintas para impressão jato de tinta e o protocolo para a preparação e as tintas de ponto quântico em uma impressora jato de tinta com técnicas de caracterização de pós de impressão são apresentados.

Resumo

Um método para a síntese de tintas de ponto quântico fotoativa perovskita inorgânicos e um método de deposição de impressora jato de tinta, usando as tintas sintetizadas, são demonstrados. A síntese de tinta é baseada em uma simples reação química molhada e o protocolo de impressão jato de tinta é um método passo a passo fácil. O jato de tinta impressa filmes finos foram caracterizados por difração de raios x, espectroscopia de absorção óptica, espectroscopia fotoluminescente e medições de transporte electrónico. Difração de raios x dos filmes ponto quântico impresso indica uma estrutura de cristal consistente com uma fase de temperatura ortorrômbico com orientação (001). Em conjunto com outros métodos de caracterização, as medições de difração de raios-x mostram alta qualidade filmes podem ser obtidos através do método de impressão a jato de tinta.

Introdução

Dieter Weber sintetizou o primeiro híbrido orgânico-inorgânicos haleto perovskites em 1978^1,2. Aproximadamente 30 anos depois, em 2009, Akihiro Kojima e colaboradores fabricaram dispositivos fotovoltaicos usando o mesmo híbridos orgânico-inorgânicos haleto perovskites sintetizado por Weber, ou seja, CH₃NH₃PbI₃ e CH₃NH₃ PbBr₃³. Estas experiências foram o início de uma onda subsequente de investigação incidindo sobre as propriedades fotovoltaicas de híbridos orgânico-inorgânicos haleto perovskites. De 2009 a 2018, a eficiência de conversão de energia dispositivo aumentou dramaticamente de 3,8%³ a mais de 23%⁴, tornando híbridos orgânico-inorgânicos haleto perovskites comparáveis para Si com base em células solares. Como com o perovskites de baseada em haleto orgânico-inorgânicos, as perovskites inorgânicos baseados em haleto começou a ganhar tração na Comunidade de pesquisa por volta de 2012 quando a eficiência de dispositivo fotovoltaico primeira foi medida para ser 0,9%⁵. Desde 2012 as todos inorgânicos baseados em haleto perovskites têm percorreu um longo caminho com algum dispositivo eficiências medidas para ser mais 13% como no estudo de 2017, por Sanehira et al . ⁶ os perovskites ambos orgânicos-inorgânicos baseados e encontrar aplicativos relacionados a laser^7,8,9,10, emitindo luz diodos^{11, 12 , 13}, de deteção de radiação de alta energia¹⁴, foto deteção^15,16e aplicações fotovoltaicas claro^5,15,17,18 . Quase na última década, muitas técnicas de síntese diferentes surgiram de cientistas e engenheiros que variam de métodos de solução processada a vácuo vapor deposição técnicas^19,20,21. Os haleto perovskites sintetizados usando um método de solução-processados são vantajosos, como eles podem ser facilmente empregados como tintas para inkjet, impressão¹⁵.

Em 1987, o primeiro relatou a utilização de impressão de jato de tinta das células solares foi apresentada. Desde então, engenheiros e cientistas têm procurado maneiras de imprimir com êxito todas as células solares inorgânicas com propriedades de desempenho atraente e baixa implementação custa²². Há muitas vantagens para jato de tinta da impressão células solares, em comparação com alguns dos métodos de fabricação com base vácuo comum. Um aspecto importante do método de impressão a jato de tinta é que materiais baseados em solução são usados como tintas. Isso abre a porta para ensaios de diversos materiais, tais como tintas à base de perovskita inorgânicos, que podem ser sintetizados por métodos químicos molhados facile. Em outras palavras, a impressão do inkjet de materiais da célula solar é uma rota de baixo custo para prototipagem rápida. Impressão jato de tinta também tem as vantagens de ser capaz de imprimir grandes áreas em substratos flexíveis e imprimir por design a baixas temperaturas em condições atmosféricas. Além disso, impressão jato de tinta é altamente adequado para produção em massa, permitindo a implementação de rolo de baixo custo realista^23,24.

