Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

הדפסת צבעי הדיו פרוביסקיט הליד אורגניים ליישומים פוטו הזרקת דיו

Published: January 22, 2019 doi: 10.3791/58760
Automatic Translation
1, 2, 3, 2, 1, 3, 3, 4, 5, 2, 1, 3, 3
1Department of Physics, State University of New York-Oswego, 2Department of Chemistry, University of Nebraska-Lincoln, 3Department of Physics, University of Nebraska-Lincoln, 4Department of Chemistry, Doane University, 5Physikalisches Institut, Universität Bayreuth

Summary

פרוטוקול עבור סינתזה לא אורגנית-עופרת-הליד היברידית פרוביסקיט קוונטית נקודה דיו עבור מדפסת הזרקת דיו והפרוטוקול להכנה של הדפסה הדיו נקודה קוונטית במדפסת הזרקת דיו עם טכניקות אפיון פוסט מוצגים.

Abstract

שיטת סינתזה פרוביסקיט אי-אורגנית photoactive קוונטית נקודה הדיו ואת שיטת התצהיר של מדפסת הזרקת דיו באמצעות הדיו מסונתז, הם הפגינו. הסינתזה דיו מבוסס על תגובה כימית פשוטה רטובה, פרוטוקול הדפסה הזרקת דיו שיטה נתיישב צעד אחר צעד. הזרקת דיו המודפסים סרטים רזה מאפינים על ידי קרני רנטגן, ספקטרום בליעה אופטית, ספקטרוסקופיה פוטו לומינסנט מדידות האלקטרונית. רנטגן עקיפה של הסרטים נקודה קוונטית המודפס מצביע על מבנה הגביש בקנה אחד עם שלב האורתורומבית בטמפרטורת החדר עם אוריינטציה (001). בשילוב עם שיטות אפיון אחרות, המדידות קרני רנטגן מראים באיכות גבוהה הסרטים ניתן לקבל באמצעות שיטת הדפסה הזרקת דיו.

Introduction

דיטר וובר מסונתז perovskites הליד אורגני-אורגנית היברידית הראשונה של 19781,2. בערך 30 שנה מאוחר יותר בשנת 2009 Akihiro קוג'ימה, משתפי פעולה מפוברק פוטו התקנים באמצעות perovskites הליד היברידית אורגני-אורגניים זהה מסונתז על ידי וובר, כלומר, CH3NH3מפ ל3 ו- CH3NH3 3PbBr3. ניסויים אלה היו תחילתו של גל עוקבות מחקר התמקדות מאפייני פוטו perovskites הליד היברידית אורגני-אורגניים. משנת 2009 עד 2018, יעילות ההמרה כוח המכשיר באופן דרמטי גדלה מ 3.8%3 אל מעל 23%4, שהופך perovskites הליד אורגני-אורגנית היברידית תאים סולריים להשוות מבוסס-סי. כמו עם perovskites מבוססי הליד אורגני-אורגניים, אי-אורגנית perovskites מבוססי הליד החל צובר אחיזה קהילת המחקר בסביבות 2012 כאשר יעילות המכשיר פוטו הראשון נמדדה 0.9%5. החל משנת 2012 perovskites כל מבוסס-הליד אורגניים יש כברת דרך ארוכה עם כמה יעילות המכשיר נמדדת עולה על 13% כמו המחקר 2017. Sanehira et al. 6 שני perovskites מבוסס על אורגנית, מבוסס על אי-אורגנית למצוא אפליקציות לייזרים7,8,9,10, אור פולטות דיודות11, 12 , 13, זיהוי קרינה באנרגיה גבוהה14,15,של זיהוי תמונה16, ו יישומים כמובן פוטו5,15,17,18 . כמעט בעשר השנים האחרונות, טכניקות סינתזה שונים רבים צמחו מתוך מדענים ועשן מהנדסים הנע בין שיטות פתרון עיבוד לשאוב התצהיר טכניקות19,20,21. Perovskites הליד מסונתז באמצעות שיטת פתרון-מעובד הן יתרון הם יכולים בקלות להיות מועסק דיו עבור דיו הדפסה15.

בשנת 1987, דיווח הראשון הוצג השימוש מדפסת הזרקת דיו של תאים סולריים. מאז, מדענים ומהנדסים ביקשו דרכים בהצלחה להדפיס כל תאים סולאריים אורגניים עם מאפייני הביצועים אטרקטיבי במחיר נמוך יישום22. ישנם יתרונות רבים הדפסה הזרקת תאים סולריים, לעומת חלק מהשיטות ואקום ייצור בסיס משותף. היבט חשוב של שיטת הדפסה הזרקת דיו היא פתרון המבוסס על חומרים משמשים דיו. פעולה זו פותחת את הדלת עבור ניסויים של חומרים שונים רבים, כגון דיו המבוסס על פרוביסקיט-אורגניים, אשר יכול להיות מסונתז על ידי נתיישב שיטות כימיות רטובות. במילים אחרות, מדפסת הזרקת דיו של תא פוטו-וולטאי חומרים הוא מסלול נמוכים שטנץ מהירה. מדפסת הזרקת דיו יש גם את היתרונות של היכולת להדפיס שטחים גדולים על מצעים גמיש ולהדפיס על-ידי עיצוב בטמפרטורות נמוכות בתנאים אטמוספיריים. יתר על כן, מדפסת הזרקת דיו מתאימה מאוד לייצור המוני המאפשר יישום ריאליסטי גליל לגליל בעלות נמוכה23,24.

