8 września 2017
Tutaj prezentujemy protokół syntezy prekursorów CH3NH 3 I i CH3NH 3Br oraz późniejszego tworzenia bezotworkowych, ciągłych cienkich warstw CH3NH3PbI3-xBrx do zastosowania w wysokowydajnych ogniwach słonecznych i innych urządzeniach optoelektronicznych.
Ogólnym celem tego procesu jest synteza jednorodnych, pozbawionych otworków i wysokiej jakości warstw perowskitowych z halogenku metyloamonu i ołowiu w całej przestrzeni składu halogenkowego do zastosowania w optoelektronice, takiej jak ogniwa słoneczne, lasery i diody LED. Ten syntetyczny protokół został zaprojektowany w taki sposób, że można go dostosować do różnych laboratoriów i zapewnia drogę syntezy w celu uzyskania szybszych i powtarzalnych perowskitów halogenku ołowiu w całej przestrzeni kompozycji podświetlenia. Główną zaletą tej techniki jest zastosowanie niskiej temperatury obróbki oraz standardowego wyposażenia dostępnego w większości laboratoriów, takiego jak dygestoria i linie schlenk.
Procedurę zademonstrują Aya Buckley i Phuong Ngo, studenci z UC Berkeley. Aby rozpocząć tę procedurę, dodaj 100 mililitrów etanolu do kolby okrągłodennej o pojemności 250 mililitrów wyposażonej w mieszadło. Dodaj 16,5 mililitra 40% metyloaminy do wody.
Używając łaźni lodowej, schłodzić kolbę do zera stopni Celsjusza. Dodaj kroplami 10 mililitrów 76-milimolowego kwasu jodowodorowego, mieszając. Następnie uszczelnić kolbę przegrodą.
Mieszaj reakcję przez dwie godziny w temperaturze zero stopni Celsjusza. Następnie wyjąć kolbę z łaźni lodowej za pomocą wyparki obrotowej wyposażonej w łaźnię wodną, odparować rozpuszczalnik w postaci nieprzereagowanych składników lotnych w temperaturze 50 Torr i 60 stopni Celsjusza przez cztery godziny lub do momentu usunięcia substancji lotnych. Po odparowaniu rozpuszczalnika dodaj 100 mililitrów ciepłego etanolu do kolby, aby rozpuścić pozostały materiał.
Powoli dodawaj 200 mililitrów eteru dietylowego, aby wywołać krystalizację białego ciała stałego. Następnie przefiltruj próżniowo mieszaninę przez 50-milimetrowy filtr z fryty szklanej. Odzyskać supernatant i dodać 200 mililitrów eteru dietylowego w celu wywołania dodatkowej krystalizacji.
Ponownie przefiltrować próżniowo mieszaninę przez 50-milimetrowy filtr fryty szklanej. Podczas filtrowania próżniowego przemyć ciało stałe trzykrotnie eterem dietylowym. Wysuszyć umyte ciało stałe w próżni.
Podczas czyszczenia aparatu ważna jest również jakość materiału wyjściowego. Dlatego szczególnie ważna jest staranna rekrystalizacja prekursora objętości materiału. Przechowywać wysuszone ciało stałe w eksykatorze w ciemności w temperaturze pokojowej, aby zminimalizować rozkład.
Na początek podgrzej kąpiel w oleju silikonowym wyposażoną w mieszadło magnetyczne do 120 stopni Celsjusza. Następnie za pomocą papierowego cylindra wagowego przenieś 0,1 grama halogenku metyloamonu do 50-mililitrowej probówki Schlenka. Aby wstępnie kondycjonować halogenek metyloamonu, podłącz rurkę do przewodu Schlenk wyposażonego w pompę rotacyjną i opróżnij rurkę.
Ustaw ciśnienie na 0,185 Torr. Następnie zanurz rurkę w kąpieli silikonowej na dwie godziny, mieszając kąpiel z prędkością 600 obr./min. Następnie wyjmij rurkę Schlenka z kąpieli olejowej.
Pozostaw rurkę pod nadciśnieniem przepływającego azotu, aby zapobiec wchłanianiu wilgoci. Następnie przygotuj roztwory prekursorów, rozpuszczając 0,146 grama bromku ołowiu w jednym mililitrze DMF, a następnie 0,369 grama jodku ołowiu i 0,073 grama bromku ołowiu w jednym mililitrze DMF. Sonikuj je przez około pięć minut w częstotliwości 35 kiloherców, aby całkowicie rozpuścić prekursor.
Za pomocą filtra PTFE o grubości 0,2 mikrona przefiltruj roztwór prekursora. Podgrzej przefiltrowany roztwór do 110 stopni Celsjusza przez pięć minut. Za pomocą mikropipety nanieść 80 mikrolitrów podgrzanego roztworu prekursora halogenku ołowiu na podłoże.