Neste artigo, vamos discutir primeiro as etapas envolvidas com sintetizando perovskita inorgânicos tintas de ponto quântico para impressão jato de tinta. Em seguida, descreveremos as etapas adicionais para preparação de tintas para impressão e os procedimentos reais para jato de tinta, impressão de um filme fotoativa usando uma impressora a jato de tinta disponíveis comercialmente. Finalmente, discutiremos a caracterização dos filmes impressos que é necessária para garantir que os filmes são de química adequada e a composição de cristal para o desempenho do dispositivo de alta qualidade.

Protocolo

Atenção: Por favor consulte fichas de dados de segurança do laboratório (MSDS) antes de prosseguir. Os produtos químicos utilizados nestes protocolos de síntese associados aos perigos para a saúde. Além disso, nanomateriais têm riscos adicionais em relação à sua contraparte em massa. Por favor, use todas as práticas de segurança adequadas ao realizar uma reação de nanocrystal, incluindo o uso de uma coifa ou porta-luvas e o equipamento protetor pessoal apropriado (óculos de segurança, luvas, jaleco, calças, sapatos fechados, etc.).

1. síntese do precursor

1. Síntese de precursores de oleato de césio
   Nota: O oleato de césio é sintetizado sob um ambiente de₂ N.
   1. Adicione carbonato de 0,203 g de césio (Cs₂CO₃), 10 mL de octadecene (ODE) e 1,025 mL de ácido oleico (OA) para um três-de-pescoço agitando o balão de fundo redondo. O balão de fundo redondo gargalo três para precursor de oleato de césio é rotulado 1 na Figura 1a.
   2. Coloque um termômetro ou termopar dentre os pescoços através de uma rolha de borracha.
   3. Coloque um septo de borracha em um dos restantes pescoços e em seguida, anexar o terceiro e último o pescoço de um nitrogênio gás linha através de uma linha de Schlenk. Coloque a mistura em uma atmosfera de nitrogênio gasoso.
   4. Aquecer a mistura a 150 ° C, com agitação constante a uma velocidade de agita de 399 mm/s usando uma barra de agitação magnética de 2,54 cm até o Cs₂CO₃ totalmente dissolve.
   5. Abaixe a temperatura de 100 ° C para evitar a precipitação e a decomposição do oleato de césio e sair mexendo com a mesma velocidade de agita como na etapa 1.1.4.
2. Síntese de precursores Oleylamine-PbBr₂
   Nota: Oleylamine-PbBr₂ precursor é sintetizado sob um ambiente de₂ N.
   1. Adicione 37,5 mL de ODE, 7,5 mL de oleylamine (OAm), 3,75 mL de OA e 1,35 mmol de PbBr pescoço agitando o balão de fundo redondo de₂ em mais três. Os três pescoço redondo balão agitação para OAm-PbBr2 é rotulado 2 na Figura 1a. A Figura 1b mostra a solução precursor misturadas.
   2. Coloque um termómetro ou o termopar em um dos pescoços e algum tipo de película de polímero em torno de termômetro/termopar para selar o pescoço, veja a Figura 1.
   3. Coloque uma rolha de borracha em um dos restantes pescoços e em seguida, anexar o pescoço do terceiro e último de uma linha de gás nitrogênio através de uma linha de Schlenk. Coloque a mistura sob atmosfera de nitrogênio gasoso.
   4. Aqueça a mistura até 100 ° C, com agitação constante a uma velocidade de agita de 599 mm/s usando uma barra de agitação magnética até a PbBr₂ é totalmente dissolvido. A solução de precursor, sob agitação constante é mostrada na Figura 1c e a solução totalmente dissolvido precursor é mostrada na Figura 1d.
   5. Aqueça a mistura até 170 ° C, com agitação constante, observe que a mistura sofre uma alteração de cor para amarelo escuro assim chegar a 170 ° C, como pode ser visto na Figura 1d. sair mexendo abaixo dos 170 temperatura de ° C.

