Name: 用于光伏应用的喷墨打印所有无机舱齐德 perovskite 油墨 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-01-22T14:20:00.000+00:00
Duration: 7 min 42 s
Description: 学习无机铅卤钙钛矿量子点油墨的合成与喷墨打印方法，用于光伏应用。本方案涵盖前驱体制备、打印工艺及表征技术，适用于大面积沉积和卷对卷制造。

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本工作得到了美国国家科学基金会通过内布拉斯加材料研究科学与工程中心（资助号 DMR-1420645）、CHE-1565692 和 CHE-145533 以及内布拉斯加能源科学研究中心的支持。

警告：操作前请查阅实验室的材料安全数据表（MSDS）。本合成方案中所使用的化学品具有相应的健康危害。此外，与块体材料相比，纳米材料具有额外的危险性。进行纳米晶体反应时，请务必采取所有适当的安全措施，包括使用通风橱或手套箱，以及穿戴适当的个人防护装备（安全眼镜、手套、实验服、长裤、封闭式鞋履）。 等等。).
1. 前体合成
<ol>
	<li>油酸铯前驱体的合成 
	注意：油酸铯在氮气氛围下合成2 环境
	<ol>
		<li>加入0.203 g碳酸铯（Cs₂CO₃）2CO3），10 mL 十八烯（ODE）和 1.025 mL 油酸（OA）加入三颈圆底搅拌烧瓶中。用于制备油酸铯前体的三颈圆底烧瓶在图中标记为 1 图1a.</li>
		<li>将温度计或热电偶放入其中一个瓶口中 通过 橡胶塞</li>
		<li>将橡胶隔膜放入剩余的颈口之一，然后将第三个也是最后一个颈口连接到氮气管线上 通过 Schlenk 线，在氮气氛围下进行混合。</li>
		<li>将混合物加热至 150 °C，并使用 2.54 cm 磁力搅拌子以 399 mm/s 的搅拌速度持续搅拌，直至 Cs2CO3 完全溶解。</li>
		<li>将温度降至100 °C，以避免油酸铯沉淀和分解，并保持与步骤1.1.4相同的搅拌速度继续搅拌。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>油胺-溴化铅2 前体合成 
	注意：油胺-PbBr2 前体在氮气氛围下合成2 环境
	<ol>
		<li>加入37.5 mL的ODE、7.5 mL的油胺（OAm）、3.75 mL的OA和1.35 mmol的PbBr2 转移到另一个三颈圆底搅拌烧瓶中。用于OAm-PbBr2的三颈圆底搅拌烧瓶在图中标记为2 图1a. 图1b 显示未混合的前驱体溶液。</li>
		<li>将温度计或热电偶插入其中一个瓶口中，并用某种聚合物薄膜包裹温度计/热电偶以密封瓶口，参见 图1.</li>
		<li>将橡胶塞插入其中一个剩余的颈口中，然后通过施伦克线将第三个也是最后一个颈口连接至氮气气体管线。使混合物处于氮气气氛中。</li>
		<li>将混合物加热至 100 °C，并使用磁力搅拌子以 599 mm/s 的搅拌速度持续搅拌，直至 PbBr2 完全溶解。持续搅拌下的前驱体溶液如图所示。 图1c 和完全溶解的前驱体溶液如图所示 图1d.</li>
		<li>将混合物加热至 170 °C，并持续搅拌，当温度达到 170 °C 时，注意混合物颜色变为深黄色，如图所示 图1d. 在170 °C加热条件下持续搅拌。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. CsPbBr3 量子点合成
<ol>
	<li>使用一支2 mL玻璃注射器和一根10 cm长的18号针头，通过橡胶隔膜从三颈烧瓶中抽取1.375 mL的油酸铯前驱体，如图所示 图2a.</li>
	<li>快速注射， 通过 橡胶隔膜，将1.375 mL油酸铯前体注入含OAm-PbBr的三颈烧瓶中2 前体，如图所示 图2b. 应观察到明显的颜色变化，变为鲜亮的黄绿色，如图所示 图2c.</li>
	<li>注入油酸铯前体后，等待5秒，将三颈烧瓶从加热装置中取出，并将其浸入0 °C的冰水浴中，如图所示 图3a.</li>
	<li>将三颈烧瓶中的溶液均分为两份，分别加入两个试管中，每支试管约25 mL。</li>
	<li>向每份上清液中加入25 mL丙酮，然后按以下参数进行离心分离。</li>
	<li>在室温下，以 2431.65 × g 离心 5 分钟，分离量子点，如图所示 图3b.</li>
	<li>分离上清液和离心后的量子点，如图所示 图3c，将上清液倒入一个空的试管中。</li>
	<li>最后，将分离的量子点溶解于10–25 mL正己烷或环己烷中。该溶液可作为墨水用于喷墨打印机墨盒，以打印薄膜。 
	注意：所有基于卤化物钙钛矿墨水的量子点薄膜均使用市售喷墨打印机进行打印。本实验方案中，在测量过程中采用了非晶玻璃基板和涂覆有氧化铟锡的聚对苯二甲酸乙二醇酯（ITO/PET）基板。为确保打印前基板表面清洁，依次使用丙酮清洗和甲醇清洗对基板进行处理。</li>
</ol>
3. 清洁打印头
<ol>
	<li>首先确保打印机已接通电源并开启，以便能够访问墨盒和打印头。</li>
	<li>从打印头中取出墨盒，打开打印机上盖，等待墨盒返回至中央位置，并且墨盒下方的红灯亮起，然后取出所有墨盒。</li>
	<li>将打印头稍微向右移动，并拉出墨盒托架上的保护挡板，使其能够固定托架位置，如图4所示。伸到墨盒托架后方，捏住分隔打印头两半部分的塑料隔板，轻轻拉出，即可轻松取下打印头。</li>
	<li>清洁打印头时，准备一个容器，加入几毫米深的温水。将打印头底部的狭缝浸入水中，注意避免背面的绿色电子元件接触水，以防损坏打印头。</li>
	<li>使用移液器吸取温水，滴在打印头的电阻区域。将打印头静置于温水中浸泡1–2小时。</li>
	<li>温水浸泡完成后，将打印头放在实验用纸巾上，静置干燥至少20分钟。避免擦拭打印头底部，因为擦拭材料的纤维可能卡在墨水喷出的狭缝中。</li>
	<li>将打印头重新安装回原位，并将保护挡板推回原始位置。</li>
</ol>
4. 钙钛矿量子点墨水的打印
注意：本实验方案使用一种喷墨打印机，该打印机借助刚性光盘托盘可将光盘标签直接打印到光盘上。在打印钙钛矿材料之前，建议先裁剪出所需基底的形状和尺寸，然后使用黑色墨水在光盘表面精确打印出目标基底的大小和形状，如图5所示。
<ol>
	<li>在光盘边缘画一条直线，并将其延伸至CD托盘上。这样每次都可以将CD模板对齐到相同位置，确保油墨打印在预期的位置。</li>
	<li>将基底材料覆盖在光盘上已打印的油墨图像上。可使用双面胶带或其他粘合剂固定基底，如图5b所示。</li>
	<li>在填充墨盒之前，请确保橙色盖子已正确安装在墨盒底部，如图6a所示。这可以防止墨水从墨盒底部漏出。</li>
