Fotovoltaik uygulamalar için tüm inorganik Halide Perovskite mürekkepler baskı mürekkep püskürtmeli

Özet

Kurşun halide inorganik hibrid perovskite kuantum nokta mürekkepler mürekkep püskürtmeli baskı için ve hazırlama ve bir mürekkep püskürtmeli yazıcı yazı karakterizasyonu teknikleri ile kuantum nokta mürekkep baskı için protokol sentezleme için bir protokol sunulmuştur.

Özet

Fotoaktif inorganik perovskite kuantum nokta mürekkepler ve sentezlenmiş mürekkepler kullanılarak bir mürekkep püskürtmeli yazıcı biriktirme yöntemi sentezleme yöntemi gösterdi. Mürekkep sentez basit bir ıslak kimyasal tepki olarak dayanmaktadır ve mürekkep püskürtmeli baskı iletişim kuralı bir facile adım adım bir yöntemdir. İnce filmleri inkjet baskılı x-ışını kırınım, optik soğurma spektroskopisi, photoluminescent spektroskopisi ve elektronik aktarım ölçümleri ile karakterizedir. X-ışını kırınım yazdırılan kuantum nokta filmlerin bir kristal yapısı ile bir ortorombik oda sıcaklığında faz (001) yönlendirmesi ile tutarlı gösterir. Diğer karakterizasyon yöntemleri ile birlikte, yüksek kaliteli filmler mürekkep püskürtmeli baskı yöntemi ile elde edilebilir x-ışını kırınım ölçümleri göster.

Giriş

Dieter Weber ilk organik-inorganik hibrid halide perovskites 1978^1,2sentezledim. Yaklaşık 30 yıl sonra 2009 yılında fabrikasyon Akihiro Kojima ve işbirlikçileri fotovoltaik cihazlar yani Weber tarafından sentezlenen organik-inorganik hibrid halide perovskites kullanarak, CH₃NH₃PBI₃ ve CH₃NH₃ PbBr₃³. Bu deneyler araştırma organik-inorganik hibrid halide perovskites fotovoltaik özellikleri üzerinde odaklanan bir sonraki deprem dalgası başlangıçtı. 2018 için 2009 aygıt güç dönüşüm verimliliği önemli ölçüde artış % 3.8³ %23 üzerinde organik-inorganik hibrid halide perovskites Si tabanlı karşılaştırılabilir güneş hücreleri yapma mı⁴,. Olarak ne zaman ilk fotovoltaik aygıt verimliliği %0,9⁵olarak ölçüldü 2012 civarında kazanç arazi araştırma topluluk halide tabanlı organik-inorganik perovskites ile inorganik halide tabanlı perovskites başladı. 2012 yılından bu yana tüm inorganik perovskites halide tabanlı 2017 çalışma olduğu gibi % 13 üzerinde olmak Sanehira vd tarafından ölçülen bazı aygıt verimliliği ile uzun bir yol katettik ⁶ temel organik ve inorganik tabanlı perovskites lazerler^7,8,9,10için ışık yayan diyotlar^11, ilgili uygulamalar bulabilirsiniz. ^{12 , 13}, yüksek enerjili radyasyon algılama¹⁴, fotoğraf algılama^15,16ve tabii fotovoltaik uygulamaları^5,15,17,18 . Neredeyse son on yılda, birçok farklı sentez teknikleri bilim adamları çıkmıştır ve vakum işlenmiş çözüm yöntemleri arasında değişen mühendisleri ifade teknikleri^19,20,21Buhar. Onlar kolayca mürekkep püskürtmeli¹⁵baskı için mürekkep olarak istihdam edilebilir bir çözüm işlenen yöntemiyle sentezlenmiş halide perovskites avantajlı şunlardır.

1987 yılında, ilk mürekkep püskürtmeli baskı güneş hücrelerinin kullanımı sunuldu bildirdi. O zamandan beri bilim adamları ve mühendisleri başarıyla tüm inorganik güneş pilleri çekici performans özellikleri ile yazdırmanın yolları çalışmışlardır ve düşük uygulama maliyeti²². Mürekkep püskürtmeli baskı güneş hücreleri, bazı ortak vakum göre imalat yöntemleri ile karşılaştırıldığında pek çok avantajı vardır. Önemli bir unsuru, mürekkep püskürtmeli baskı yöntemi çözüm tabanlı malzemeler mürekkepler kullanılır. Bu denemeler inorganik perovskite bazli mürekkep facile ıslak kimyasal yöntemlerle sentez gibi birçok farklı malzemelerin için kapıyı açar. Başka bir deyişle, mürekkep püskürtmeli baskı güneş pili malzemelerin hızlı prototipleme için bir düşük maliyetli yoldur. Mürekkep püskürtmeli baskı da geniş alanlar esnek yüzeyler üzerinde baskı ve tasarım atmosferik koşullarda düşük sıcaklıklarda yazdırmak için güçlü olmanın avantajları vardır. Ayrıca, mürekkep püskürtmeli baskı son derece seri üretim gerçekçi düşük maliyetli rulo rulo uygulaması^23,24için izin için uygundur.

