Dampf-gestützte Lösung Niederdruckverfahren für durchstimmbare Band Gap Pinhole-frei Methylammonium Blei Halogenid Perowskit Filme

Das übergeordnete Ziel dieses Prozesses ist die Synthese von homogenen, porholefreien und qualitativ hochwertigen Methylammonium-Bleihalogenid-Perowskit-Schichten über den gesamten Halogenid-Zusammensetzungsraum für den Einsatz in der Optoelektronik wie Solarzellen, Lasern und LEDs. Dieses Syntheseprotokoll ist so konzipiert, dass es an verschiedene Labore angepasst werden kann und einen Syntheseweg bietet, um schnellere und reproduzierbare Bleihalogenid-Perowskite über den gesamten Highlight-Kompositionsraum herzustellen. Der Hauptvorteil dieser Technik ist die Verwendung von niedrigen Verarbeitungstemperaturen und Standardgeräten, die in den meisten Labors verfügbar sind, wie z. B. Abzüge und Schlenkleitungen.

Das Verfahren wird von Aya Buckley und Phuong Ngo, Studenten der UC Berkeley, vorgeführt. Um diesen Vorgang zu starten, werden 100 Milliliter Ethanol in einen 250-Milliliter-Rundkolben gegeben, der mit dem Rührstab ausgerüstet ist. Geben Sie 16,5 Milliliter 40% Methylamin in Wasser.

Kühlen Sie den Kolben in einem Eisbad auf null Grad Celsius ab. 10 Milliliter 76 Millimolare Jodwassersäure tropfenweise unter Rühren zugeben. Verschließen Sie dann den Kolben mit einem Septum.

Rühren Sie die Reaktion zwei Stunden lang bei null Grad Celsius um. Dann wird der Kolben mit einem Rotationsverdampfer, der mit einem Wasserbad ausgestattet ist, aus dem Eisbad genommen, das Lösungsmittel in nicht umgesetzten flüchtigen Bestandteilen bei 50 Torr und 60 Grad Celsius vier Stunden lang oder bis die flüchtigen Bestandteile entfernt sind. Sobald das Lösungsmittel verdampft ist, werden 100 Milliliter warmes Ethanol in den Kolben gegeben, um das Restmaterial aufzulösen.

Fügen Sie langsam 200 Milliliter Diethylether hinzu, um die Kristallisation eines weißen Feststoffs zu induzieren. Danach wird das Gemisch über einen 50 Millimeter Glasfrittenfilter vakuumfiltriert. Der Überstand wird zurückgewonnen und 200 Milliliter Diethylether zugegeben, um eine zusätzliche Kristallisation zu induzieren.

Vakuumfiltrieren Sie das Gemisch erneut über den 50 Millimeter Glasfrittenfilter. Waschen Sie den Feststoff während des Vakuumfilterns dreimal mit Diethylether. Trocknen Sie den gewaschenen Feststoff unter Vakuum.

Bei der Reinigung des Gerätes kommt es auch auf die Qualität des Ausgangsmaterials an. Daher ist eine sorgfältige Rekristallisation des Materialvolumenvorläufers besonders wichtig. Lagern Sie den getrockneten Feststoff im Exsikkator im Dunkeln bei Raumtemperatur, um die Zersetzung zu minimieren.

Heizen Sie zunächst ein Silikonölbad mit magnetischem Rührstab auf 120 Grad Celsius vor. Als nächstes füllen Sie mit einem Papierwaagenzylinder 0,1 Gramm Methylammoniumhalogenid in ein 50-Milliliter-Schlenk-Röhrchen um. Um das Methylammoniumhalogenid vorzukonditionieren, schließen Sie den Schlauch an eine Schlenkleitung an, die mit der Rotationspumpe ausgestattet ist, und evakuieren Sie den Schlauch.

Stellen Sie den Druck auf 0,185 Torr ein. Tauchen Sie dann die Tube zwei Stunden lang in das Silikonbad, während Sie das Bad mit 600 U/min umrühren. Entfernen Sie danach den Schlenk-Schlauch aus dem Ölbad.

Lassen Sie das Rohr unter einem Überdruck von strömendem Stickstoffgas, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern. Stellen Sie dann die Vorläuferlösungen her, indem Sie 0,146 Gramm Bleibromid in einem Milliliter DMF und dann 0,369 Gramm Bleiiodid und 0,073 Gramm Bleibromid in einem Milliliter DMF auflösen. Diese werden etwa fünf Minuten lang bei 35 Kilohertz beschallt, um den Vorläufer vollständig aufzulösen.

