Струйная печать всех неорганических галоидных перовскита красок для фотоэлектрических приложений

Резюме

Протокол для синтеза неорганических свинец галоидных гибрид перовскита Квантовая точка чернила для струйной печати и протокол для подготовки и печати чернила Квантовая точка в струйном принтере с поста характеристика методов представлены.

Аннотация

Метод синтеза фотоактивного неорганических перовскита Квантовая точка краски и метод осаждения струйный принтер, использование синтезированных красок, демонстрируются. Чернила синтез основывается на простой влажной химической реакции и протокол печати струйных является поверхностным методом шаг за шагом. Струйных печатных тонких пленок характеризовались дифракции рентгеновских лучей, спектроскопия оптического поглощения, фосфорная спектроскопии и транспортных электронных измерений. Рентгеновской дифракции фильмов печатных Квантовая точка указывает Кристаллическая структура соответствует фазе ромбическая комнатной температуры с ориентацией (001). В сочетании с другими методами характеристика рентгеновской дифракции измерения показывают высокое качество фильмов можно получить с помощью метода струйной печати.

Введение

Дитер Вебер синтезирован первый органо неорганических гибридных галоидных перовскитов в 1978 году^1,2. Примерно 30 лет спустя в 2009 году, Акихиро Kojima и коллаборационистов сфабрикованы фотоэлектрических устройств, используя же органо неорганических гибридных галоидных перовскитов синтезируется Вебер, а именно, CH₃NH₃PbI₃ и CH₃NH₃ PbBr₃³. Эти эксперименты были началом последующих исследований, посвященных фотоэлектрическую свойства органо неорганических гибридных галоидных перовскитов волну. С 2009 года до 2018 года, эффективности преобразования энергии устройства резко увеличилась с 3,8%³ более 23%⁴, делая органо неорганических гибридных галоидных перовскитов сопоставимых на основе Si солнечных батарей. Как с органо неорганических галогенид основе перовскитов, неорганических галогенид основе перовскитов начал набирает обороты в научно-исследовательское сообщество около 2012 года, когда первый эффективность фотоэлектрических устройств была измерена 0.9%⁵. Начиная с 2012 года все неорганических галогенид основе перовскитов прошли долгий путь с некоторых устройств эффективность измеряется быть более 13% как в 2017 году исследовании Sanehira et al. ⁶ на основе органических и неорганических перовскитов найти приложения, относящиеся к лазеры^7,8,9,10, легкие светоиспускающие диоды^{11, 12 , 13}, обнаружения излучения высокой энергии¹⁴, Фото обнаружения^15,16и конечно фотоэлектрических приложений^5,15,17,18 . За почти десятилетие много методов синтеза различных появились от ученых и инженеров, начиная от методы решения обрабатываются в вакууме паров осаждения техники^19,,2021. Галоидных перовскитов, синтезируются с помощью метода обработки решение выгодно как они легко могут быть использованы как чернила для струйной печати¹⁵.

В 1987 году первый сообщили, что использование струйной печати солнечных элементов был представлен. С тех пор ученые и инженеры искали способы успешно печать всех неорганических солнечных батарей с привлекательными эксплуатационными свойствами и низкой реализации по цене²². Есть много преимуществ для струйной печати солнечных элементов, по сравнению с некоторых общих методов вакуума основаны изготовления. Важным аспектом метода струйной печати является, что материалы на основе решения используются в качестве краски. Это открывает двери для испытания различных материалов, например неорганических перовскита красок, которые могут быть синтезированы снисходительный мокрой химических методов. Другими словами струйная печать фотоэлемент материалов является лоу кост маршрут для быстрого прототипирования. Струйной печати также имеет преимущества в состоянии напечатать большие площади на гибких подложках и печать дизайн при низких температурах в атмосферных условиях. Кроме того струйная печать очень подходит для массового производства, позволяющие реалистичные низкой стоимости рулонов осуществление^23,24.

В этой статье мы сначала обсудить шаги, связанные с синтезировать неорганические перовскита Квантовая точка чернила для струйной печати. Затем мы опишем дополнительные шаги для приготовления красок для печати и фактической процедуры для струйной печати фотоактивного фильм использование коммерчески доступных струйный принтер. Наконец мы обсуждаем характеристика печатные фильмов, которая необходима для обеспечения надлежащего химического и кристалл состава для производительности устройства высокого качества фильмов.

протокол

Предупреждение: Обратитесь к лаборатории паспорта безопасности материалов (MSDS) перед продолжением. Химических веществ, используемых в эти протоколы синтеза связаны опасности для здоровья. Кроме того наноматериалы имеют дополнительную опасность, по сравнению с их массовых коллегой. Пожалуйста, используйте все практики безопасности при выполнении Нанокристаллические реакции, включая использование вытяжного шкафа или бардачком и надлежащего личного защитного оборудования (защитные очки, перчатки, лаборатории пальто, брюки, закрыты носок обуви, и т.д.).