במאמר זה נדון תחילה את השלבים הכרוכים עם סינתזה לא אורגנית פרוביסקיט קוונטית נקודה דיו עבור מדפסת הזרקת דיו. לאחר מכן, אנו מתארים שלבים נוספים עבור הכנת צבעי הדפסה וההליכים הזרקת דיו הדפסת סרט photoactive באמצעות מדפסת הזרקת דיו הנמכרים בפועל. לבסוף, נדון אפיון הסרטים מודפס אשר הכרחי להבטיח הסרטים של כימיקלים תקין, הרכב קריסטל עבור ביצועי התקן באיכות גבוהה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

אזהרה: נא עיין של המעבדה בטיחות חומרים גליונות נתונים (MSDS) לפני שתמשיך. כימיקלים המשמשים פרוטוקולים סינתזה אלה משויכות הבריאותיות. בנוסף, ננו-חומרים יש מפגעים נוספים לעומת עמיתו בצובר שלהם. אנא השתמש כל נוהלי בטיחות המתאים בעת ביצוע תגובה nanocrystal כולל שימוש ברדס fume או הכפפות, את נאות ציוד מגן אישי (בטיחות משקפיים, כפפות, חלוק המעבדה, מכנסיים, נעליים סגורות, וכו ').

1. קודמן סינתזה

  1. צסיום אולאט קודמן סינתזה
    הערה: אולאט צסיום הוא מסונתז תחת סביבה2 N.
    1. הוסף קרבונט 0.203 גר' צסיום (Cs2CO3), 10 מ של octadecene (אודה) 1.025 מ ל חומצה אולאית (OA) כדי שלוש צוואר עגול התחתון תוך ערבוב את הבקבוק. . הבקבוק שלוש צוואר עגול התחתונה עבור צסיום אולאט קודמן מסומן 1 ב איור 1a.
    2. המקום של מד חום או צמד תרמי לאחד הצוואר באמצעות פקק גומי.
    3. המקום של מחיצת גומי לתוך אחד של צוואר הנותרים, ואז לצרף בצוואר השלישי והאחרון חנקן גז קו באמצעות קו schlenk. מניחים את התערובת תחת אווירה חנקן גז.
    4. מחממים את התערובת עד 150 ° C עם ערבוב מתמיד במהירות מלהיב של מ מ 399/s באמצעות פס מגנטי מערבבים 2.54 ס מ עד2CO Cs3 מלא מתמוסס.
    5. להנמיך את הטמפרטורה עד 100 ° C כדי להימנע משקעים והתפרקות של צסיום אולאט ואת השאר זע באותה מהירות מלהיב כמו שלב 1.1.4.
  2. סינתזה קודמן2 Oleylamine-PbBr
    הערה: Oleylamine-PbBr2 קודמן הוא מסונתז תחת סביבה2 N.
    1. הוסף 37.5 מ ל אודה, 7.5 mL של oleylamine (OAm), mL 3.75 של OA, ו- 1.35 mmol של PbBr2 לתוך עוד 3 צוואר עגול התחתון תוך ערבוב את הבקבוק. שלושת צוואר עגול הבקבוק מלהיב התחתונה עבור OAm-PbBr2 הנקרא 2 ב איור 1a. איור 1b מציג את הפתרון קודמן החלקיות.
    2. המקום של מד חום או צמד תרמי לתוך אחד של הצוואר ולמקם סוג של פולימר הסרט סביב מדחום/צמד תרמי לאטום את הצוואר, ראה איור 1.
    3. למקם את פקק גומי אחד של צוואר הנותרים ולאחר מכן לצרף את הצוואר השלישי והאחרון לקו גז חנקן באמצעות קו schlenk. מניחים את התערובת תחת חנקן גז אווירה.
    4. מחממים את התערובת עד 100 ° C עם ערבוב מתמיד במהירות מלהיב של 599 מ"מ לשנייה באמצעות פס מגנטי מערבבים עד התפרקה לחלוטין PbBr2 . הפתרון קודמן תחת ערבוב מתמיד מוצג באיור 1ג, הפתרון קודמן מומס מלא מוצג באיור 1d.
    5. מחממים את התערובת עד 170 ° C עם ערבוב מתמיד, לב שהתערובת עוברת שינוי צבע צהוב כהה ברגע שהגיע 170 ° C כפי שראינו באיור 1ד עוזבת זע מתחת 170 ° C חום.

