Bassa pressione processo di soluzione Vapor-assistita per sintonizzabile Band Gap Pinhole Metilammonio piombo ad alogenuri Perovskite film
8 settembre 2017
Qui, presentiamo un protocollo per la sintesi di CH3NH3io e CH3NH3Br precursori e la successiva formazione di continuo, privo di foro stenopeico, CH3NH3PbI3-xBrx film sottili per la applicazione in celle solari ad alta efficienza e altri dispositivi optoelettronici.
L'obiettivo generale di questo processo è quello di sintetizzare film omogenei di perovskite di alogenuro di piombo di metilammonio di alta qualità e privi di fori stenopeici sull'intero spazio di composizione dell'alogenuro per l'applicazione in optoelettronica come celle solari, laser e LED. Questo protocollo sintetico è progettato in modo tale da poter essere adattato a diversi laboratori e fornisce un percorso di sintesi per produrre perovskiti di alogenuri di piombo più veloci e riproducibili sull'intero spazio di composizione dei punti salienti. Il vantaggio principale di questa tecnica è l'uso di basse temperature di lavorazione e attrezzature standard disponibili nella maggior parte dei laboratori, come cappe chimiche e linee schlenk.
A dimostrare la procedura saranno Aya Buckley e Phuong Ngo, studenti della UC Berkeley. Per iniziare questa procedura, aggiungere 100 millilitri di etanolo a un pallone a fondo tondo da 250 millilitri dotato di ancoretta di agitazione. Aggiungere 16,5 millilitri di metilammina al 40% in acqua.
Usando un bagno di ghiaccio, raffreddare il pallone a zero gradi Celsius. Aggiungere 10 millilitri di acido iodico 76 millimolare a goccia, mescolando. Quindi, sigillare il pallone con un setto.
Agitare la reazione per due ore a zero gradi Celsius. Quindi, rimuovere il pallone dal bagno di ghiaccio utilizzando un evaporatore rotante dotato di un bagno d'acqua, far evaporare il solvente nei componenti volatili non reagiti a 50 Torr e 60 gradi Celsius per quattro ore o fino a quando i volatili non vengono rimossi. Una volta evaporato il solvente, aggiungere 100 millilitri di etanolo caldo al pallone per sciogliere il materiale residuo.
Aggiungere lentamente 200 millilitri di etere etilico per indurre la cristallizzazione di un solido bianco. Successivamente, filtrare sottovuoto la miscela su un filtro per fritta di vetro da 50 millimetri. Recuperare il surnatante e aggiungere 200 millilitri di etere etilico per indurre un'ulteriore cristallizzazione.
Filtrare nuovamente la miscela sottovuoto sul filtro per fritta di vetro da 50 millimetri. Durante il filtraggio sottovuoto, lavare il solido tre volte con etere etilico. Asciugare il solido lavato sotto vuoto.
Quando si pulisce l'apparecchio, anche la qualità del materiale di partenza è importante. Pertanto, un'attenta ricristallizzazione del precursore del volume del materiale è particolarmente importante. Conservare il solido essiccato nell'essiccatore al buio a temperatura ambiente, per ridurre al minimo la decomposizione.
Per iniziare, preriscaldare un bagno di olio siliconico dotato di un'ancoretta magnetica a 120 gradi Celsius. Quindi, utilizzare un cilindro di carta per pesare per trasferire 0,1 grammi di alogenuro di metilammonio in una provetta Schlenk da 50 millilitri. Per precondizionare l'alogenuro di metilammonio, collegare il tubo a una linea di Schlenk dotata di pompa rotativa ed evacuare il tubo.
Regolare la pressione a 0,185 Torr. Quindi, immergere il tubo nel bagno di silicone per due ore mescolando il bagno a 600 giri/min. Successivamente, rimuovere il tubo di schlenk dal bagno d'olio.
Lasciare il tubo sotto una sovrapressione di azoto gassoso che fluisce, per evitare l'aspirazione di umidità. Quindi preparare le soluzioni precursori sciogliendo 0,146 grammi di bromuro di piombo in un millilitro di DMF, e poi 0,369 grammi di ioduro di piombo e 0,073 grammi di bromuro di piombo in un millilitro di DMF. Sonicali per circa cinque minuti a 35 kilohertz per dissolvere completamente il precursore.
Utilizzando un filtro in PTFE da 0,2 micron, filtrare la soluzione precursore. Riscaldare la soluzione filtrata a 110 gradi Celsius per cinque minuti. Utilizzando una micropipetta, depositare 80 microlitri di soluzione precursore dell'alogenuro di piombo riscaldata sul substrato.