1. предшественник синтез

1. Цезий олеат предшественником синтеза
   Примечание: Цезий олеат синтезируется в среде N₂ .
   1. Добавьте 0,203 g цезия карбоната (Cs₂CO₃), 10 мл octadecene (ОДА) и 1.025 мл олеиновой кислоты (OA) три шеей вокруг нижней помешивая колбу. Три шеей круглым дном Фляга для цезия олеат прекурсоров помечается 1 на рисунке 1a.
   2. Поместите термометр или термопара в одну из шеи через резиновой пробкой.
   3. Поместите резиновые перегородки в один из оставшихся шеи и затем прикрепить третий и последний шеи к азота газовой линии через линию Шленк. Поместите смесь в атмосфере газообразного азота.
   4. Нагрейте смесь до 150 ° C при постоянном помешивании перемешивания скорость 399 мм/сек с использованием магнитных перемешать бар 2,54 см до₂CO Cs₃ полностью растворяется.
   5. Снизить температуру до 100 ° C, чтобы избежать осадки и разложение олеат цезия и оставить помешивая на той же скорости перемешивания как шаг 1.1.4.
2. Oleylamine-PbBr₂ предшественником синтеза
   Примечание: Oleylamine-PbBr₂ прекурсоров синтезируется в среде N₂ .
   1. Добавьте 37,5 мл Ода, 7,5 мл oleylamine (OAm), 3,75 мл ОА и 1,35 ммоль PbBr₂ в еще три шеей вокруг нижней помешивая колбу. Три шеей вокруг нижней перемешивания колбу для МКО-PbBr2 помечается 2 на рисунке 1a. Рисунок 1b показывает решение несмешанных прекурсоров.
   2. Поместите термометр или термопара в один из шеи и место своего рода полимерной пленки вокруг термометр/термопара для уплотнения шеи, см. Рисунок 1.
   3. Резиновой пробкой в одном из оставшихся шеи и затем прикрепить третий и последний шеи к азота газопровода через линию Шленк. Поместите смесь в газообразный азот атмосферы.
   4. Нагрейте смесь до 100 ° C при постоянном помешивании со скоростью перемешивания 599 мм/сек с использованием бар магнитные перемешать до полного растворения PbBr₂ . Предшественник раствор при постоянном помешивании показан на рисунке 1c и полностью растворяют прекурсоров решение показано в рисунке 1d.
   5. Нагрейте смесь до 170 ° C при постоянном помешивании, обратите внимание, что смесь подвергается изменению до темно-желтого цвета после достижения 170 ° C, как показано на рисунке 1d. оставить помешивая до 170 ° C тепла.

2. CsPbBr₃ Квантовая точка синтез

1. С помощью стекла шприц 2 мл, с 10 см длиной 18 иглы, экстракт 1,375 мл цезия олеат прекурсоров из трех шеи настой через резиновые перегородки, как показано на рисунке 2.
2. Быстро внедрять, через резиновые септум, 1,375 мл цезия олеат прекурсоров в три шеи колбу, содержащих прекурсоров₂ OAm-PbBr, как показано на рисунке 2b. Там должно быть изменение наблюдаемые цвета, блестящий желто зеленый, как показано на рисунке 2c.
3. После парентерального введения цезия олеат прекурсоров, подождите 5 s, удалите настой три шеи от жары и погрузить три шеи круглым дном колбу в лед/водяной бане при температуре 0 ° C, как показано на рисунке 3.
4. Отдельные решения в три шеи колбу одинаково в 2 пробирки, примерно 25 мл в пробирки.
5. Добавить 25 мл ацетона в каждом супернатанта решения, а затем отделить с центрифуги с использованием параметров ниже.
6. Отдельные квантовых точек с помощью центрифуги на 2431.65 x g для 5 мин при комнатной температуре параметр, как показано на рисунке 3b.
7. Отдельные супернатанта и центрифугировали квантовые точки, как показано на рис. 3 c, при заливке супернатант в пустую пробирку.
8. Наконец Растворите разлученных квантовых точек в 10-25 мл гексаны или cyclohexanes. Это решение затем может использоваться в качестве чернилами картриджей для струйных принтеров для печати тонких пленок.
   Примечание: Коммерчески доступных струйный принтер был использован для печати всех Квантовая точка тонких пленок неорганической основе галоидных перовскита красок. В этот протокол субстратов аморфные стекла и Индий оксид олова с покрытием полиэтилентерефталата (ITO/PET) были использованы во время измерений. Чтобы гарантировать, что поверхность субстрата чист перед печатью, подложек были очищены с помощью ацетона мыть следуют мыть метанола.