	<li>按照步骤2.9配制好油墨溶液并盖上墨盒盖后，使用移液器将量子点油墨注入墨盒顶部，如图6a所示。 
	注意：量子点油墨会被海绵吸收，直至海绵饱和，多余的油墨将储存在海绵旁边的腔室内。请避免过度填充该腔室，因为当其接近满时，油墨可能从顶部溢出。</li>
	<li>当墨盒填充至所需量后，用橡胶塞封住顶部，并小心取下橙色底部盖子。执行此操作时，应准备好少量油墨可能从底部渗出。</li>
	<li>将墨盒装入打印机打印头，并确保其卡入到位，如图6b所示；继续操作前，请务必插入其余墨盒（无论为空或已填充），如图6c所示。</li>
	<li>关闭打印机，并等待打印头回到打印机最右侧位置。</li>
	<li>确保所打印图像的颜色与含有量子点的墨盒颜色相对应。实心的青色、品红色或黄色图像效果最佳（黑色较难处理，因为有两个黑色墨盒）。</li>
	<li>点击右下角的“打印”按钮，并按照屏幕提示操作。</li>
	<li>在打印机预热过程中，请检查光盘在托盘上的对齐是否正确，以确保屏幕上显示的图像能准确打印到预期位置。</li>
	<li>屏幕上将出现提示，指导用户打开打印机的光盘盖，并将装有光盘的托盘插入机器。执行此操作后，按下打印机上的继续按钮（橙色闪烁）或点击屏幕上的“确定”按钮，如图&#160;7a和7b所示。</li>
	<li>此时打印机将接收光盘托盘并在基底上打印钙钛矿材料；打印完成后，请检查油墨是否确实已打印到基底上，因为堵塞是常见问题。
	<ol>
		<li>将紫外（UV）灯置于基底上方，若打印失败，则结果类似于图7c；若上述实验步骤正确执行，则应观察到如图7d所示的发光薄膜。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Weber, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CH3NH3PbX3%2C+ein+Pb%28II%29-System+mit+kubischer+Perowskitstruktur+%2F+CH3NH3PbX3%2C+a+Pb%28II%29-System+with+Cubic+Perovskite+Structure%5BTitle%5D)+AND+%22Zeitschrift+f%C3%BCr+Naturforschung+B%22%5BJournal%5D)">CH3NH3PbX3, ein Pb(II)-System mit kubischer Perowskitstruktur / CH3NH3PbX3, a Pb(II)-System with Cubic Perovskite Structure.</a> Zeitschrift für Naturforschung B. 33, 1443-1445 (1978).</li>
<li>Weber, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%28+x+%3D+0-3+%29%2C+ein+Sn+%28+II+%29+-System+mit+kubischer+Perowskitstruktur%5BTitle%5D)+AND+%22Zeitschrift+f%C3%BCr+Naturforschung+B%22%5BJournal%5D)">( x = 0-3 ), ein Sn ( II ) -System mit kubischer Perowskitstruktur.</a> Zeitschrift für Naturforschung B. 33, 862-865 (1978).</li>
<li>Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Organometal+Halide+Perovskites+as+Visible-Light+Sensitizers+for+Photovoltaic+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells.</a> Journal of the American Chemical Society. 131, 6050-6051 (2009).</li>
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 <a target="_blank" href="https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png ">https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png </a> (2018).</li>
<li>Chen, Z., Wang, J. J., Ren, Y., Yu, C., Shum, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Schottky+solar+cells+based+on+CsSnI+3+thin-films%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Schottky solar cells based on CsSnI 3 thin-films.</a> Applied Physics Letters. 101 (9), 93901(2012).</li>
<li>Sanehira, E. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+mobility+CsPbI+3+quantum+dot+arrays+for+record-efficiency%2C+high-voltage+photovoltaic+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Advances%22%5BJournal%5D)">Enhanced mobility CsPbI 3 quantum dot arrays for record-efficiency, high-voltage photovoltaic cells.</a> Science Advances. 3 (10), 4204(2017).</li>
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<li>Fu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Broad+Wavelength+Tunable+Robust+Lasing+from+Single-Crystal+Nanowires+of+Cesium+Lead+Halide+Perovskites+%28CsPbX3%2C+X+%3D+Cl%2C+Br%2C+I%29%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Broad Wavelength Tunable Robust Lasing from Single-Crystal Nanowires of Cesium Lead Halide Perovskites (CsPbX3, X = Cl, Br, I).</a> ACS Nano. 10 (8), 7963-7972 (2016).</li>