Następnie wiruj podłoże z prędkością 500 obr./min przez pięć sekund z przyspieszeniem 500 obr./min i z prędkością 1500 obr./min przez trzy minuty z prędkością przyspieszenia 1500 obr./min. Następnie przenieś podłoże na płytę grzejną w dygestorium. Suszyć folię prekursora w temperaturze 110 stopni Celsjusza przez 15 minut pod przepływającym azotem.
Załaduj wysuszony substrat do przygotowanej probówki Schlenka, kierując powierzchnię halogenku ołowiu z dala od halogenku metyloamonu w probówce. Ustaw ciśnienie w rurce Schlenka na 0,185 Torr. Następnie zanurz rurkę w kąpieli oleju silikonowego podgrzanej do 120 stopni Celsjusza na dwie godziny.
Następnie wyjmij rurkę z kąpieli olejowej. Wyjąć próbkę z probówki Schlenka i szybko zanurzyć ją w zlewce zawierającej alkohol izopropylowy. Za pomocą pistoletu N2 natychmiast wysuszyć wypłukaną próbkę.
W tym badaniu cienkie warstwy halogenku metyloamonu są syntetyzowane przez LP vasp, a następnie charakteryzowane. Analiza NMR prekursorów wykazuje przesunięcia grup metylowych przy delta 2,35 pbm i delta 2,37 pbm. Przesunięcie amonu wyśrodkowane na delta 7,65 pbm i delta 7,45 pbm, odpowiednio dla bromku metyloamonu i jodku metyloamonu, potwierdzając ich tożsamość i czystość.
Skaningowa mikroskopia elektronowa jest następnie wykorzystywana do analizy mieszanych płaskich filmów halogenkowych i klęcząca w 100%50% i 30% jodku metyloamonu. Każda z fasetowanych folii jest pozbawiona otworków o wielkości ziarna do 700 nanometrów. Podczas gdy standardowa grubość warstw perowskitu wynosi około 400 nanometrów, grubość można zmienić, zmieniając prędkość obrotową powłoki wirowej przy wyższych prędkościach, co daje cieńsze warstwy i odwrotnie.
Następnie zbierane są wzory dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego w celu potwierdzenia czystości fazowej i konwersji prekursorów do warstw perowskitów z halogenku metyloamonu i ołowiu. Obserwuje się, że resztkowa lub nieprzekształcona faza jodku ołowiu wykazuje szczyt przy około 12,7 stopnia. Filmy halogenku metyloamonu i ołowiu są postrzegane jako filmy wykazujące przesunięcie pod wyższymi kątami ze względu na stopniowe zastępowanie większych atomów jodu mniejszymi atomami bromku.
Podejmując tę procedurę, należy pamiętać, że korzystanie z linii Schlenk wiąże się z ryzykiem wybuchu i implozji. Tak więc, zanim wykonasz ten eksperyment, sprawdź integralność aparatu. Opracowanie tej techniki toruje drogę naukowcom w dziedzinie cienkowarstwowych ogniw słonecznych, a także optoelektroniki do syntezy wysokiej jakości cienkich warstw perowskitu z metali organicznych.
Dzięki temu procesowi można wytwarzać cienkowarstwowe ogniwa słoneczne o geometrii płaskiej, osiągając wydajność do 19% i wykazują one zwiększoną stabilność długoterminową. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak zsyntetyzować jednorodną, wolną od fenotonów, wysokiej jakości optoelektronicznej, objętość materiału folię halogenkową ołowiu za pomocą LP vasp.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Niniejszy artykuł przedstawia protokół syntezy wysokiej jakości, pozbawionych mikroporów (pinholes) cienkich warstw perowskitów halogenu ołowiu i metyloamoniu do zastosowań optoelektronicznych. Metoda ta jest dostosowana do różnych warunków laboratoryjnych i kładzie nacisk na niskie temperatury przetwarzania.
Proces roztworowy wspomagany oparami pod niskim ciśnieniem (LP-VASP) umożliwia powtarzalną syntezę cienkich warstw perowskitów o regulowanej przerwie energetycznej bez konieczności stosowania komory rękawicowej, co wspiera skalowalne odkrywanie materiałów optoelektronicznych. Dzięki uzyskaniu warstw pozbawionych otworów w całym zakresie składu halogenkowego, metoda ta zmniejsza zmienność w początkowej fazie prototypowania ogniw fotowoltaicznych i diod LED. Pozycjonuje to LP-VASP jako narzędzie do mechanistycznego ograniczania ryzyka w procesie walidacji docelowych perowskitów halogenkowych ołowiu w potokach badawczych.
Metoda LP-VASP wpisuje się w kontinuum od odkrycia do badań przedklinicznych, umożliwiając przesiewowy dobór składu halogenków przed integracją z urządzeniem i testami stabilności.