2. CsPbBr3 קוונטית נקודה סינתזה

  1. באמצעות מזרק זכוכית 2 מ"ל, עם מחט מד זמן 18 10 ס מ, לחלץ 1.375 מ של צסיום אולאט קודמן של שלושה צוואר הבקבוק דרך מחצה גומי כפי שמוצג באיור2.
  2. במהירות מזריקים, דרך מחצה גומי, mL 1.375 של צסיום קודמן אולאט לתוך הבקבוק הצוואר שלושה המכיל את קודמן2 OAm-PbBr, כפי שמוצג באיור 2b. צריך להיות שינוי צבע הנצפה, מבריק צהובה-ירוקה, כפי שמוצג באיור 2c.
  3. אחרי הזרקת קודמן אולאט צסיום, חכי 5 s, להסיר את הבקבוקון הצוואר שלושה מהחום, לטבול את תחתית עגולה 3-צוואר הבקבוק לתוך אמבט קרח/מים ב-0 מעלות צלזיוס, כפי שמוצג באיור3.
  4. הפרד את הפתרון ב הבקבוקון הצוואר שלושה באופן שווה לתוך 2 מבחנות, בערך 25 מ לכל מבחנה.
  5. להוסיף 25 מ של אצטון כל פתרונות supernatant, ואז הפרד באמצעות צנטריפוגה באמצעות הפרמטרים שלהלן.
  6. הפרד את נקודות קוונטיות באמצעות צנטריפוגה ב g 2431.65 x עבור 5 דקות-הגדרת בטמפרטורת החדר, כפי שמוצג באיור 3b.
  7. הפרד את הנקודות הקוונטים supernatant ו- centrifuged, כפי שמוצג באיור 3 c, לשפוך את תגובת שיקוע לתוך מבחנה ריקה.
  8. לבסוף, לפזר את הנקודות קוונטית מופרדות ב- 10-25 מ ל hexanes או cyclohexanes. פתרון זה יכול אז לשמש דפוס ב הדיו במדפסת הזרקת דיו עבור הדפסה סרטים רזה.
    הערה: מדפסת הזרקת דיו הנמכרים שימש כדי להדפיס כל קוונטית נקודה דק הסרטים של הדיו פרוביסקיט מבוססי הליד אורגניים. ב הזה סובסטרטים פרוטוקול של זכוכית אמורפי, אינדיום תחמוצת בדיל terephthalate מצופה פוליאתילן (איטו/PET) שימשו במהלך המדידות. כדי להבטיח כי פני המצע נקי לפני ההדפסה, מצעים נוקו באמצעות אצטון ושטוף ולאחריה שטיפה מתנול.

3. ניקוי ראש מדפסת

  1. תחילה ודא שהמדפסת מחובר לחשמל ומופעל הכוח כדי לקבל גישה מחסניות הדיו של המדפסת הראש.
  2. הסר את מחסניות הדיו של מנהל המדפסת, פתח את החלק העליון של המדפסת, לחכות מכלי הדיו להחזיר את מיקום מרכז של אורות אדומים מתחת מכלי הדיו כדי להיות מואר ולאחר מכן הסר כל מחסניות.
  3. הזז את ראש ההדפסה מעט ימינה, להוציא את השומר על המגש דיו כך זה מאפשר את המגש להישאר במקום, כפי שמוצג באיור4. להגיע לסוף של מגש דיו, לצבוט את המפריד פלסטיק המפריד בין שני החצאים של ראש ההדפסה. משוך בעדינות, ראש ההדפסה יוסרו בקלות.
  4. כדי לנקות את ראש ההדפסה, להכין תבשיל עם כמה מילימטרים של מים חמים. מניחים את ראש ההדפסה במים עם החריצים בתחתית מתחת למים. יש למנוע מגע בין החלקים אלקטרונית ירוק על הגב המים בגלל פוטנציאל לערער ראש ההדפסה.
  5. השתמש פיפטה של מים חמים לשפוך מים על נגדים. להשאיר את ראש ההדפסה יושבים במים חמים למשך 1-2 h.
  6. לאחר סיום טבילה במים חמים, שים את ראשך מדפסת על רקמה במעבדה ולהשאיר להתייבש לפחות 20 דק. הימנע מנגב התחתון של ראש ההדפסה כי לסיבים המחיקה יכול להיתקע את החריצים שבו דיו הוא בגליל.
  7. להחזיר את ראש ההדפסה למיקומו ודחף את השומר בחזרה למיקומו המקורי.