<li>Jeong, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((All-Inorganic+CsPbI+3+Perovskite+Phase-Stabilized+by+Poly%28ethylene+oxide%29+for+Red-Light-Emitting+Diodes%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Functional+Materials%22%5BJournal%5D)">All-Inorganic CsPbI 3 Perovskite Phase-Stabilized by Poly(ethylene oxide) for Red-Light-Emitting Diodes.</a> Advanced Functional Materials. , 1706401(2018).</li>
<li>Pan, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bidentate+Ligand-Passivated+CsPbI3Perovskite+Nanocrystals+for+Stable+Near-Unity+Photoluminescence+Quantum+Yield+and+Efficient+Red+Light-Emitting+Diodes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Bidentate Ligand-Passivated CsPbI3Perovskite Nanocrystals for Stable Near-Unity Photoluminescence Quantum Yield and Efficient Red Light-Emitting Diodes.</a> Journal of the American Chemical Society. 140 (2), 562-565 (2018).</li>
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<li>Stoumpos, C. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Crystal+growth+of+the+perovskite+semiconductor+CsPbBr3%3A+A+new+material+for+high-energy+radiation+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Crystal+Growth+and+Design%22%5BJournal%5D)">Crystal growth of the perovskite semiconductor CsPbBr3: A new material for high-energy radiation detection.</a> Crystal Growth and Design. 13 (7), 2722-2727 (2013).</li>
<li>Ilie, C. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inkjet+printable-photoactive+all+inorganic+perovskite+films+with+long+effective+photocarrier+lifetimes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Physics+Condensed+Matter%22%5BJournal%5D)">Inkjet printable-photoactive all inorganic perovskite films with long effective photocarrier lifetimes.</a> Journal of Physics Condensed Matter. 30 (18), 18LT02 (2018).</li>
<li>Shoaib, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Directional+Growth+of+Ultralong+CsPbBr3Perovskite+Nanowires+for+High-Performance+Photodetectors%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Directional Growth of Ultralong CsPbBr3Perovskite Nanowires for High-Performance Photodetectors.</a> Journal of the American Chemical Society. 139 (44), 15592-15595 (2017).</li>
<li>Swarnkar, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum+dot-induced+phase+stabilization+of+a-CsPbI3+perovskite+for+high-efficiency+photovoltaics%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Quantum dot-induced phase stabilization of a-CsPbI3 perovskite for high-efficiency photovoltaics.</a> Science. 354 (6308), 92-96 (2016).</li>
