可変バンド ギャップ ピンホール フリー メチル鉛ハライド ペロブスカイト薄膜の低圧蒸気支援ソリューション プロセス

このプロセスの全体的な目標は、太陽電池、レーザー、LEDなどのオプトエレクトロニクスに応用するために、ハロゲン化物組成空間全体に均質でピンホールフリーで高品質のハロゲン化メチルアンモニウムペロブスカイトフィルムを合成することです。この合成プロトコルは、さまざまなラボに適応できるように設計されており、ハイライト組成空間全体にわたってより迅速で再現性の高いハロゲン化鉛ペロブスカイトを作製するための合成ルートを提供します。この技術の主な利点は、ヒュームフードやシュレンクラインなど、ほとんどの研究所で利用可能な低い処理温度と標準装備の使用です。

この手順を実演するのは、カリフォルニア大学バークレー校の学生であるAya Buckley氏とPhuong Ngo氏です。この手順を開始するには、攪拌子を装備した250ミリリットルの丸底フラスコに100ミリリットルのエタノールを追加します。16.5ミリリットルの40%メチルアミンを水に加えます。

氷浴を使用して、フラスコを摂氏0度に冷却します。攪拌しながら、10ミリリットルの76ミリモルヨウ化水素酸を賢く滴下します。次に、フラスコをセプタムで密封します。

摂氏0度で反応を2時間攪拌します。次に、ウォーターバスを備えたロータリーエバポレーターを使用してフラスコをアイスバスから取り出し、未反応の揮発性成分の溶媒を50 Torrおよび60°Cで4時間、または揮発性物質が除去されるまで蒸発させます。溶媒が蒸発したら、フラスコに100ミリリットルの温かいエタノールを加えて、残留物を溶解します。

200ミリリットルのジエチルエーテルをゆっくりと加えて、白色固体の結晶化を誘導します。この後、50mmガラスフリットフィルターで真空ろ過します。上清を回収し、200ミリリットルのジエチルエーテルを加えて、追加の結晶化を誘導します。

50mmガラスフリットフィルターで混合物を再度真空ろ過します。真空ろ過しながら、固体をジエチルエーテルで3回洗浄します。洗浄した固形物を真空下で乾燥させます。

装置を洗浄するとき、出発物質の品質も重要です。したがって、材料体積前駆体の慎重な再結晶が特に重要です。乾燥させた固形物は、分解を最小限に抑えるために、室温で暗所のデシケーターに保管してください。

まず、マグネチックスターバーを装備したシリコーンオイルバスを摂氏120度に予熱します。次に、計量紙シリンダーを使用して、0.1グラムのハロゲン化メチルアンモニウムを50ミリリットルのシュレンクチューブに移します。ハロゲン化メチルアンモニウムを前処理するには、ロータリーポンプを備えたシュレンクラインにチューブを取り付け、チューブを排気します。

圧力を0.185Torrに調整します。次に、600rpmでバスを攪拌しながら、チューブをシリコンバスに2時間浸します。この後、シュレンクチューブをオイルバスから取り外します。

水分の摂取を防ぐために、チューブを流れる窒素ガスの過圧下に置いておきます。次に、0.146グラムの臭化鉛を1ミリリットルのDMFに溶解し、次に0.369グラムのヨウ化鉛と0.073グラムの臭化鉛を1ミリリットルのDMFに溶解して、前駆体溶液を調製します。これらを35キロヘルツで約5分間超音波処理して、前駆体を完全に溶解します。

0.2ミクロンのPTFEフィルターを使用して、前駆体溶液をろ過します。ろ過した溶液を摂氏110度に5分間加熱します。マイクロピペットを使用して、80マイクロリットルの加熱されたハロゲン化鉛前駆体溶液を基質に堆積させます。

次に、基板を500rpmで5秒間、500rpm/sの加速率で、1500rpmで3分間、1500rpmで回転させます。次に、ヒュームフード内のホットプレートに基板を移します。前駆体フィルムを摂氏110度で、流れる窒素ガス下で15分間乾燥させます。

乾燥させた基質を準備されたシュレンクチューブにロードし、ハロゲン化鉛の表面をチューブ内のハロゲン化メチルアンモニウムから遠ざけます。シュレンクチューブ内の圧力を0.185Torrに調整します。次に、120°Cに加熱したシリコーンオイルバスにチューブを2時間浸します。

この後、オイルバスからチューブを取り外します。シュレンクチューブからサンプルを取り出し、イソプロピルアルコールが入ったビーカーにすばやく浸します。N2ガンを使用して、すすぎたサンプルをすぐに乾燥させます。

この研究では、ピンホールフリーのハロゲン化メチルアンモニウム鉛薄膜をLP VASPによって合成し、その後特性評価します。前駆体のNMR分析では、デルタ2.35 pbmおよびデルタ2.37 pbmでメチル基シフトが示されました。デルタ7.65 pbmとデルタ7.45 pbmを中心とするアンモニウムシフトは、それぞれ臭化メチルアンモニウムとヨウ化メチルアンモニウムについて、それらの同一性と純度を確認しました。

次に、走査型電子顕微鏡を使用して、混合フラットハロゲン化物フィルムを分析し、100%、50%、および30%のヨウ化アンモニウムにひざまずかせます。ファセットされた各フィルムは、最大700ナノメートルの粒径でピンホールがないことがわかります。ペロブスカイト膜の標準的な厚さは約400ナノメートルですが、スピンコーティングの回転速度を速く変えることで厚さを変えることができ

次に、X線回折パターンを収集して、前駆体の相純度とハロゲン化メチルアンモニウムペロブスカイト膜への変換を確認します。残留または変換されていないヨウ化鉛相は、約12.7度にピークを示すことが見られます。ハロゲン化メチルアンモニウム鉛フィルムは、大きなヨウ素原子が小さな臭化物原子に徐々に置き換えられるため、より高い角度へのシフトを示すフィルムが見られます。

この手順を試行する際は、シュレンクラインの使用には爆発と爆縮のリスクが含まれていることに注意してください。そのため、この実験を行う前に、装置の完全性を確認してください。この技術の開発は、薄膜太陽電池の分野の研究者やオプトエレクトロニクスが高品質の有機金属ハイライトペロブスカイト薄膜を合成する道を開くものです。

このプロセスにより、平面形状の薄膜太陽電池を作製でき、最大19%の効率を達成し、長期安定性の向上を示します。このビデオを見た後、LPバスプによって均質で、表現フリーで、高光電子品質の、材料量のハロゲン化鉛フィルムを合成する方法をよく理解しているはずです。