4. נקודה קוונטית פרוביסקיט הדפסת הדפוס

הערה: פרוטוקול זה משתמש במדפסת הזרקת דיו, הכולל את היכולת להדפיס תוויות תקליטורים על גבי תקליטורים בעזרת מגש דיסק CD נוקשה. מומלץ לפני ההדפסה perovskites, כי אחד לגזור את הצורה המועדפת וגודל המצע ולאחר מכן להדפיס את גודלו וצורתו המדויק של המצע הרצוי בדיסק CD עצמה באמצעות דיו שחור, כמוצג באיור5.

  1. לצייר קו ישר בקצה הדיסק ולהמשיך אותו על מגש דיסק CD. בדרך זו, התבנית CD יכולה להיות בשורה באותה דרך בכל פעם ולהבטיח הדיו להדפיס במיקום הרצוי.
  2. הצב את המצע על הדימויים דיו המודפסים על הדיסק. ניתן לקיים את המצע באמצעות קלטת צדדית כפולה או קצת דבק אחרים, כמוצג באיור 5ב'.
  3. לפני מילוי מכלי הדיו, ודא הכריכה כתום מותקן כהלכה בתחתית מחסנית הדיו, כפי שמוצג באיור 6. זה ימנע דיו וגואה בתחתית המחסנית.
  4. לאחר ביצוע הפתרון דיו, כמו שלב 2.9, והוא השער שעל המחסנית, להשתמש פיפטה להחדיר את הדיו נקודה קוונטית לתוך העליון של מחסנית הדיו, כפי שמוצג באיור 6.
    הערה: הדיו נקודה קוונטית ייקלטו על ידי הספוג עד שזה הופך להיות רווי הדיו הנותר יאוחסן בתא ליד הספוג. למנוע את מילוי יתר, לחץ בתא הזה כי הדיו תוכל להימלט מן העליון כאשר הוא הופך להיות כמעט מלא.
  5. ברגע הדיו מתמלא את הכמות הרצויה, חבר העליונה. עם פקק הגומי, בזהירות להסיר את המכסה התחתון כתום. להיות מוכנים קצת דיו. לברוח דרך התחתון בעת ביצוע פעולה זו.
  6. מקם את מחסנית הדיו לראש המדפסת להיות בטוח שלמקומו בנקישה, כפי שמוצג באיור 6b, הקפד להוסיף את מכלי הדיו הנותר, ריקה או מלאה לפני שתמשיך לשלב הבא, כפי שמוצג באיור 6c.
  7. לסגור את המדפסת ומחכה בראש המדפסת לחזור לצד רחוק הימיני של המדפסת.
  8. ודא את הצבע של תמונות מודפס מתאים לצבע מחסנית דיו המכיל את הנקודות קוונטית. תמונת מוצק של טורקיז, אדום-ארגמן או צהוב נמצאו לפעול בצורה הטובה ביותר (שחור היא בעייתית כי ישנם שני מכלי הדיו השחור).
  9. לחץ על הדפס הפינה הימנית התחתונה, בצע המסך הוראות.
  10. כאשר המדפסת מתחמם, בדוק הדיסק מיושר כראוי על מגש הדיסק, כך התמונה על המסך תודפס היכן בדיוק ציפה.
  11. הוראה יופיע על המסך זה מנחה את המשתמש לפתוח את מכסה הדיסק במדפסת, הכנס את המגש דיסק המכיל את הדיסק לתוך המכונה. לבצע פעולה זו, לאחר מכן לחץ על הלחצן (כתום מהבהב) קורות חיים על המדפסת או לחץ על הלחצן "אישור" על המסך, כפי שמוצג באיור 7 א ו- 7.
  12. בנקודה זו המדפסת יקבל את מגש הדיסק ואת perovskites הדפסה על המצע, לאחר שההדפסה תושלם; בדוק כי הדיו למעשה מודפס על גבי המצע כמו סתימת הוא בעיה נפוצה.
    1. חכה מנורת אולטרה סגול (UV) על גבי מצע, אם ההדפסה לא פעלה יהיה משהו דומה איור7c; אחרת שם להיות luminescing סרט כמו איור 7d אם הפרוטוקול הנ ל פעל כהלכה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

אפיון מבנה גבישי

אפיון המבנה קריסטל חיוני בנוגע. הסינתזה של perovskites אי-אורגנית. רנטגן עקיפה (XRD) בוצעה באוויר בטמפרטורת החדר ב- diffractometer שימוש של 1.54 גל Cu-Kα מקור האור. באמצעות פרוטוקולים לעיל צריך להוביל מבנה המערכת הגבישית האורתורומבית בטמפרטורת החדר עבור הדיו נקודה קוונטית3 CsPbBr כמוצג באיור8.