Bu makalede, biz ilk inorganik perovskite kuantum nokta mürekkepler mürekkep püskürtmeli baskı için sentezleme ile ilgili adımları tartışmak. O zaman, mürekkepler baskı ve gerçek yordamlar için piyasada bulunan mürekkep püskürtmeli yazıcı kullanarak bir fotoaktif film baskı mürekkep püskürtmeli hazırlama ek adımları anlatılmaktadır. Son olarak, biz filmleri uygun kimyasal ve kristal kompozisyon için yüksek kaliteli cihaz performans sağlamak gerekli olan alan nitelik özellikleri yazdırılan filmlerin tartışıyorlar.

Protokol

Dikkat: Lütfen devam etmeden önce laboratuar malzeme güvenlik bilgi formları (MSDS) başvurun. Bu sentez Protokoller'de kullanılan kimyasalların sağlık tehlikeleri ilişkili. Ayrıca, Nanomalzemeler onların toplu muadili karşılaştırıldığında ek tehlikeler var. Lütfen tüm uygun güvenlik uygulamaları bir duman başlık veya torpido ve uygun kişisel koruyucu ekipman (koruyucu gözlük, eldiven, önlük, pantolon, kapalı-toe ayakkabı, vb) kullanımı gibi bir nanocrystal tepki yerine getirirken kullanın.

1. öncü sentezi

1. Sezyum oleat habercisi sentezi
   Not: Sezyum oleat altında N₂ çevre sentezlenir.
   1. Sezyum 0.203 gr karbonat (Cs₂CO₃), octadecene (ODE) 10 mL ve oleik asit (OA) bir üç 1.025 mL şişe karıştırma alt yakalı ekleyin. Sezyum oleat habercisi üç boyunlu yuvarlak alt şişesi 1 Şekil1a etiketlenir.
   2. Bir termometre veya ısıl boyunlu yoluyla bir kauçuk tıpa yerleştirin.
   3. Kauçuk septum kalan boyunlarını birinin içine yerleştirin ve üçüncü ve son boyun bir Azot Gaz hattı üzerinden için bir Schlenk satırı ekleyebilirsiniz. Bir gaz azot atmosferi altında karışımı yerleştirin.
   4. 150 ° C 399 mm heyecan verici bir hızda sürekli karıştırarak ile karışıma ısı/s 2,54 cm manyetik heyecan bar Cs₂CO₃ kadar tam olarak kullanarak çözer.
   5. Daha düşük sıcaklık 100 ° c yağmur damlaları ve sezyum oleat ve adım 1.1.4 olduğu gibi aynı karıştırma hızda karıştırma bırakın ayrışma önlemek için.
2. Oleylamine-PbBr₂ habercisi sentezi
   Not: Oleylamine-PbBr₂ öncül altında N₂ çevre sentezlenir.
   1. ODE, 37.5 mL oleylamine (OAm), OA 3.75 mL ve₂ başka bir üç içine şişesi karıştırma alt yakalı PbBr, 1,35 mmol 7.5 mL ekleyin. Avustralyalı-PbBr2 2 Şekil 1a' etiketli için üç alt karıştırma kabı yakalı. Şekil 1b karışmamış öncü çözüm gösterir.
   2. Bir termometre veya ısıl boyunlarını birinin içine yerleştirin ve polimer film boyun mühür, Şekil 1bakınız için termometre/ısıl çevresinde bir yer.
   3. Kauçuk tıpa kalan boyunlarını taşıyıcıya yerleştirin ve sonra üçüncü ve son boyun azot gaz borusu Schlenk hattı üzerinden ekleyin. Karışım Gaz azot atmosferi altında yerleştirin.
   4. 599 mm/s PbBr₂ tamamen eriyene kadar bir manyetik heyecan çubuğunu kullanarak heyecan verici bir hızda sürekli karıştırarak ile 100 ° C karışıma ısı. Öncü çözüm sürekli karıştırma altında resim 1c ile gösterilir ve tam olarak çözünmüş öncü çözüm Şekil 1d içinde gösterilir.
   5. 170 ° C sürekli karıştırarak ile karışıma ısı, 170 ° C olarak görülen ö. 1 rakamulaşan terk ettikten sonra küçük 170 ° C ısı karıştırarak karışımı koyu sarı bir renk değişikliği uğrar dikkat edin.