3. Очистка печатающей головки

1. Сначала убедитесь, что принтер подключен и включен доступ к Чернильные картриджи и печатающей головки.
2. Удалите картриджи из печатающей головки, открыть в верхней части принтера и ждать картриджи, чтобы вернуться к центральной позиции и красные огни под картриджи для освещения и затем удалить все картриджи.
3. Слегка переместите печатающую головку вправо и вытащить охранника на панели рукописного ввода, так что он позволяет на лоток, чтобы оставаться на месте, как показано на рисунке 4. Достичь к задней панели рукописного ввода и щепотку пластиковый делитель, разделяющей две половинки печатающей головки. Потяните мягко и будет легко удалить печатающей головки.
4. Чтобы очистить печатающей головки, приготовить блюдо с несколько миллиметров теплой воды. Место печатающей головки в воде с разрезами внизу под водой. Избегайте контакта между зеленый электронных частей на спине и воды, потому что это имеет потенциал для повреждения печатающей головки.
5. Используйте пипетку и теплой водой для капли воды на резисторы. Оставьте печатающей головки, сидя в теплой воде в течение 1-2 ч.
6. После замачивания в теплой воде, установите головку принтера на лаборатории ткани и оставьте сушиться по крайней мере 20 минут во избежание, вытирая в нижней части печатающей головки, потому что волокна от очистки может застрять в прорези где распределяется чернил.
7. Вернуть свою позицию печатающей головки и отодвинуть охранник в свое первоначальное положение.

4. Печать перовскита Квантовая точка чернила

Примечание: Этот протокол использует струйный принтер, который включает в себя возможность печатать этикетки CD на компакт-диски с помощью жесткой лоток диска CD. Рекомендуется перед печати перовскитов, что один вырезать предпочтительным форму и размер субстрата и затем распечатать точный размер и форму желаемого субстрата на компакт-диск с помощью черные чернила, как показано на рисунке 5.

1. Рисование прямой линии на краю диска и продолжить его на лоток для диска CD. Таким образом, шаблон CD могут быть выстроены же образом каждый раз и убедитесь, что чернила печать в нужном месте.
2. Поместите подложки изображения чернилами напечатаны на диске. Подложки могут проводиться на месте с помощью двухсторонней ленты или некоторые другие клея, как показано на рис. 5b.
3. Перед заполнением картриджи, обеспечить Оранжевая крышка правильно установлен на нижней части картриджа, как показано на рисунке 6. Это позволит предотвратить разлив в нижней части картриджа чернил.
4. После того, как раствор чернил производится, как в шаге 2.9, и крышка на картридж, использовать пипетку впрыснуть чернила Квантовая точка в верхней части картриджа, как показано на рисунке 6.
   Примечание: Квантовая точка чернил будет поглощена губки до тех пор, пока она становится насыщенным и оставшиеся чернила будут храниться в отсек рядом с губкой. Избегайте чрезмерного заполнения этот отсек, потому что чернила могут вырваться из верхней, когда он становится почти полностью.
5. Как только картридж заполнен до желаемой суммы, подключите Топ с резиновой пробкой и тщательно удалить оранжевый нижнюю крышку. Будьте готовы к немного чернил, чтобы бежать через дно, при выполнении этого действия.
6. Поместите картридж с чернилами в головку принтера и убедитесь, что он не встанет на место, как показано на рисунке 6b, не забудьте вставить остальные картриджи, пустой или полной прежде чем переходить к следующему шагу, как показано на рисунке 6c.
7. Закрыть вверх принтера и ждать головку принтера вернуться к далеко справа от принтера.
8. Убедитесь, что цвет изображения, которые печатаются соответствует цвет картриджа чернил, содержащие квантовых точек. Солидный имидж голубого, пурпурного или желтого были найдены работать лучше (черный это сложно, потому что есть две черные картриджи).
9. Нажмите кнопку Печать в нижнем правом углу и следуйте инструкциям на экране инструкциям.
10. В то время как принтер прогревается, проверьте, что диск правильно выровнен на лоток диска, таким образом, что изображение на экране будет печататься точно, где ожидалось.
11. Инструкция будет появляться на экране, который направляет пользователю открыть крышку диска, принтера и Вставьте лоток диска, содержащего диск в машину. Выполните это действие и затем нажать кнопку resume (Оранжевый мигает) на принтере или нажмите кнопку «ОК» на экране, как показано на рис. 7a и 7b.
12. На данный момент принтер будет принимать лоток диска и печати перовскитов на подложке, после печати; Проверьте что чернила фактически напечатан на подложку как засорения является общей проблемой.
    1. Держите ультра фиолетовый (УФ) лампы над субстрат, если печать не работает там будет нечто похожее на рисунке 7c; в противном случае там будет luminescing фильм как показано на рисунке 7d Если вышеупомянутый Протокол работал должным образом.

Результаты

Кристаллическая структура квалификации

Характеризуя Кристаллическая структура имеет жизненно важное значение относительно синтеза неорганических перовскитов. Дифракция рентгеновских лучей (XRD) была исполнена в воздухе при комнатной...

Обсуждение

Существует множество параметров, участвующих в процессе печати струйных, который влияет на окончательный печатной пленки. Обсуждение всех этих параметров выходит за рамки настоящего Протокола, но этот протокол ориентируется на решение на основе синтеза и метод осаждения, представляе...

Материалы

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