2. CsPbBr₃ Quantum Dot síntese

1. Utilizando uma seringa de vidro de 2 mL, com uma agulha de calibre 18 tempo 10cm, extrair 1,375 mL de precursor de oleato de césio de três tubuladuras através do septo de borracha, como mostrado na Figura 2um.
2. Injete rapidamente, através do septo de borracha, a 1,375 mL de precursor de oleato de césio para o balão de três pescoço contendo o OAm-PbBr₂ precursor, conforme mostrado na Figura 2b. Deve haver uma mudança de cor observável, um verde-amarelo brilhante, como indicado na Figura2C.
3. Após injetar o precursor de oleato de césio, espere 5 s, retire as três tubuladuras do fogo e mergulhe o balão de fundo redondo de três-pescoço em um banho de gelo/água a 0 ° C, conforme mostrado na Figura 3um.
4. Separe a solução num balão de três pescoço igualmente em 2 tubos de ensaio, aproximadamente 25 mL por tubo de ensaio.
5. Adicionar 25mL de acetona para cada sobrenadante soluções e, em seguida, separe com centrífuga usando parâmetros abaixo.
6. Separe os pontos quânticos utilizando uma centrífuga a 2431.65 x g durante 5 min à temperatura ambiente, conforme mostrado na Figura 3b.
7. Separe os pontos quânticos de sobrenadante e centrifugado, conforme mostrado na Figura 3C, derramando o líquido sobrenadante para um tubo de ensaio vazio.
8. Finalmente, dissolva os pontos quânticos separados em 10-25 mL de hexanos ou cyclohexanes. Então, esta solução pode ser usada como uma tinta em cartuchos de impressora a jato de tinta para impressão de filmes finos.
   Nota: Uma impressora jato de tinta disponível comercialmente foi usada para imprimir todos os quântica ponto filmes finos das tintas inorgânicas perovskita baseado em haleto. Neste substratos de protocolo de vidro amorfo e óxido da lata do Indium revestido de polietileno tereftalato ITO/foram usados durante as medições. Para garantir que a superfície do substrato é limpa antes de imprimir, os substratos foram limpas com uma lavagem de acetona seguida por uma lavagem de metanol.

3. limpeza da cabeça de impressão

1. Primeiro verifique se a impressora está ligada e a alimentação ligada para obter acesso à cabeça da impressora e cartuchos de tinta.
2. Remova os cartuchos de tinta da cabeça de impressão, abra a tampa da impressora e esperar que os cartuchos de tinta voltar para a posição central e as luzes vermelhas por baixo dos cartuchos de tinta a ser iluminada e remover todos os cartuchos.
3. Mova a cabeça de impressão ligeiramente para a direita e puxe a guarda sobre a bandeja de tinta para que permite que a bandeja de permanecer no lugar, como mostrado na Figura 4. Chegar à parte traseira da bandeja da tinta e beliscar o divisor plástico separando as duas metades da cabeça de impressão. Puxe suavemente e a cabeça de impressão será facilmente removida.
4. Para limpar a cabeça de impressão, prepare um prato com alguns milímetros de água morna. Coloque a cabeça de impressão na água com as aberturas na parte inferior submergida. Evite o contacto entre a água e as partes verdes electrónicas nas costas porque isso tem o potencial para causar danos na cabeça de impressão.
5. Use uma pipeta e água morna para retirar a água contra as resistências. Deixe a cabeça de impressão sentado em água morna por 1-2 h.
6. Uma vez terminada a imersão em água quente, coloque a cabeça da impressora em um tecido de laboratório e deixar para secar pelo menos 20 min. Evite limpar a parte inferior da cabeça de impressão, porque as fibras de limpeza podem ficar presos nas fendas onde a tinta é dispensada.
7. Retornar a cabeça de impressão para a sua posição e empurre a guarda de volta à sua posição original.

4. impressão Perovskite Quantum Dot e tintas

Nota: Este protocolo utiliza uma impressora jato de tinta que inclui a capacidade de imprimir etiquetas de CD para CDs com o auxílio de uma bandeja de disco rígido CD. É recomendável antes da impressão perovskites, que um cortar uma forma preferida e o tamanho do substrato e, em seguida, imprimir o tamanho exato e a forma do substrato desejado no disco CD próprio usando tinta preta, como mostrado na Figura 5.