2. CsPbBr₃ kuantum nokta sentezi

1. 2 mL Cam şırınga 10 cm uzun 18 gauge iğne ile hulâsa istimal sezyum oleat habercisi 1,375 mL üç boyun balon lastik septum ile gelen Şekil 2' de gösterildiği gibi bir.
2. Hızlı bir şekilde enjekte, yolu ile kauçuk septum, sezyum oleat habercisi OAm PbBr₂ habercisi Şekil 2B'de gösterildiği gibi içeren üç boyun balonun içine 1,375 mL. Bir gözlemlenebilir renk değişikliği, parlak bir sarı-yeşil, Şekil 2c gösterildiği gibi olmalıdır.
3. Enjekte sezyum oleat habercisi, bekle 5 s sonra üç boyun kabı ateşten alın ve Şekil 3' te gösterilen 0 ° C'de bir buz/su banyosu içine üç-boyun yuvarlak alt şişeyi bırakın bir.
4. Üç boyun şişeye çözümde eşit kabaca 25 mL tüp başına 2 test tüpleri ayırın.
5. 25 mL aseton süpernatant her çözüm ekleyin, sonra aşağıdaki parametreleri kullanarak santrifüj ile ayırın.
6. Oda sıcaklık ayarında, 5 min için de 2431.65 x g bir santrifüj kullanarak kuantum nokta Şekil 3b' gösterildiği gibi ayırın.
7. Süpernatant ve centrifuged kuantum noktaları süpernatant boş bir tüp dökerek Şekil 3 c, gösterildiği gibi ayırın.
8. Son olarak, hexanes veya cyclohexanes 10-25 ml ayrılmış kuantum nokta geçiyoruz. Bu çözüm, daha sonra yazdırma ince filmler için bir mürekkep püskürtmeli yazıcı kartuşları olarak kullanılabilir.
   Not: Piyasada bulunan mürekkep püskürtmeli yazıcı tüm kuantum nokta ince filmler inorganik halide tabanlı perovskite mürekkep yazdırmak için kullanıldı. İçinde bu protokolü yüzeylerde amorf cam ve indiyum kalay oksit kaplı polietilen tereftalat (ITO/PET) ölçümleri sırasında kullanılmıştır. Substrat yüzey yazdırmadan önce temiz olduğundan emin olmak için yüzeylerde metanol yıkama tarafından takip bir aseton yıkama kullanarak temizlenmiştir.

3. yazıcı kafası temizleme

1. Önce yazıcının takılı ve mürekkep kartuş ve yazıcı kafası erişmek için güç açık olduğundan emin olun.
2. Mürekkep kartuşlarını yazıcı başından kaldırın, yazıcının üst açmak ve merkezi konumu ve kırmızı ışıklar altında aydınlatılmış için mürekkep kartuşları geri dönmek mürekkep kartuşları beklemek ve tüm kartuşları çıkarın.
3. Yazıcı kafasını hafifçe sağa hareket ettirin ve böylece o Şekil 4' te gösterildiği gibi bir yerde kalmak tepsi bırakmak mürekkep tepsi tetikte dışarı çekin. Mürekkep tepsi arkasına doğru ulaşmak ve yazıcı kafası iki yarısı ayıran plastik bölücü çimdik. Yavaşça çekin ve yazıcı kafası kolayca kaldırılır.
4. Yazdırma kafasını temizlemek için sıcak su birkaç milimetre ile bir yemek hazırlayın. Yazdırma kafası batık altındaki yırtmaçlı suyla yerleştirin. Bu yazıcı kafası zarar potansiyeline sahiptir çünkü arkasında yeşil elektronik parçalar ve su arasındaki temas kaçının.
5. Bir pipet ve sıcak su su dirençler üzerinde silmek için kullanın. 1-2 h için sıcak suda oturan yazdırma kafası bırakın.
6. Bir kez ılık suda iliklerine kadar bitmiş, yazıcı kafası bir laboratuvar doku üzerinde yerleştirin ve en az 20 dk. silme lifleri slits içinde mürekkep nerede reçete sıkışmış almak çünkü yazdırma kafası alt silerek kaçının kurumaya bırakın.
7. Yazdırma kafası konumuna döndürmek ve bekçi geri özgün konumuna geri itin.

4. baskı Perovskite kuantum nokta mürekkepler

Not: Katı bir CD yuvarlak yüzey tepsi yardımıyla CD'lere CD etiketleri yazdırma yeteneğini içerir bir mürekkep püskürtmeli yazıcı bu protokolü kullanır. Tavsiye edilir yazdırma perovskites önce bir bir tercih edilen şekil ve büyüklük-in belgili tanımlık substrate kesip ve sonra tam boyutunu ve şeklini istenen substrat CD disk üzerinde kendisi siyah mürekkep kullanarak Şekil 5' te gösterildiği gibi yazdırın.