XRD התוצאות, כפי שמוצג באיור8, מציינים כי הדיו QD גבישי CsPbBr3 לשמור על מבנה פרוביסקיט בטמפרטורת החדר האורתורומבית לאחר תהליך ההדפסה הזרקת דיו, בהסכם טוב עם דיווחים בספרות8 , 15 , 25 , 26. Scherrer משוואת27 יכול לשמש בשילוב עם התפלגות הרגיל Lorentzian התאמה פונקציה של הפסגה בראג (220), כדי לקבוע את גודל נקודה קוונטית, אשר במקרה הזה הוא בערך 5.5 nm בקוטר. המשוואה Scherrer מוצג להלן.
Equation
איפה D הקוטר של הנקודה הקוונטית, k הוא גורם צורה שהוא, λ הוא אורך הגל רנטגן, β הוא רוחב המלא מקסימום חצי-השיא ברדיאנים, θ באמצעות הוא הזווית עקיפה בראג. A גורם צורה, k = 0.89 אשר משמש עבור קוביית כמו חלקיקים, היה מנוצל של חישובים28.

הקליטה אופטי ואפיון ספקטרוסקופיה פוטולומיניסנציה

זה ידוע כי המאפיינים אופטי של אלה נקודות קוונטיות פרוביסקיט אורגניים רגישים גודל נקודה קוונטית, סטויכיומטריה של אי-אורגנית (הקטיון), הליד (אניון) אטומים. שינויים קטנים בגודל או סטויכיומטריה של הנקודות קוונטית יוביל ספיגה שונות ופרופילים הפריה חוץ גופית. הקליטה אופטי, פוטולומיניסנציה בוצעו עם הלוגן דאוטריום מקור אור מצויד, ספקטרומטר ברזולוציה גבוהה UV-Near אינפרא-אדום (UV-ניר) איפה טווח אורך הגל של המנורה דאוטריום 210-400 ננומטר, אורך הגל מנורת הלוגן טווח הוא 360-1500 ננומטר. איור 8ב', מוצג הפרופיל פוטולומיניסנציה (עיקול שחור) CsPbBr3 ואת המיקום השיא הוא ≈ 520 ננומטר. באופן דומה, איור 8ב', הפרופיל הקליטה אופטי (עיקול אדום) עבור CsPbBr3 מוצג עם שיא excitonic נצפו כ 440 ננומטר. הפרוטוקול הנ ל אם הוא מבוצע בהצלחה יביא פרופיל פוטולומיניסנציה הקליטה כמוצג באיור 8ב'.

אפיון האלקטרונית

Sourcemeter picoammeter, של multimeter שימשו כדי למדוד את עקומות זרם-מתח (I-V). מנתח עכבה שימש למדידת קיבול-מתח (C-V) עקומות. -V ומדידות C-V נלקחו לסרטים המודפסות בתנאים הכהים, כפי שמוצג 8 דמויות c ו- 8 d. ללא תאורה נמדדה זרם כהה של הרשות הפלסטינית 1.3 עם מתח V להחיל 1.0. תחת תאורה, עם מקור אור fluences של 14.1 mW/cm2, הזרם נמדד גדלה ליניארית אל 2.64 תואר שני בבית 1.0 V להחיל מתח. המראה של זרם אפס משמעותית, תחת תאורה אור, מציין כי הסרט הוא photoactive. הסרטים יכולים להפגין גבוה מאוד/ביטול יחסי, גבוה ככל 109, אשר מציע טוב יישומים פוטנציאליים הקשורים photodetection.

הסרטים מציגים קיבוליות נמוכה מאוד בתנאים כהה כאשר אין תאורה קיים, כפי שניתן לראות באיור 8ד'. תחת תאורה אור האפס-הטיה נמדד קיבוליות עולה כדי 14.45 nF. כאשר בתאורה אור קיבול שאינו אפס נמדד באפס בייאס הוא סממן נוסף כי הסרטים הם photoactive.