Filtrieren Sie die Vorläuferlösung mit einem 0,2-Mikron-PTFE-Filter. Erhitzen Sie die gefilterte Lösung fünf Minuten lang auf 110 Grad Celsius. Mit einer Mikropipette 80 Mikroliter erhitzte Bleihalogenid-Vorläuferlösung auf das Substrat aufbringen.

Dann drehen Sie das Substrat fünf Sekunden lang bei 500 U/min mit einer Beschleunigungsrate von 500 U/min und bei 1500 U/min drei Minuten lang mit einer Beschleunigungsrate von 1500 U/min. Übertragen Sie anschließend das Substrat auf eine Heizplatte in einem Abzug. Trocknen Sie die Vorläuferfolie bei 110 Grad Celsius für 15 Minuten unter strömendem Stickstoffgas.

Das getrocknete Substrat wird in das vorbereitete Schlenkrohr geladen, wobei die Bleihalogenidoberfläche vom Methylammoniumhalogenid im Rohr weg ausgerichtet wird. Stellen Sie den Druck im Schlenkrohr auf 0,185 Torr ein. Tauchen Sie dann die Tube zwei Stunden lang in das auf 120 Grad Celsius erhitzte Silikonölbad.

Entfernen Sie danach den Schlauch aus dem Ölbad. Nehmen Sie die Probe aus dem Schlenk-Röhrchen und tauchen Sie sie schnell in ein Becherglas mit Isopropylalkohol. Verwenden Sie eine N2-Pistole, um die gespülte Probe sofort zu trocknen.

In dieser Studie werden porhole-freie Methylammonium-Bleihalogenid-Dünnschichten mittels LP vasp synthetisiert und anschließend charakterisiert. Die NMR-Analyse der Vorläufer zeigt Methylgruppenverschiebungen bei delta 2,35 pbm und delta 2,37 pbm. Eine Ammoniumverschiebung zentriert bei Delta 7,65 pbm und Delta 7,45 pbm für Methylammoniumbromid bzw. Methylammoniumiodid, was deren Identität und Reinheit bestätigt.

Die Rasterelektronenmikroskopie wird dann verwendet, um gemischte flache Halogenidfilme zu analysieren und in 100 %, 50 % und 30 % Methylammoniumiodid zu knieen. Jede der facettierten Folien ist mit einer Korngröße von bis zu 700 Nanometern porenfrei. Während die Standarddicke der Perowskit-Schichten etwa 400 Nanometer beträgt, kann die Dicke durch Variation der Rotationsgeschwindigkeit der Spin-Beschichtung mit höheren Geschwindigkeiten geändert werden, was zu dünneren Schichten führt und umgekehrt.

Anschließend werden Röntgenbeugungsmuster gesammelt, um die Phasenreinheit und die Umwandlung der Vorläufer in Methylammonium-Bleihalogenid-Perowskit-Schichten zu bestätigen. Es wird gesehen, dass die verbleibende oder nicht umgesetzte Bleiiodidphase einen Peak bei etwa 12,7 Grad aufweist. Die Methylammonium-Bleihalogenid-Filme weisen aufgrund eines allmählichen Austauschs der größeren Jodatome durch kleinere Bromidatome eine Verschiebung zu höheren Winkeln auf.

Bitte beachten Sie bei diesem Versuch, dass die Verwendung einer Schlenkleitung Explosions- und Implosionsrisiken birgt. Bevor Sie dieses Experiment durchführen, überprüfen Sie bitte die Unversehrtheit des Geräts. Die Entwicklung dieser Technik ebnet Forschern auf dem Gebiet der Dünnschichtsolarzellen sowie der Optoelektronik den Weg, um hochwertige Perowskit-Dünnschichten aus Organometallen zu synthetisieren.

Mit diesem Verfahren können Sie Dünnschichtsolarzellen in planarer Geometrie herstellen, die Wirkungsgrade von bis zu 19 % erreichen und eine verbesserte Langzeitstabilität aufweisen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man homogene, phänofreie, hochoptoelektronische Qualität und Materialvolumen-Bleihalogenid-Film mit LP vasp synthetisiert.