1. Desenhar uma linha reta na borda do disco e continuá-lo para a bandeja do disco CD. Desta forma, o modelo de CD podem ser alinhados o mesmo caminho toda vez e garantir que as tintas de impressão no local desejado.
2. Coloque o substrato sobre as imagens de tinta imprimidas no disco. O substrato pode ser mantido no lugar usando fita dupla face ou algum outro adesivo, conforme mostrado na Figura 5b.
3. Antes de encher os cartuchos de tinta, verifique a tampa laranja está instalada corretamente na parte inferior do cartucho de tinta, como mostrado na Figura 6um. Isto evitará tinta derramar para fora a parte inferior do cartucho.
4. Uma vez feita a solução de tinta, como na etapa 2.9, e a capa é no cartucho, usar uma pipeta para injetar a tinta de ponto quântico no topo do cartucho de tinta, como mostrado na Figura 6um.
   Nota: A tinta de ponto quântico será absorvida pela esponja até que se torna saturado e a tinta restante será armazenada no compartimento ao lado da esponja. Evite excesso de enchimento deste compartimento, porque a tinta pode escapar do topo quando torna-se quase completo.
5. Uma vez que o cartucho está cheio até a quantidade desejada, conecte o topo com a rolha de borracha e Retire cuidadosamente a tampa do fundo laranja. Estar preparado para um pouco de tinta escapar através do fundo ao executar esta ação.
6. Coloque o cartucho de tinta da cabeça da impressora e certifique-se de encaixá-la no lugar, como mostrado na Figura 6b, certifique-se de inserir os cartuchos restantes, vazios ou cheios antes de continuar para a próxima etapa, conforme mostrado na Figura 6c.
7. Fechar a impressora e aguarde a cabeça da impressora retornar para o lado distante direito da impressora.
8. Verifique se a cor das imagens sendo impresso corresponde à cor do cartucho de tinta contendo os pontos quânticos. Uma imagem sólida de ciano, magenta ou amarelo foram encontrados para funcionar melhor (preto é complicado porque há dois cartuchos pretos).
9. Clique em imprimir, no canto inferior direito e siga no ecrã instruções.
10. Enquanto a impressora está aquecendo, verificar que o disco está corretamente alinhado na bandeja do disco, tal que a imagem na tela irá imprimir exatamente onde esperado.
11. Uma instrução aparecerá na tela que direciona o usuário para abrir a tampa do disco na impressora e insira a bandeja de disco que contém o disco na máquina. Executar esta ação e, em seguida, pressione o botão de (laranja piscando) de currículo na impressora ou clique no botão de "Okey" na tela, como mostrado na Figura 7a e 7b.
12. Neste momento a impressora irá aceitar a bandeja de disco e perovskites impressão no substrato, depois de impressão é concluído; Verifique que as tintas na verdade impressa sobre o substrato como entupimento é um problema comum.
    1. Segure um ultra violeta () a lâmpada UV sobre o substrato, se a impressão não funcionou lá será algo semelhante à Figura 7c; caso contrário lá vai ser luminescing filme como na Figura 7d se o protocolo acima funcionou corretamente.

Resultados

Caracterização da estrutura cristalina

Caracterizar a estrutura cristalina é vital sobre a síntese das perovskites inorgânicos. Difração de raios x (XRD) realizou-se no ar à temperatura ambiente em um difratômetro usando um 1,54 Å de comprimento de onda Cu-K_α fonte de luz. Usando os protocolos acima deve conduzir a uma estrutura de cristal ortorrômbico de temperatura para as tintas de ponto CsPbBr₃...

Discussão

Há muitos parâmetros envolvidos no processo de impressão a jato de tinta que afetam a película impressa final. A discussão de todos esses parâmetros está além do escopo do presente protocolo, mas como este protocolo centra-se em uma síntese baseada em solução e o método de deposição, convém dar uma breve comparação com outros métodos de deposição conhecidos baseados em solução: o método de rotação-revestimento e o método de médico-lâmina.

O método de revestimento d...

Materiais

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