Figure 1
איור 1: סינתזה קודמן נקודה קוונטית. (א) קודמן אולאט צסיום ב שלוש מבחנות עורף 1 ו OAm-PbBr2 למבשר ב 3 צוואר הבקבוק תוויות 2. (ב) מכניסים oleylamine ו- PbBr2 3 צוואר הבקבוק. (ג) מיקסינג והפתרון קודמן חימום OAm-PbBr2 . (ד) קודמן2 OAm-PbBr יש להתמוססות מלאה, שימו לב לצבע צהוב כהה לשנות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: שיטת הזרקת קודמן. (א) חילוץ 1.375 מ של צסיום אולאט להזרקה. (ב) הזרקת צסיום אולאט לתוך פתרון2 OAm-PbBr. (ג) שינוי הצבע מהירה, היווצרות הפתרון נקודה קוונטית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: קרח טורקי, צריך שתוציאו. (א) הפתרון נקודה קוונטית מסונתז להניח קרח באמבטיה (ב) שני צינורות כמויות שוות של פתרון בצנטריפוגה. (ג) אבקת נקודה קוונטית בתחתית מבחנה עם הפתרון supernatant על העליונה, פוסט צריך שתוציאו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: גזירה מצע וצירופם הדפסת תבנית. (א) גזירה מצע איטו/חיית המחמד. (ב) התבנית הדפסה עם סובסטרט המצורפת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: הסרת ראש ההדפסה. (א) את ראש ההדפסה ניתן להסיר על ידי דחיפת ממש מעט כפי שצוין על-ידי החץ. (ב) לאחר הסרת את ראש ההדפסה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6: טעינת מחסניות דיו עם צבעי דיו נקודה קוונטית. (א) הזרקת דיו לתוך דיו מחסניות באמצעות פיפטה. (b) Inserting מלא דיו מחסנית לתוך ראש ההדפסה. (ג) Inserting שנותרו מחסניות דיו ריקים לתוך ראש ההדפסה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 7
איור 7: בדיקת האיכות והדפסת. (א) החדרת את מגש הדיסק לתוך המדפסת. (ב) הקשה על לחצן כתום מהבהב כדי להתחיל הליך ההדפסה. (ג) הדפסה נכשל כמו סרט קיים בתאורה UV. (ד) מוצלחת הדפסה כמצוין על-ידי הנוכחות של הסרט בתאורה UV. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 8
איור 8: פוסט אפיון הדפסה. (a) ספקטרום רנטגן עקיפה עבור CsPbBr3- (ב) ספקטרום הבליעה אופטי (עיקול אדום), פוטולומיניסנציה ספקטרום (עיקול שחור). (ג) ספקטרום זרם-מתח של CsPbBr3 בתאורה (עיקול אדום) ו בחושך (עיקול כחול). (ד) קיבוליות מתח-ספקטרום CsPbBr3 בתאורה (עיקול אדום) ו בחושך (עיקול כחול). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ישנם פרמטרים רבים מעורבים בתהליך ההדפסה הזרקת דיו המשפיעות על הסרט המודפס הסופי. הדיון בכל הפרמטרים האלו מעבר להיקף של פרוטוקול זה, אך כמו פרוטוקול זה מתמקד המבוסס על פתרון סינתזה ושיטת התצהיר, זה הולם לתת השוואה קצרה בשיטות אחרות התצהיר המבוסס על פתרון ידוע: שיטת ציפוי ספין ובשיטת הרופא-להב.

השיטה ספין-ציפוי מהירה מאוד, מפיק סרטים אחיד, בעלות נמוכה. עובי הסרט יכולים להיות מגוונים על-ידי התאמת את צמיגות ואת מהירות הסיבוב של coater ספין. ציפוי ספין ידוע להיות בזבזנים, כי רוב החומר הוצאת מעל פני השטח לאחר ספינינג. ספין-ציפוי איטי גם כי התהליך הוא מדגם על ידי דגימה, ובכך ספין-ציפוי אינה מתאימה לצורך עיבוד בקנה מידה גדול. בצד השני היא השיטה להב רופא שהוא גם זולה ופשוטה. היתרון האמיתי הוא עובי אחיד של הסרטים, אך השיטה הרופא-להב איטי מאוד, כמות עצומה של חומרי פסולת. מדפסת הזרקת דיו כמו שיטות ספין-ציפוי וגם הרופא-להב הוא העלות הנמוכה. היכולת להדפיס על ידי עיצוב הוא יתרון גדול על מדפסת הזרקת דיו לעומת רופא-אותי מצחוק ו ספין-ציפוי. גם, מדפסת הזרקת דיו היא היעילה ביותר מבחינת חומרים בשימוש לעומת חומרים מבוזבז. מדפסת הזרקת דיו היא גם מתאימה על שטחים גדולים, שטנץ מהירה. תכונות אלה מציעה מדפסת הזרקת דיו יש פוטנציאל גבוה לייצור גליל לגליל עם תכונת combinatoric נוספת.

למרות מדפסת הזרקת דיו הוא מבטיח התצהיר. טכניקה הם כמה מגבלות: סתימת ראש מדפסת, מוגבל מספר ממיסים להדפסה, ואת הסרט הומוגניות. המגבלה הגדולה ביותר מבחינת צדדיות מתייחס ממיסים בשימוש המדפסת, לא כל ממיס מתאים, במקרים מסוימים יכולים לגרום נזק את רכיבי ההדפסה. לדוגמה, זה כנראה לא רעיון טוב להשתמש אצטון הממס דיו, כמו זה להתייבש, או לפזר לאחדים מהרכיבים מדפסת. ממיסים מסוימים יגרום להרחבת גומי gaskets ראש ההדפסה ובאזורים אחרים. אם כל פריט נראה הרחיבו במהלך תהליך ההדפסה, למקם אותו במים חמים למשך 10 דקות, לאפשר לו להתייבש לחלוטין, להחזירו לגודלו הרגיל.