<li>Kumar, M. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lead-free+halide+perovskite+solar+cells+with+high+photocurrents+realized+through+vacancy+modulation%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Lead-free halide perovskite solar cells with high photocurrents realized through vacancy modulation.</a> Advanced Materials. 26 (41), 7122-7127 (2014).</li>
<li>Burschka, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sequential+deposition+as+a+route+to+high-performance+perovskite-sensitized+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells.</a> Nature. 499 (7458), 316-319 (2013).</li>
<li>Dirin, D. N., Cherniukh, I., Yakunin, S., Shynkarenko, Y., Kovalenko, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solution-Grown+CsPbBr+3+Perovskite+Single+Crystals+for+Photon+Detection%5BTitle%5D)+AND+%22Chemistry+of+Materials%22%5BJournal%5D)">Solution-Grown CsPbBr 3 Perovskite Single Crystals for Photon Detection.</a> Chemistry of Materials. 28 (23), 8470-8474 (2016).</li>
<li>Zhou, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vapor+Growth+and+Tunable+Lasing+of+Band+Gap+Engineered+Cesium+Lead+Halide+Perovskite+Micro%2FNanorods+with+Triangular+Cross+Section%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Vapor Growth and Tunable Lasing of Band Gap Engineered Cesium Lead Halide Perovskite Micro/Nanorods with Triangular Cross Section.</a> ACS Nano. 11 (2), 1189-1195 (2017).</li>
<li>Teng, K. F., Vest, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+Ink+Jet+Technology+on+Photovoltaic+Metallization%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Electron+Device+Letters%22%5BJournal%5D)">Application of Ink Jet Technology on Photovoltaic Metallization.</a> IEEE Electron Device Letters. 9 (11), 591-593 (1988).</li>
<li>Habas, S. E., Platt, H. aS., van Hest, M. F. A. M., Ginley, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-Cost+Inorganic+Solar+Cells%3A+From+Ink+To+Printed+Device%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Reviews%22%5BJournal%5D)">Low-Cost Inorganic Solar Cells: From Ink To Printed Device.</a> Chemical Reviews. 110 (11), 6571-6594 (2010).</li>
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<li>Scherrer, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bestimmung+der+Gr%C3%B6%C3%9Fe+und+der+inneren+Struktur+von+Kolloidteilchen+mittels+R%C3%B6ntgenstrahlen.+Nachrichten+von+der+Gesellschaft+der+Wissenschaften+zu+G%C3%B6ttingen%5BTitle%5D)+AND+%22Nachrichten+von+der+Gesellschaft+der+Wissenschaften+zu+G%C3%B6ttingen%2C+Mathematisch-Physikalische+Klasse%22%5BJournal%5D)">Bestimmung der Größe und der inneren Struktur von Kolloidteilchen mittels Röntgenstrahlen. Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen.</a> Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse. 2, 98-100 (1918).</li>
<li>Shekhirev, M., Goza, J., Teeter, J., Lipatov, A., Sinitiskii, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+Cesium+Lead+Halide+Quantum+Dots%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Synthesis of Cesium Lead Halide Quantum Dots.</a> Journal of Chemical Education. 94 (8), 1150-1156 (2017).</li>
</ol>