1. Diskin kenarında düz bir çizgi çizmek ve CD yuvarlak yüzey tepsi devam ediyor. Bu şekilde, CD şablonu aynı şekilde her zaman kaplı ve istediğiniz konumda mürekkepler baskı.
2. Belgili tanımlık substrate disk üzerinde basılı mürekkebi görüntüler üzerine getirin. Belgili tanımlık substrate çift taraflı bant veya bazı diğer yapışkan, Şekil 5B'de gösterildiği gibi kullanarak yerde tutulamaz.
3. Mürekkep kartuşlarını doldurmadan önce turuncu kapak Mürekkep Kartuşu, altta yüklü doğru Şekil 6' da gösterildiği gibi olun bir. Bu mürekkep kartuşu alt dökülmesini engeller.
4. Mürekkep çözüm adım 2.9, olduğu gibi yapılır ve kapağı çıkarma, sonra bir pipet kuantum nokta mürekkep mürekkep kartuşu, üst içine enjekte etmek Şekil 6' da gösterildiği gibi kullanmaya devam bir.
   Not: Kuantum nokta mürekkep tarafından sünger doymuş hale gelir ve kalan mürekkebi-ecek var olmak stok içinde sünger yanında bölme kadar absorbe edilebilir. Çünkü neredeyse dolduğu zaman mürekkep en baştan kaçış bu bölümü aşırı dolum önlemek.
5. Bir kez kartuş için istediğiniz miktarı girilir, kauçuk tıpa ile üst takın ve dikkatle turuncu alt kapağını çıkarın. Bu eylemi gerçekleştirirken alttan kaçmak küçük bir mürekkep için hazır olun.
6. Mürekkep Kartuşu yazıcı kafasına yer ve Şekil 6bgösterildiği gibi oturana, emin olun, kalan kartuşları, boş veya dolu Şekil 6C'de gösterildiği gibi sonraki adıma devam etmeden önce taktığınızdan emin olun.
7. Yazıcıyı kapatın ve yazıcının çok sağ tarafına dönmek yazıcı kafa için bekleyin.
8. Yazdırılan kuantum noktaları içeren mürekkep kartuş rengi karşılık gelen görüntülerin renk emin olun. Camgöbeği, macenta veya sarı sağlam bir görüntü en iyi çalışacak şekilde bulundu (siyah iki siyah kartuşları olduğundan zordur).
9. Tıklatın baskı alt sağ köşesinde ve takip ekrandaki yönergeleri.
10. Yazıcı ısınıyor iken, öyle ki ekranda görüntü beklenen tam olarak nerede yazdırılacağını diskin disk tepsiye düzgün uyumlu kontrol edin.
11. Bir yönergenin Kullanıcı yazıcıdaki disk kapağını açın ve makinenin içine disk içeren disk tepsisini yerleştirin yönlendirir ekranda görünür. Bu eylemi gerçekleştirmek ve sonra yazıcıyı (turuncu yanıp sönen) resume düğmesine basın veya şekil 7a ve 7bgösterildiği gibi ekranında, "Tamam" düğmesini tıklatın.
12. Bu noktada baskı tamamlandıktan sonra yazıcının disk tepsisi ve yüzey üzerinde baskı perovskites kabul eder; kontrol mürekkepler aslında tıkanma olarak substrat üzerine basılmış sık karşılaşılan bir sorundur.
    1. Bir ultra violet (UV) lamba yüzey üzerinde tutun, baskı işe yaramadı eğer orada-ecek var olmak Şekil 7c-benzer bir şey; Aksi takdirde orada luminescing olduğu gibi Şekil 7d film yukarıdaki Protokolü düzgün çalıştı eğer.

Sonuçlar

Kristal yapısı karakterizasyonu

Kristal yapısı karakterize inorganik perovskites sentezi ile ilgili hayati önem taşımaktadır. X-ışını kırınım (XRD) dalga boyu Cu-K_α ışık kaynağı Å 1.54 kullanarak bir diffractometer üzerinde oda sıcaklığında havada gerçekleştirildi. Yukarıdaki iletişim kurallarını kullanarak götürmek-e doğru CsPbBr₃ kuantum nokta mürekkepler için bir oda s?...

Tartışmalar

Son yazdırılan filmi etkileyen mürekkep püskürtmeli baskı sürecine dahil birçok parametre vardır. Bu parametreler tartışılması bu iletişim kuralı kapsamı dışındadır, ancak bu iletişim kuralı bir çözüm tabanlı sentezi ve biriktirme yöntemi üzerinde duruluyor gibi bunu diğer tanınmış çözüm tabanlı ifade yöntemleri kısa bir karşılaştırma vermek uygundur: spin-kaplama yöntemi ve Doktor blade yöntemi.

Spin-kaplama yöntemi çok hızlı, tek tip filmler ü...

Malzemeler

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