Quindi, far girare il substrato a 500 giri/min per cinque secondi con una velocità di accelerazione di 500 giri/min/s e a 1500 giri/min, per tre minuti con una velocità di accelerazione di 1500 giri/min. Quindi, trasferire il substrato su una piastra calda in una cappa aspirante. Asciugare il film precursore a 110 gradi Celsius per 15 minuti sotto azoto gassoso.
Caricare il substrato essiccato nel tubo di schlenk preparato orientando la superficie dell'alogenuro di piombo lontano dall'alogenuro di metilammonio nel tubo. Regolare la pressione nel tubo di schlenk a 0,185 Torr. Quindi, immergere il tubo nel bagno di olio di silicone riscaldato a 120 gradi Celsius per due ore.
Successivamente, rimuovere il tubo dal bagno d'olio. Estrarre il campione dalla provetta di schlenk e immergerlo rapidamente in un becher contenente alcol isopropilico. Utilizzare una pistola N2 per asciugare immediatamente il campione risciacquato.
In questo studio, i film sottili di alogenuro di piombo di metilammonio senza foro stenopeico sono sintetizzati da LP vasp e successivamente caratterizzati. L'analisi NMR dei precursori mostra spostamenti del gruppo metilico a delta 2,35 pbm e delta 2,37 pbm. Uno spostamento dell'ammonio centrato a delta 7,65 pbm e delta 7,45 pbm, rispettivamente per il bromuro di metilammonio e lo ioduro di metilammonio, confermando la loro identità e purezza.
La microscopia elettronica a scansione viene quindi utilizzata per analizzare film di alogenuri piatti misti e inginocchiati in ioduro di metilammonio al 100%, 50% e 30%. Ciascuno dei film sfaccettati è visto come privo di fori stenopeici con granulometria fino a 700 nanometri. Mentre lo spessore standard dei film di perovskite è di circa 400 nanometri, lo spessore può essere modificato variando la velocità di rotazione del rivestimento di rotazione con velocità più elevate che producono film più sottili e viceversa.
Imodelli di diffrazione dei raggi X vengono quindi raccolti per confermare la purezza di fase e la conversione dei precursori in film di perovskite di alogenuro di piombo metilammonio. Si osserva che la fase di ioduro di piombo residua o non convertita mostra un picco a circa 12,7 gradi. Si è visto che i film di alogenuri di piombo di metilammonio mostrano uno spostamento verso angoli più elevati a causa di una graduale sostituzione degli atomi di iodio più grandi con atomi di bromuro più piccoli.
Durante il tentativo di eseguire questa procedura, tenere presente che l'uso di una linea di schlenk comporta rischi di esplosione e implosione. Quindi, prima di eseguire questo esperimento, controlla l'integrità dell'apparato. Lo sviluppo di questa tecnica apre la strada ai ricercatori nel campo delle celle solari a film sottile, nonché all'optoelettronica, per sintetizzare film sottili di perovskite di alta qualità.
Con questo processo, è possibile realizzare celle solari a film sottile in geometria planare, raggiungendo efficienze fino al 19% e mostrano una maggiore stabilità a lungo termine. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come sintetizzare un film di alogenuri di piombo omogeneo, privo di feno, di alta qualità optoelettronica, con LP vasp.
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Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo per la sintesi di film perovskitici di alogenuri di piombo e metilammonio di alta qualità, privi di pori, per applicazioni optoelettroniche. Il metodo è adattabile a diverse configurazioni di laboratorio e pone l'accento su basse temperature di lavorazione.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Scienza dei Materiali
- Optoelettronica
- Sintesi di Film Sottili
Sfondo
- I perovskiti alogenuri di piombo e metilammonio sono materiali promettenti per celle solari e LED.
- La qualità dei film è essenziale per l'efficienza dei dispositivi.
- Per la sintesi possono essere utilizzati apparecchiature di laboratorio standard.
- Temperature di lavorazione basse migliorano accessibilità e riproducibilità.
Scopo dello studio
- Sviluppare un protocollo di sintesi per film perovskitici omogenei.
- Garantire la riproducibilità in diversi laboratori.
- Esplorare l'intero spazio compositivo degli alogenuri per migliorare le proprietà optoelettroniche.
Metodi Utilizzati
- Preparazione di soluzioni precursori utilizzando etanolo e metilammina.
- Utilizzo di attrezzature di laboratorio standard come cappe a scarico e linee di Schlenk.
- Agitazione e mescolamento dei componenti per ottenere omogeneità.
- Formazione di film sottili mediante tecniche di deposizione controllata.
Risultati principali
- Sintesi con successo di film perovskitici privi di pori.
- Dimostrata l'adattabilità del protocollo per diverse configurazioni di laboratorio.
- Ottenuti film di alta qualità adatti ad applicazioni optoelettroniche.
- Validificato l'uso di temperature di lavorazione basse nella sintesi.
Conclusioni
- Il protocollo sviluppato facilita la sintesi di film perovskitici di alta qualità.
