Proceso de solución asistida por Vapor de baja presión para banda sintonizables hueco agujero de alfiler-libre Methylammonium plomo haluro perovskita películas
8 de septiembre de 2017
Aquí, presentamos un protocolo para la síntesis de CH3NH3I y precursores de Br CH3NH3y la posterior formación de agujero de alfiler-libre, continuadas CH3NH3PbIx 3Brx películas delgadas para el aplicación en células solares de alta eficiencia y otros dispositivos optoelectrónicos.
El objetivo general de este proceso es sintetizar películas homogéneas de perovskita de haluro de plomo y metilamonio de alta calidad, sin agujeros de alfiler en todo el espacio de composición de haluros para su aplicación en optoelectrónica como células solares, láseres y LED. Este protocolo sintético está diseñado de tal manera que se puede adaptar a diferentes laboratorios y proporciona una ruta de síntesis para hacer perovskitas de haluro de plomo más rápidas y reproducibles en todo el espacio de composición de resaltado. La principal ventaja de esta técnica es el uso de baja temperatura de procesamiento y equipos estándar disponibles en la mayoría de los laboratorios, como campanas extractoras y líneas Schlenk.
Las demostradoras del procedimiento serán Aya Buckley y Phuong Ngo, estudiantes de la Universidad de California en Berkeley. Para comenzar este procedimiento, agregue 100 mililitros de etanol a un matraz de fondo redondo de 250 mililitros equipado con la barra agitadora. Añadir 16,5 mililitros de metilamina al 40% en agua.
Con un baño de hielo, enfríe el matraz a cero grados centígrados. Agregue 10 mililitros de ácido yodhídrico de 76 milimolares gota, mientras revuelve. Luego, selle el matraz con un tabique.
Revuelva la reacción durante dos horas a cero grados centígrados. A continuación, retire el matraz del baño de hielo utilizando un evaporador rotativo equipado con un baño de agua, evapore el disolvente en componentes volátiles sin reaccionar a 50 Torr y 60 grados centígrados durante cuatro horas o hasta que se eliminen los volátiles. Una vez que el solvente se haya evaporado, agregue 100 mililitros de etanol tibio al matraz para disolver el material residual.
Agregue lentamente 200 mililitros de éter dietílico para inducir la cristalización de un sólido blanco. Después de esto, filtre al vacío la mezcla sobre un filtro de frita de vidrio de 50 milímetros. Recuperar el sobrenadante y añadir 200 mililitros de éter dietílico para inducir una cristalización adicional.
Vuelva a filtrar la mezcla al vacío sobre el filtro de frita de vidrio de 50 milímetros. Mientras filtra al vacío, lave el sólido tres veces con éter dietílico. Seque el sólido lavado al vacío.
Al limpiar el aparato, la calidad del material de partida también es importante. Por lo tanto, es particularmente importante una recristalización cuidadosa del precursor de volumen de material. Guarde el sólido seco en el desecador en la oscuridad a temperatura ambiente, para minimizar la descomposición.
Para comenzar, precaliente un baño de aceite de silicona equipado con una barra agitadora magnética a 120 grados centígrados. A continuación, utilice un cilindro de papel de pesaje para transferir 0,1 gramos de haluro de metilamonio a un tubo de Schlenk de 50 mililitros. Para preacondicionar el haluro de metilamonio, conecte el tubo a una línea Schlenk equipada con la bomba rotativa y evacúe el tubo.
Ajuste la presión a 0,185 Torr. Luego, sumerja el tubo en el baño de silicona durante dos horas mientras agita el baño a 600 rpm. Después de esto, retire el tubo Schlenk del baño de aceite.
Deje el tubo bajo una sobrepresión de gas nitrógeno que fluye, para evitar la entrada de humedad. A continuación, prepare las soluciones precursoras disolviendo 0,146 gramos de bromuro de plomo en un mililitro de DMF, y luego 0,369 gramos de yoduro de plomo y 0,073 gramos de bromuro de plomo en un mililitro de DMF. Sonicar estos durante aproximadamente cinco minutos a 35 kilohercios para disolver completamente el precursor.
Con un filtro de PTFE de 0,2 micras, filtre la solución precursora. Caliente la solución filtrada a 110 grados centígrados durante cinco minutos. Con una micropipeta, deposite 80 microlitros de solución precursora de haluro de plomo calentada sobre el sustrato.
Luego, gire el sustrato a 500 rpm durante cinco segundos con una tasa de aceleración de 500 rpm/s y a 1500 rpm, durante tres minutos con una tasa de aceleración de 1500 rpm.s. A continuación, transfiera el sustrato a una placa calefactora en una campana extractora. Seque la película precursora a 110 grados centígrados durante 15 minutos bajo gas nitrógeno que fluye.
Cargue el sustrato seco en el tubo Schlenk preparado, orientando la superficie del haluro de plomo lejos del haluro de metilamonio en el tubo. Ajuste la presión en el tubo Schlenk a 0,185 Torr. Luego, sumerja el tubo en el baño de aceite de silicona calentado a 120 grados centígrados durante dos horas.
Después de esto, retire el tubo del baño de aceite. Retire la muestra del tubo Schlenk y sumérjala rápidamente en un vaso de precipitados que contenga alcohol isopropílico. Utilice una pistola N2 para secar inmediatamente la muestra enjuagada.
En este estudio, las películas delgadas de haluro de metilamonio y plomo sin agujeros se sintetizan mediante LP vasp y posteriormente se caracterizan. El análisis de RMN de los precursores muestra cambios de grupo metilo a delta 2,35 pbm y delta 2,37 pbm. Un cambio de amonio centrado en delta 7,65 pbm y delta 7,45 pbm, para el bromuro de metilamonio y el yoduro de metilamonio respectivamente, confirmando su identidad y pureza.
A continuación, se utiliza la microscopía electrónica de barrido para analizar películas planas mixtas de halogenuros y se arrodilla en yoduro de metilamonio al 100%, 50% y 30%. Cada una de las películas facetadas se ve libre de agujeros con un tamaño de grano de hasta 700 nanómetros. Si bien el espesor estándar de las películas de perovskita es de aproximadamente 400 nanómetros, el grosor se puede cambiar variando la velocidad de rotación del recubrimiento de rotación con velocidades más altas que producen películas más delgadas y viceversa.
A continuación, se recogen los patrones de difracción de rayos X para confirmar la pureza de la fase y la conversión de los precursores en películas de perovskita de haluro de plomo y metilamonio. Se observa que la fase de yoduro de plomo residual o no convertida muestra un pico de aproximadamente 12,7 grados. Las películas de haluro de plomo y metilamonio exhiben un cambio a ángulos más altos debido a un reemplazo gradual de los átomos de yodo más grandes por átomos de bromuro más pequeños.
Al intentar este procedimiento, tenga en cuenta que el uso de una línea Schlenk incluye riesgos de explosión e implosión. Por lo tanto, antes de realizar este experimento, verifique la integridad del aparato. El desarrollo de esta técnica allana el camino para que los investigadores en el campo de las células solares de película delgada, así como la optoelectrónica, sinteticen películas delgadas de perovskita organometálica de alta calidad.
Con este proceso, se pueden fabricar células solares de película delgada en geometría plana, alcanzando eficiencias de hasta el 19% y mostrando una mayor estabilidad a largo plazo. Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de cómo sintetizar una película de haluro de plomo de volumen de material homogénea, libre de fenotipos, de alta calidad optoelectrónica y LP vasp.
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Descripción general
Este artículo presenta un protocolo para sintetizar películas de perovskita de haluro de plomo y metilamonio de alta calidad y libres de poros para aplicaciones optoelectrónicas. El método es adaptable a diversos entornos de laboratorio y destaca por las bajas temperaturas de procesamiento.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Ciencia de Materiales
- Optoelectrónica
- Síntesis de Películas Delgadas
Antecedentes
- Los perovskitas haluros de plomo y metilamonio son materiales prometedores para celdas solares y LED.
- Las películas de alta calidad son esenciales para la eficiencia del dispositivo.
- Se puede utilizar equipo de laboratorio estándar para la síntesis.
- Las temperaturas bajas de procesamiento mejoran la accesibilidad y la reproducibilidad.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un protocolo de síntesis para películas de perovskita homogéneas.
- Garantizar la reproducibilidad en diferentes laboratorios.
- Explorar el espacio completo de composición de haluros para mejorar las propiedades optoelectrónicas.
Métodos Utilizados
- Preparación de soluciones precursoras utilizando etanol y metilamina.
- Uso de equipos de laboratorio estándar como campanas extractoras y líneas Schlenk.
- Agitación y mezcla de componentes para lograr homogeneidad.
- Formación de películas delgadas mediante técnicas de deposición controlada.
Resultados principales
- Síntesis exitosa de películas de perovskita libres de perforaciones.
- Se demostró la adaptabilidad del protocolo para diversos entornos de laboratorio.
- Se obtuvieron películas de alta calidad adecuadas para aplicaciones optoelectrónicas.
- Se validó el uso de temperaturas bajas de procesamiento en la síntesis.
Conclusiones
- El protocolo desarrollado facilita la síntesis de películas de perovskita de alta calidad.
- Permite la reproducibilidad y adaptabilidad en diferentes entornos de investigación.
- Este método puede mejorar el rendimiento de celdas solares y otros dispositivos optoelectrónicos.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
El proceso de solución asistido por vapor a baja presión (LP-VASP) permite la síntesis reproducible de películas de perovskita con banda prohibida ajustable sin necesidad de caja de guantes, facilitando el descubrimiento de materiales optoelectrónicos a escala. Al obtener películas libres de poros a lo largo de todo el espacio de composición de haluros, este método reduce la variabilidad en las etapas iniciales de prototipado de dispositivos fotovoltaicos y LED. Esto sitúa al LP-VASP como una herramienta mecanicista para reducir riesgos en la validación de perovskitas de plomo y haluros como dianas en las líneas de descubrimiento.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar los efectos de la composición de haluros en las propiedades optoelectrónicas para la comprobación de hipótesis específicas.
- Valor operativo: Utiliza equipos estándar de línea Schlenk y campana extractora, reduciendo las barreras para la síntesis reproducible de materiales.
- Valor predictivo: El ajuste del intervalo de energía entre 1,6 eV y 2,3 eV respalda la confianza predictiva en la selección del rendimiento fotovoltaico.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: Produce películas continuas y con fase pura con rendimiento cuántico de fotoluminiscencia cuantificable para la estandarización de ensayos.
- Valor operativo: Los pasos de recubrimiento por centrifugado y exposición al vapor permiten un control preciso del espesor mediante el ajuste de la velocidad de rotación.
- Escalabilidad: La síntesis reproducible en diferentes laboratorios posibilita la consistencia en campañas de cribado multipunto.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor Translacional: Las películas demuestran una estabilidad a largo plazo mejorada en celdas solares de heterounión planar, lo que respalda decisiones de avance ajustadas al riesgo.
- Reducción Mecanicista de Riesgos: La pureza de fase confirmada mediante difracción de rayos X reduce la ambigüedad en las relaciones estructura-propiedad durante la evaluación preclínica.
- Confianza Predictiva: El valor de referencia del 19 % de eficiencia de conversión de potencia proporciona un umbral cuantitativo para la selección de materiales optoelectrónicos con decisión de avance o detención.
Integración de la Línea de Producción y Flujo de Trabajo
LP-VASP se integra en la continuidad desde el descubrimiento hasta la fase preclínica al permitir la selección de la composición de haluros antes de la integración del dispositivo y las pruebas de estabilidad.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre cómo la mezcla de haluros influye en la dinámica de los portadores de carga en redes perovskitas.
- Selección: Permite la producción estandarizada de películas para la caracterización optoelectrónica reproducible a lo largo de gradientes de composición.
- Análisis: Los resultados incluyen la confirmación de fases mediante difracción de rayos X, rendimiento de fotoluminiscencia y mediciones de espesor para análisis comparativo.
- Investigación Traducional: Relaciona la reproducibilidad de la síntesis con la estabilidad de dispositivos preclínicos mediante el seguimiento del rendimiento a largo plazo.
- Reutilización Empresarial: La adaptabilidad del protocolo permite su reutilización entre equipos de descubrimiento de materiales sin necesidad de infraestructura especializada.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Reducción de la ambigüedad mecanicista mediante un crecimiento controlado de películas sin poros a través del espacio de composición.
- Valor operativo: La estandarización mediante procesos a baja temperatura y operación sin caja de guantes aumenta la accesibilidad en el laboratorio.
- Valor estratégico: Mejora en las decisiones de continuación o interrupción mediante puntos de referencia de eficiencia reproducibles (hasta 19 %), lo que reduce el riesgo optoelectrónico en fases avanzadas.
- Impacto en la cartera: Priorización ajustada al riesgo de composiciones de haluros basada en datos cuantificables de banda prohibida y estabilidad.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en técnicas de línea Schlenk y control de presión de vapor para una entrega reproducible de haluro de metilamonio.
- Depende de un baño de aceite de silicona, bomba rotatoria y infraestructura de gas nitrógeno para los pasos de exposición al vapor a baja presión.
- Necesita la estandarización entre equipos de los parámetros de centrifugado y la filtración de la solución precursora para lograr consistencia en el espesor.
- Las consideraciones para la adaptación incluyen los límites de solubilidad del precursor en DMF y el ajuste de la composición de la mezcla de vapor para alcanzar el valor de banda prohibida deseado.
- Las limitaciones prácticas incluyen riesgos de explosión/implosión con las líneas Schlenk, lo que requiere verificaciones de integridad del equipo antes de su uso.