ראשי המדפסת סתומים במכשול נוסף, שומר אותם נקי היא שלב קריטי פרוטוקול זה. הרכיבים מדפסת חייב להישמר נקי לפני כדי ורשום הדפסה. ראש ההדפסה מכיל נגדים מתכתי עם gaskets גומי המקיפים אותם בכל החריצים של מחסנית הדיו. האטמים לשרת את המטרה של שמירה חותם בין של מחסנית הדיו לראש המדפסת. חשוב לשמור את ראש ההדפסה ואת אטמים נקי ככל האפשר. יתר על כן, להיות עדין בעת הסרת אטמים כפי שהם עלולים להיפגע בעת ההסרה.

המימוש של עלות נמוכה, ביצועים גבוהים תא פוטו-וולטאי להדפסה חומרים היא שדרה אחת להשגת יעילות גבוהה גבוהה ויציבות דור אנרגיה נמוכים ביישומים נישה, עדיין יכול לאפשר פריסה בקנה מידה גדול, אבל איפה חומרים מבוססי סיליקון הם לא תחרותיים. יתר על כן, ברצון גליל לגליל ראש דיו הדפסה שיטת מספק בסיס מציאותי מדרגי אלקטרוניקה "להדפסה". עם מספר עצום של מצעים זמינים, דיו, מדפסת הזרקת דיו מאפשר גישה הזיוף של מכשירים אלקטרוניים קל משקל, גמיש, צריכת חשמל נמוכה עבור מגוון רחב של יישומים. מ טרנזיסטורים כדי מציג נקודה קוונטית photovoltaics, מדפסת הזרקת דיו הוא שדה מרגש של ייצור המכשיר ומראה הבטחה גדולה. אם נעשה שימוש בשיתוף עם קבוצת עיצוב כללים מדפסת הזרקת דיו יכול לשמש ככלי עבור הנדסת חומרים להדפסה עם המאפיינים הרצויים עבור יישומים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים יש שאין ניגודי אינטרסים כספיים ואין לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע, דרך MRSEC של נברסקה (גרנט DMR-1420645), צ'ה-1565692, ואת צ'ה-145533, כמו גם המרכז נברסקה למחקר מדעי האנרגיה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Oleic acid, 90% Sigma Aldrich 364525 Technical grade
Oleylamine, 70% Sigma Aldrich O7805 Technical grade
1-octadecene, 90% Sigma Aldrich O806 Technical grade
Acetone, >95% Fisher 67641 Certified ACS
Cesium Carbonate, 99% Chem-Impex 1955 Assay
Hexane, 98.5% Sigma Aldrich 178918 Mixture of isomers
Cyclohexane, 99.9% Sigma Aldrich 110827
Lead(II) bromide, 98% Sigma Aldrich 211141
Lead(II) iodide, 99% Sigma Aldrich 211168