- Supporta la riproducibilità e l'adattabilità in diversi ambienti di ricerca.
- Questo metodo può migliorare le prestazioni delle celle solari e di altri dispositivi optoelettronici.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Il processo a soluzione assistito da vapore a bassa pressione (LP-VASP) consente la sintesi riproducibile di film perovskitici con banda proibita regolabile, senza necessità di utilizzare una camera a guanti, favorendo la scoperta di materiali optoelettronici su larga scala. Raggiungendo film privi di pori attraverso l'intero spazio di composizione degli alogenuri, questo metodo riduce la variabilità nella prototipazione iniziale di dispositivi fotovoltaici e LED. Ciò colloca l'LP-VASP come strumento meccanicistico per ridurre i rischi nella validazione di perovskiti a base di piombo come bersagli nelle linee di scoperta.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Permette l'analisi degli effetti della composizione degli alogenuri sulle proprietà optoelettroniche per la verifica di ipotesi specifiche.
- Valore operativo: Utilizza attrezzature standard come la linea Schlenk e la cappa da laboratorio, riducendo le barriere per la sintesi riproducibile di materiali.
- Valore predittivo: La modulazione del bandgap compresa tra 1,6 eV e 2,3 eV supporta una previsione affidabile nella valutazione delle prestazioni fotovoltaiche.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Produce film continui e con purezza di fase, dotati di resa quantica fotoluminescente quantificabile, per la standardizzazione dei saggi.
- Valore operativo: I passaggi di rivestimento a centrifuga ed esposizione al vapore consentono un controllo preciso dello spessore mediante regolazione della velocità di rotazione.
- Scalabilità: La sintesi riproducibile in diversi laboratori permette una coerenza nelle campagne di screening multicentriche.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore traslazionale: I film dimostrano una stabilità a lungo termine migliorata nelle celle solari a giunzione eterogenea planare, sostenendo decisioni di avanzamento corrette in base al rischio.
- De-risking meccanicistico: La purezza di fase confermata mediante diffrazione a raggi X riduce l'ambiguità nelle relazioni struttura-proprietà durante la valutazione preclinica.
- Confindenza predittiva: Un'efficienza di conversione dell'energia del 19% costituisce una soglia quantitativa per la selezione di materiali optoelettronici con criterio di prosegui/non prosegui.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
LP-VASP si inserisce nel percorso dalla scoperta alla fase preclinica permettendo lo screening della composizione degli alogenuri prima dell'integrazione nei dispositivi e dei test di stabilità.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi su come il mescolamento di alogenuri influisca sulla dinamica dei portatori di carica nei reticoli perovskitici.
- Screening: Permette la produzione standardizzata di film per una caratterizzazione optoelettronica riproducibile lungo gradienti di composizione.
- Analisi: I risultati includono la conferma delle fasi mediante diffrazione a raggi X, il rendimento di fotoluminescenza e le misure di spessore per l'analisi comparativa.
- Ricerca traslazionale: Collega la riproducibilità della sintesi alla stabilità dei dispositivi preclinici attraverso il monitoraggio delle prestazioni a lungo termine.
- Riutilizzo aziendale: L'adattabilità del protocollo consente il riutilizzo tra diversi gruppi di ricerca sui materiali senza richiedere infrastrutture specializzate.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Riduzione dell'ambiguità meccanicistica grazie alla crescita controllata di film privi di pori attraverso l'intero spazio di composizione.
- Valore operativo: Standardizzazione mediante processi a bassa temperatura e funzionamento senza guantoio, aumentando l'accessibilità nei laboratori.
- Valore strategico: Miglioramento delle decisioni di avanzamento o interruzione del progetto grazie a parametri di riferimento riproducibili per l'efficienza (fino al 19%), riducendo i rischi optoelettronici nelle fasi avanzate.
- Impatto sul portafoglio: Prioritizzazione corretta in base al rischio delle composizioni di alogenuri sulla base di dati quantificabili relativi al bandgap e alla stabilità.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nelle tecniche di linea di Schlenk e nel controllo della pressione di vapore per un'erogazione riproducibile degli alogenuri di metilammonio.
- Si basa su un bagno d'olio al silicone, una pompa rotativa e un'infrastruttura di gas azoto per le fasi di esposizione al vapore a bassa pressione.
- Necessita di una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro dei parametri di spin-coating e della filtrazione della soluzione precursore per garantire uniformità dello spessore.
- Le considerazioni per l'adattamento includono i limiti di solubilità dei precursori nel DMF e la regolazione della composizione della miscela di vapore per il bandgap desiderato.
- I limiti pratici comprendono i rischi di esplosione o implosione con le linee di Schlenk, che richiedono controlli dell'integrità dell'apparato prima dell'uso.