作者无经济利益冲突，无可披露内容。

喷墨打印过程中涉及许多影响最终成膜质量的参数。本实验方案不涵盖对所有这些参数的讨论，但由于本方案侧重于基于溶液的合成与沉积方法，因此有必要简要比较其他几种广为人知的溶液基沉积方法：旋涂法和刮刀涂布法。
旋涂法具有快速、成膜均匀且成本低的优点。通过调节溶液黏度和旋涂机的转速，可调控薄膜厚度。然而，旋涂法的材料利用率极低，因为在旋转过程中大部分材料会被甩离基底表面。此外，该方法以逐个样品方式操作，整体过程耗时较长，因此不适合大规模生产。另一种方法是刮刀涂布法，同样具有成本低和操作简单的优点，其主要优势在于能够获得均匀的薄膜厚度，但该方法速度很慢，且材料浪费严重。喷墨打印法与旋涂法和刮刀涂布法一样具有低成本特点，相较于后两种方法，其显著优势在于可按设计图案进行打印。此外，喷墨打印在材料使用上具有很高的效率。 与 材料浪费较少。喷墨打印也适用于大面积和快速原型制作。这些特点表明，喷墨打印在卷对卷制造中具有很高的潜力，并可进一步结合组合式方法&#160;特征。
尽管喷墨打印是一种颇具前景的沉积技术，但仍存在一些局限性：...

Dieter Weber 于1978年首次合成了有机-无机杂化&#160;卤化物&#160;钙钛矿1,2。大约30年后的2009年，Akihiro Kojima 及其合作者利用 Weber 合成的相同有机-无机杂化&#160;卤化物&#160;钙钛矿材料——即 CH3NH3PbI3 和 CH3NH3PbBr3——制备了光伏器件3。这些实验开启了后续对有机-无机杂化卤化物钙钛矿光伏性能研究的热潮。从2009年到2018年，器件的功率转换效率从3.8%3显著提升至超过23%4，使有机-无机杂化&#160;卤化物钙钛矿的性能可与硅基太阳能电池相媲美。与有机-无机卤化物钙钛矿类似，全无机卤化物钙钛矿也于2012年左右开始受到研究界的关注，当时首次测得其光伏器件效率为0.9%5。自2012年以来，全无机卤化物钙钛矿取得了长足进展，例如 Sanehira 等人在2017年的研究中测得部分器件效率已超过13%6&#160;。有机和无机卤化物钙钛矿均在激光器7,8,9,10、发光二极管11,12,13、高能辐射探测14、光电探测15,16以及光伏应用5,15,17,18等方面展现出广泛的应用前景。在过去近十年中，科学家和工程师们发展出多种不同的合成技术，涵盖溶液法到真空蒸镀技术19,20,21。采用溶液法合成的卤化物&#160;钙钛矿具有优势，可直接用作喷墨打印的墨水15。
1987年，首次报道了喷墨打印太阳能电池的应用。自那时起，科学家和工程师一直在探索成功打印全无机太阳能电池的方法，以实现优异的性能和较低的实施成本22。与一些常见的基于真空的制备方法相比，喷墨打印太阳能电池具有诸多优势。喷墨打印技术的一个重要特点是采用基于溶液的材料作为墨水，这为尝试多种不同材料（例如可通过简便湿化学方法合成的无机&#160;钙钛矿基墨水）提供了可能。换句话说，喷墨打印太阳能电池材料是一条低成本、快速原型制备的技术路径。喷墨打印还具有可在柔性基底上打印大面积图案、按设计在常压和低温条件下打印等优点。此外，喷墨打印非常适合大规模生产，能够实现切实可行的低成本卷对卷制造23,24。
本文首先讨论用于喷墨打印的无机&#160;钙钛矿量子点油墨的合成步骤。随后，我们描述了油墨制备以用于打印的附加步骤，以及使用商用喷墨打印机打印光敏薄膜的实际操作流程。最后，我们讨论了对打印薄膜的表征方法，这是确保薄膜具有适合高性能器件应用的正确化学组成和晶体结构所必需的。