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Weber, D. CH3NH3PbX3, ein Pb(II)-System mit kubischer Perowskitstruktur / CH3NH3PbX3, a Pb(II)-System with Cubic Perovskite Structure. Zeitschrift für Naturforschung B. 33, 1443-1445 (1978).
  2. Weber, D. ( x = 0-3 ), ein Sn ( II ) -System mit kubischer Perowskitstruktur. Zeitschrift für Naturforschung B. 33, 862-865 (1978).
  3. Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., Miyasaka, T. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. Journal of the American Chemical Society. 131, 6050-6051 (2009).
  4. National Renewable Energy Laboratory NREL Best Research-Cell Efficiencies. , Available from: https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png (2018).
  5. Chen, Z., Wang, J. J., Ren, Y., Yu, C., Shum, K. Schottky solar cells based on CsSnI 3 thin-films. Applied Physics Letters. 101 (9), 93901 (2012).
  6. Sanehira, E. M., et al. Enhanced mobility CsPbI 3 quantum dot arrays for record-efficiency, high-voltage photovoltaic cells. Science Advances. 3 (10), 4204 (2017).
  7. Jia, Y., Kerner, R. A., Grede, A. J., Rand, B. P., Giebink, N. C. Continuous-wave lasing in an organic-inorganic lead halide perovskite semiconductor. Nature Photonics. 11 (12), 784-788 (2017).
  8. Eaton, S. W., et al. Lasing in robust cesium lead halide perovskite nanowires. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (8), 1993 (2016).
  9. Yakunin, S., et al. Low-threshold amplified spontaneous emission and lasing from colloidal nanocrystals of caesium lead halide perovskites. Nature Communications. 6, 1-8 (2015).
  10. Fu, Y., et al. Broad Wavelength Tunable Robust Lasing from Single-Crystal Nanowires of Cesium Lead Halide Perovskites (CsPbX3, X = Cl, Br, I). ACS Nano. 10 (8), 7963-7972 (2016).
  11. Jeong, B., et al. All-Inorganic CsPbI 3 Perovskite Phase-Stabilized by Poly(ethylene oxide) for Red-Light-Emitting Diodes. Advanced Functional Materials. , 1706401 (2018).
  12. Pan, J., et al. Bidentate Ligand-Passivated CsPbI3Perovskite Nanocrystals for Stable Near-Unity Photoluminescence Quantum Yield and Efficient Red Light-Emitting Diodes. Journal of the American Chemical Society. 140 (2), 562-565 (2018).
  13. Xiao, Z., et al. Efficient perovskite light-emitting diodes featuring nanometre-sized crystallites. Nature Photonics. 11 (2), 108-115 (2017).
  14. Stoumpos, C. C., et al. Crystal growth of the perovskite semiconductor CsPbBr3: A new material for high-energy radiation detection. Crystal Growth and Design. 13 (7), 2722-2727 (2013).
  15. Ilie, C. C., et al. Inkjet printable-photoactive all inorganic perovskite films with long effective photocarrier lifetimes. Journal of Physics Condensed Matter. 30 (18), 18LT02 (2018).
  16. Shoaib, M., et al. Directional Growth of Ultralong CsPbBr3Perovskite Nanowires for High-Performance Photodetectors. Journal of the American Chemical Society. 139 (44), 15592-15595 (2017).
  17. Swarnkar, A., et al. Quantum dot-induced phase stabilization of a-CsPbI3 perovskite for high-efficiency photovoltaics. Science. 354 (6308), 92-96 (2016).
  18. Kumar, M. H., et al. Lead-free halide perovskite solar cells with high photocurrents realized through vacancy modulation. Advanced Materials. 26 (41), 7122-7127 (2014).
  19. Burschka, J., et al. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature. 499 (7458), 316-319 (2013).
  20. Dirin, D. N., Cherniukh, I., Yakunin, S., Shynkarenko, Y., Kovalenko, M. V. Solution-Grown CsPbBr 3 Perovskite Single Crystals for Photon Detection. Chemistry of Materials. 28 (23), 8470-8474 (2016).
  21. Zhou, H., et al. Vapor Growth and Tunable Lasing of Band Gap Engineered Cesium Lead Halide Perovskite Micro/Nanorods with Triangular Cross Section. ACS Nano. 11 (2), 1189-1195 (2017).
  22. Teng, K. F., Vest, R. W. Application of Ink Jet Technology on Photovoltaic Metallization. IEEE Electron Device Letters. 9 (11), 591-593 (1988).
  23. Habas, S. E., Platt, H. aS., van Hest, M. F. A. M., Ginley, D. S. Low-Cost Inorganic Solar Cells: From Ink To Printed Device. Chemical Reviews. 110 (11), 6571-6594 (2010).
  24. Leenen, M. A. M., Arning, V., Thiem, H., Steiger, J., Anselmann, R. Printable electronics: Flexibility for the future. Physica Status Solidi (A) Applications and Materials Science. 206 (4), 588-597 (2009).
  25. Koolyk, M., Amgar, D., Aharon, S., Etgar, L. Kinetics of cesium lead halide perovskite nanoparticle growth; focusing and de-focusing of size distribution. Nanoscale. 8 (12), 6403-6409 (2016).
  26. Palazon, F., Di Stasio, F., Lauciello, S., Krahne, R., Prato, M., Manna, L. Evolution of CsPbBr 3 nanocrystals upon post-synthesis annealing under an inert atmosphere. Journal of Materials Chemistry C. 4 (39), 9179-9182 (2016).
  27. Scherrer, P. Bestimmung der Größe und der inneren Struktur von Kolloidteilchen mittels Röntgenstrahlen. Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen. Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse. 2, 98-100 (1918).
  28. Shekhirev, M., Goza, J., Teeter, J., Lipatov, A., Sinitiskii, A. Synthesis of Cesium Lead Halide Quantum Dots. Journal of Chemical Education. 94 (8), 1150-1156 (2017).

Tags

כימיה גיליון 143 מדפסת הזרקת דיו perovskites אי-אורגנית צבעי נקודה קוונטית פוטו דיו ראש דיו הדפסה תאים סולריים
הדפסת צבעי הדיו פרוביסקיט הליד אורגניים ליישומים פוטו הזרקת דיו
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Richmond, D., McCormick, M.,… More

Richmond, D., McCormick, M., Ekanayaka, T. K., Teeter, J. D., Swanson, B. L., Benker, N., Hao, G., Sikich, S., Enders, A., Sinitskii, A., Ilie, C. C., Dowben, P. A., Yost, A. J. Inkjet Printing All Inorganic Halide Perovskite Inks for Photovoltaic Applications. J. Vis. Exp. (143), e58760, doi:10.3791/58760 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter