Processus de Solution assistée par vapeur basse pression pour bande accordable Gap sténopé méthylammonium plomb halogénure Perovskite Films

L’objectif global de ce processus est de synthétiser des films homogènes de pérovskite aux halogénures de plomb de méthylammonium, sans trous d’épingle et de haute qualité, sur l’ensemble de l’espace de composition d’halogénures, pour des applications en optoélectronique telles que les cellules solaires, les lasers et les LED. Ce protocole synthétique est conçu de telle sorte qu’il peut être adapté à différents laboratoires et qu’il fournit une voie de synthèse pour fabriquer des pérovskites aux halogénures de plomb plus rapides et reproductibles sur l’ensemble de l’espace de composition des hautes lumières. Le principal avantage de cette technique est l’utilisation d’une basse température de traitement et d’équipements standard disponibles dans la plupart des laboratoires, tels que les hottes et les lignes Schlenk.

Aya Buckley et Phuong Ngo, étudiants de l’UC Berkeley, feront la démonstration de la procédure. Pour commencer cette procédure, ajoutez 100 millilitres d’éthanol dans une fiole à fond rond de 250 millilitres équipée de la barre d’agitation. Ajouter 16,5 millilitres de méthylamine à 40 % dans l’eau.

À l’aide d’un bain de glace, refroidissez le ballon à zéro degré Celsius. Ajouter 10 millilitres d’acide iodique hydrolytique à 76 millimolaires goutte à goutte, tout en remuant. Ensuite, fermez le ballon avec un septum.

Remuez la réaction pendant deux heures à zéro degré Celsius. Ensuite, retirez le ballon du bain de glace à l’aide d’un évaporateur rotatif équipé d’un bain-marie, évaporez le solvant dans les composants volatils n’ayant pas réagi à 50 Torr et 60 degrés Celsius pendant quatre heures ou jusqu’à ce que les composés volatils soient éliminés. Une fois le solvant évaporé, ajoutez 100 millilitres d’éthanol chaud dans le ballon pour dissoudre la matière résiduelle.

Ajouter lentement 200 millilitres d’éther diéthylique pour induire la cristallisation d’un solide blanc. Après cela, filtrez le mélange sous vide sur un filtre à fritte en verre de 50 millimètres. Récupérez le surnageant et ajoutez 200 millilitres d’éther diéthylique pour induire une cristallisation supplémentaire.

Filtrez à nouveau le mélange sous vide sur le filtre à fritte en verre de 50 millimètres. Pendant le filtrage sous vide, lavez le solide trois fois avec de l’éther diéthylique. Séchez le solide lavé sous vide.

Lors du nettoyage de l’appareil, la qualité du matériau de départ est également importante. Par conséquent, une recristallisation soigneuse du précurseur du volume de matériau est particulièrement importante. Conservez le solide séché dans le dessiccateur dans l’obscurité à température ambiante, afin de minimiser la décomposition.

Pour commencer, préchauffez un bain d’huile de silicone équipé d’une barre d’agitation magnétique à 120 degrés Celsius. Ensuite, utilisez un cylindre de papier pesé pour transférer 0,1 gramme d’halogénure de méthylammonium dans un tube Schlenk de 50 millilitres. Pour préconditionner l’halogénure de méthylammonium, fixez le tube à une conduite Schlenk équipée de la pompe rotative et évacuez le tube.

Ajustez la pression à 0,185 Torr. Ensuite, plongez le tube dans le bain de silicone pendant deux heures tout en remuant le bain à 600 tr/min. Après cela, retirez le tube schlenk du bain d’huile.

Laissez le tube sous une surpression d’azote gazeux en circulation, pour éviter l’absorption d’humidité. Préparez ensuite les solutions précurseurs en dissolvant 0,146 gramme de bromure de plomb dans un millilitre de DMF, puis 0,369 gramme d’iodure de plomb et 0,073 gramme de bromure de plomb dans un millilitre de DMF. Sonicez-les pendant environ cinq minutes à 35 kilohertz pour dissoudre complètement le précurseur.

À l’aide d’un filtre PTFE de 0,2 micron, filtrez la solution précurseur. Chauffez la solution filtrée à 110 degrés Celsius pendant cinq minutes. À l’aide d’une micropipette, déposez 80 microlitres de solution chauffée de précurseur d’halogénure de plomb sur le substrat.

Ensuite, faites tourner le substrat à 500 tr/min pendant cinq secondes avec un taux d’accélération de 500 tr/min et à 1500 tr/min, pendant trois minutes avec un taux d’accélération de 1500 tr/min. Ensuite, transférez le substrat sur une plaque chauffante dans une hotte. Séchez le film précurseur à 110 degrés Celsius pendant 15 minutes sous l’azote gazeux en circulation.

Chargez le substrat séché dans le tube Schlenk préparé, en orientant la surface des halogénures de plomb loin de l’halogénure de méthylammonium dans le tube. Ajustez la pression dans le tube Schlenk à 0,185 Torr. Ensuite, plongez le tube dans le bain d’huile de silicone chauffé à 120 degrés Celsius pendant deux heures.

Après cela, retirez le tube du bain d’huile. Retirez l’échantillon du tube Schlenk et plongez-le rapidement dans un bécher contenant de l’alcool isopropylique. À l’aide d’un pistolet N2, séchez immédiatement l’échantillon rincé.

Dans cette étude, des couches minces d’halogénure de plomb de méthylammonium sans sténopé sont synthétisées par LP vasp et ensuite caractérisées. L’analyse RMN des précurseurs montre des décalages de groupe méthyle à delta 2,35 pbm et delta 2,37 pbm. Un décalage de l’ammonium centré sur delta 7,65 pbm et delta 7,45 pbm, pour le bromure de méthylammonium et l’iodure de méthylammonium respectivement, confirmant leur identité et leur pureté.

La microscopie électronique à balayage est ensuite utilisée pour analyser des films plats d’halogénure mixtes et agenouillés dans de l’iodure de méthylammonium à 100 %, 50 % et 30 %. Chacun des films à facettes est sans sténopé avec une taille de grain allant jusqu’à 700 nanomètres. Alors que l’épaisseur standard des films de pérovskite est d’environ 400 nanomètres, l’épaisseur peut être modifiée en faisant varier la vitesse de rotation du revêtement de spin avec des vitesses plus élevées produisant des films plus minces et vice versa.

Des motifs de diffraction des rayons X sont ensuite collectés pour confirmer la pureté de la phase et la conversion des précurseurs en films de pérovskite aux halogénures de plomb et de méthylammonium. La phase résiduelle ou non convertie d’iodure de plomb montre un pic d’environ 12,7 degrés. Les films d’halogénure de plomb de méthylammonium sont des films qui présentent un décalage vers des angles plus élevés en raison d’un remplacement progressif des atomes d’iode plus gros par des atomes de bromure plus petits.

Lorsque vous essayez cette procédure, veuillez garder à l’esprit que l’utilisation d’une ligne de schlenk comporte des risques d’explosion et d’implosion. Donc, avant d’effectuer cette expérience, veuillez vérifier l’intégrité de l’appareil. Le développement de cette technique ouvre la voie aux chercheurs dans le domaine des cellules solaires à couche mince, ainsi qu’à l’optoélectronique pour synthétiser des couches minces de pérovskite de haute qualité.

Avec ce processus, vous pouvez fabriquer des cellules solaires à couche mince en géométrie plane, atteignant des rendements allant jusqu’à 19 % et elles présentent une stabilité à long terme améliorée. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de synthétiser un film d’halogénure de plomb homogène, phénolibre, de haute qualité optoélectronique, de volume de matériau par LP vasp.