<table><tbody><tr><td>油酸，90%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>364525</td><td>工业级</td></tr><tr><td>油胺，70%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>O7805</td><td>工业级</td></tr><tr><td>1-十八碳烯，90%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>O806</td><td>工业级</td></tr><tr><td>丙酮，&gt;95%</td><td>Fisher</td><td>67641</td><td>符合ACS标准</td></tr><tr><td>碳酸铯，99%</td><td>Chem-Impex</td><td>1955</td><td>分析测定级</td></tr><tr><td>己烷，98.5%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>178918</td><td>异构体混合物</td></tr><tr><td>环己烷，99.9%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>110827</td><td></td></tr><tr><td>溴化铅(II)，98%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>211141</td><td></td></tr><tr><td>碘化铅(II)，99%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>211168</td><td></td></tr></tbody></table>

喷墨打印全无机卤化物钙钛矿墨水用于光伏应用

Inkjet Printing All Inorganic Halide Perovskite Inks for Photovoltaic Applications

本文展示了一种合成光敏无机&#160;钙钛矿量子点油墨的方法，以及使用所合成油墨进行喷墨打印沉积的技术。油墨的合成基于一种简单的湿化学反应，而喷墨打印方案则为一种简便的逐步操作方法。通过X射线衍射、光学吸收光谱、光致发光光谱和电子输运测量对喷墨打印的薄膜进行了表征。打印所得量子点薄膜的X射线衍射结果显示，其晶体结构与具有(001)取向的正交晶系室温相一致。结合其他表征手段，X射线衍射&#160;测量结果表明，通过喷墨打印方法可获得高质量的薄膜。

晶体结构表征
表征晶体结构对于无机&#160;钙钛矿的合成至关重要。在室温空气中，使用波长为1.54 Å的Cu-Kα光源的衍射仪进行X射线衍射（XRD）分析。采用上述实验方案，应可获得CsPbBr3量子点墨水在室温下的正交晶系晶体结构，如图8a所示。
XRD 结果如图8a 所示，表明在喷墨打印过程后，结晶性 CsPbBr3 量子点油墨仍保持正交晶系的室温钙钛矿结构，与文献报道结果高度一致8,15,<sup class=...

本文介绍了用于喷墨打印的无机铅卤钙钛矿量子点油墨的合成方案，以及在喷墨打印机中制备和打印这些量子点油墨的步骤，并包含打印后的表征技术。

一种合成光敏无机钙钛矿量子点油墨的方法，以及使用所合成油墨进行喷墨打印沉积的方法，……

该技术的主要优势在于非常适合大面积沉积、快速原型制作以及按设计打印，表明其在卷对卷制造方面具有很高的潜力。尽管该系统可用于研究无机光伏器件，但也同样适用于其他体系，如有机光伏器件或生物物理系统。化学合成实验操作将由来自Sinitsky实验室的本科生Mason McCormick进行演示。将由Ilie实验室的Dylan Richmond演示一种印迹方法。制备油酸铯前体时，向一个含有2.54厘米磁力搅拌子的三颈圆底烧瓶中加入0.203克碳酸铯、10毫升十八烯和1.025毫升油酸。通过橡胶隔膜将温度计插入圆底烧瓶的一个颈口中。接下来，将一个橡胶隔垫插入圆底烧瓶剩余的其中一个颈口中，并通过施兰克线（Schlenk line）将第三个颈口连接至氮气管线。使混合物处于氮气氛围中。在持续搅拌（搅拌速度为 399 毫米每秒）的条件下，将混合物加热至 150 摄氏度，直至碳酸铯完全溶解。随后将温度降至100摄氏度，以避免油酸铯的沉淀和分解，并继续以每秒399毫米的搅拌速度搅拌。为制备油胺溴化铅前驱体，将1.35毫摩尔溴化铅、37.5毫升十八烯、7.5毫升油胺和3.75毫升油酸加入含有磁力搅拌子的三颈圆底烧瓶中。接下来，将一支温度计插入圆底烧瓶的一个颈口中，并用聚合物薄膜密封。在圆底烧瓶剩余的两个颈口之一安装橡胶隔垫，并通过施伦克线将第三个颈口连接至氮气管路。将反应混合物置于氮气氛围中。在持续搅拌（搅拌速度为599毫米每秒）的条件下加热混合物至100摄氏度，直至溴化铅完全溶解。现在，将混合物加热至170摄氏度，并持续搅拌，当温度达到170摄氏度时观察颜色变为深黄色。在170摄氏度下继续搅拌。使用带有10厘米长18号针头的2毫升玻璃注射器，从三颈圆底烧瓶中抽取1.375毫升的油酸铯前驱体。迅速将该前驱体注入含有油胺溴化铅前驱体的三口圆底烧瓶中。等待五秒后，将三口圆底烧瓶从加热源移开，并浸入冰水浴中。将三口圆底烧瓶中的溶液等分为两份，分别转移至两支试管中。向每份上清液中加入25毫升丙酮。接着，在室温下以2431.65×g离心5分钟，分离量子点。然后将分离得到的量子点溶于10至25毫升环己烷中。为确保墨水打印在预期位置，请在圆盘边缘画一条直线，并延伸至CD盘托上。将所需基底覆盖在圆盘上已打印的墨水图像区域，并使用双面胶等粘合剂将其固定在圆盘上。在填充墨盒之前，务必确认墨盒底部已正确安装橙色盖子，以防止墨水溢出。使用移液器将制备好的量子点墨水注入墨盒顶部。当墨盒填充至所需墨水量后，用橡胶隔垫封住顶部，并小心移除橙色盖帽。接下来，将墨盒放入打印机喷头中，并确保其卡入到位。然后插入其余的墨盒，再继续下一步操作。此时打印机将接受光盘托盘，并在基底上打印钙钛矿。打印完成后，检查墨水是否确实已打印到基底上，因为堵塞是一个常见问题。最后，将紫外灯置于基底上方，检查打印是否成功，观察是否有发光薄膜产生。对合成的无机钙钛矿进行表征，对于确认其晶体结构至关重要。X射线衍射结果表明，采用本方案制备的铯铅溴钙钛矿量子点墨水，在喷墨打印过程后仍保持正交晶系的室温钙钛矿结构。众所周知，这些无机钙钛矿量子点的光学性质对量子点的尺寸以及无机元素和卤素原子的化学计量比非常敏感。溴化铯铅的光致发光谱在约520纳米处出现峰值，其光吸收谱在约440纳米处显示出激子吸收峰。如图所示，对印刷薄膜在暗态和光照条件下分别进行了电流-电压和电容-电压测量。在光照下，测得的载流子浓度呈线性增加，表明这些薄膜具有光敏活性。当无光照、处于黑暗条件时，薄膜表现出非常低的电容。如图所示。在光照条件下，测得的零偏压电容增大，这是薄膜具有光活性的另一个迹象。在进行此操作时，重要的是要始终确保打印头和垫圈尽可能清洁，这将最终决定打印是否成功。在完成该实验步骤后，可进一步采用探针显微镜和时间分辨发光光谱等方法，以回答其他科学问题，例如表面终止态与表面形貌特征，以及激子复合动力学过程。该技术发展之后，为化学、物理和材料科学领域的研究人员开辟了新的途径，使其能够探索适用于卷对卷制备工艺的光伏系统，这些系统由有机与无机半导体材料及其相关器件界面构成。该技术还被证明是一种优秀的教学工具，已在内布拉斯加-林肯大学的高年级无机化学实验课程中引入，用于向学生讲授一系列重要概念，涵盖从胶体合成与量子尺寸效应到光伏技术及可再生能源的多个方面。请注意，使用铅基产品以及己烷、环己烷或丙酮等溶剂可能具有极高危险性，在进行本实验操作时，必须采取适当防护措施，例如穿戴合适的防护服并确保良好的通风条件。

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Research

科研

JoVE Journal

Chemistry

化学

用于光伏应用的喷墨打印所有无机舱齐德 perovskite 油墨

本文介绍了一种使用微型狭缝介电涂布机制备有机薄膜太阳能电池的方案，以及利用同步辐射散射技术进行相关在线结构表征的方法。...

体异质结太阳能电池的打印制备 原位 形态学表征

本文研究了喷墨打印技术在染料敏化太阳能电池制造中的适用性。配制了一种无粘结剂的TiO2纳米颗粒墨水，并将其打印到FTO玻璃基底上。所打印的薄膜被制备成有效面积为0.25...

染料敏化太阳能电池用二氧化钛的数字印刷

本方案描述了无机纳米晶体的逐层合成及其溶液沉积方法，用于在非导电表面制备薄膜电子器件。经溶剂稳定的墨水可通过旋涂和喷雾涂覆，在玻璃基底上形成完整的光伏器件，随后进行沉积后配体交换和烧结处理。...

全溶液法制备无机纳米晶光伏器件

本文介绍了一种完全可印刷、无富勒烯、高度空气稳定的体异质结太阳能电池的制备方法，该太阳能电池以钛烷氧化物作为电子受体，并结合电子给体聚合物进行制备。此外，还报道了一种通过调控钛烷氧化物单元的分子体积来控制光活性层形貌的方法。...

基于钛醇盐与半导体聚合物的全可印刷有机–无机体异质结太阳能电池的形貌调控

我们通过比较晶体结构、态密度、能级以及最终的太阳能电池性能，对有机/无机钙钛矿薄膜不同制备方法的影响进行了深入研究。...

不同钙钛矿薄膜制备方法对成膜特性、电子结构及太阳能电池性能的影响

本文介绍了一种通过引入单价阳离子添加剂来调控溶液法制备的CH3NH3PbI3性能的实验方案，以实现高效钙钛矿太阳能电池的制备。...

单价阳离子掺杂 CH3NH3PbI3 以实现高效钙钛矿太阳能电池

本文介绍了一种合成CH3NH3I和CH3NH3Br前驱体的方案，以及随后制备无针孔、连续的CH3NH3PbI3-xBrx薄膜的方法，可用于高效太阳能电池及其他光电子器件。...

可调带隙无针孔甲基铵铅卤钙钛矿薄膜的低压蒸气辅助溶液法制备

本研究通过配体辅助再沉淀法，在室温下简便地合成了胶体量子限域的卤化铅钙钛矿纳米片。通过调节其组分和厚度，所合成的纳米片在可见光范围内表现出光谱窄的光学特性以及连续可调的光谱响应。...

通过配体辅助再沉淀法简便合成胶体卤化铅钙钛矿纳米片

本文演示并指导如何在实验室X射线仪器上开展和分析卷对卷狭缝涂布的非富勒烯有机光伏材料上墨水干燥过程的原位掠入射小角X射线散射（GISAXS）实验。...

卷对卷涂布有机太阳能电池的原位掠入射小角X射线散射实验室X射线仪器研究

我们介绍了一种用于合成钙钛矿和介孔二氧化钛（mesoscopic-TiO2）薄膜的闪光电红外退火方法。通过在掺氟氧化锡（FTO）玻璃和涂覆氧化铟锡的聚对苯二甲酸乙二醇酯（ITO...

钙钛矿太阳能电池制备中的闪光电红外退火

学习无机铅卤钙钛矿量子点油墨的合成与喷墨打印方法，用于光伏应用。本方案涵盖前驱体制备、打印工艺及表征技术，适用于大面积沉积和卷对卷制造。

喷墨打印全无机卤化物钙钛矿墨水用于光伏应用

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