Inkjet printen van alle anorganische halogenide perovskiet inkten voor fotovoltaïsche toepassingen

Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Een protocol voor de synthese van anorganische-lood-halogenide hybride perovskiet quantum dot inkt voor inkjet afdrukken en het protocol voor het voorbereiden en het afdrukken van de quantum dot inkten in een inkjetprinter met post karakterisering technieken worden gepresenteerd.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Een methode voor de synthese van de photoactive anorganische perovskiet quantum dot inkten en een inkjet printer afzetting methode, met behulp van de gesynthetiseerde inkten, worden gedemonstreerd. De synthese van de inkt is gebaseerd op een eenvoudige natte chemische reactie en het inkjet printing protocol is een facile stap voor stap methode. De inkjet afgedrukt dunne films gekenmerkt door röntgendiffractie, optische Absorptie spectroscopie, fotoluminescerende spectroscopie en elektronische vervoer metingen. Röntgendiffractie van de afgedrukte quantum dot films geeft een kristalstructuur die consistent zijn met een fase orthorhombisch kamertemperatuur met (001) oriëntatie. In combinatie met andere karakteriseringsmethoden tonen de röntgendiffractie metingen hoge kwaliteit films kunnen worden verkregen via welke afdrukmethode inkjet.

Introduction

Dieter Weber gesynthetiseerd de eerste hybride organisch-anorganische halogenide perovskites in 19781,2. Ongeveer 30 jaar later, in 2009, Akihiro Kojima en medewerkers gefabriceerd fotovoltaïsche apparaten met behulp van de dezelfde hybride organisch-anorganische halogenide perovskites gesynthetiseerd door Weber, namelijk, CH3NH3PbI3 en CH3NH3 PbBr3-3. Deze experimenten waren het begin van een daaropvolgende vloedgolf van onderzoek gericht op de fotovoltaïsche eigenschappen van hybride organisch-anorganische halogenide perovskites. Van 2009 tot 2018, het apparaat energie conversie-efficiëntie dramatisch steeg van 3,8%3 tot meer dan 23%4, hybride organisch-anorganische halogenide perovskites vergelijkbaar met Si gebaseerde zonnecellen maken. Als met de organisch-anorganische halogenide gebaseerde perovskites begonnen de anorganische halogenide gebaseerde perovskites tractie in de onderzoekgemeenschap rond 2012 wanneer de eerste fotovoltaïsche apparaat efficiëntie werd gemeten 0,9%5bereikt. Sinds 2012 hebben de alle anorganische halogenide gebaseerde perovskites een lange weg afgelegd met de efficiëntie van sommige apparaat gemeten worden meer dan 13% zoals in de 2017-studie door Sanehira et al. 6 de organische- en anorganische gebaseerde perovskites vinden toepassingen lasers7,8,9,10, licht emitterende diodes11, 12 , 13, energierijke straling detectie14,15,16van de detectie van de foto en natuurlijk fotovoltaïsche toepassingen5,15,17,18 . Bijna het laatste decennium, veel verschillende synthese technieken zijn voortgekomen uit wetenschappers en ingenieurs variërend van verwerkt oplossingsmethoden te vacuüm vapor deposition technieken19,20,21. De perovskites van de halogenide gesynthetiseerd met een oplossing-verwerkte methode zijn voordelig als ze kunnen gemakkelijk worden ingezet als inkt voor inkjet afdrukken van15.

In 1987 rapporteerde de eerste gebruik van inkjet afdrukken van zonnecellen werd gepresenteerd. Sindsdien, wetenschappers en ingenieurs hebben getracht manieren om af te drukken met succes alle anorganische zonnecellen met aantrekkelijke prestaties eigenschappen en lage uitvoering kost22. Er zijn vele voordelen aan inkjet afdrukken zonnecellen, in vergelijking met sommige van de gemeenschappelijke vacuüm gebaseerde fabricage methoden. Een belangrijk aspect van de afdrukmethode inkjet is dat oplossingsgerichte materialen zijn gebruikt als inkten. Dit opent de deur voor proeven van veel verschillende materialen, zoals anorganische perovskiet gebaseerde inkt, die kunnen worden gesynthetiseerd door facile natte chemische methoden. Met andere woorden, is inkjet afdrukken van zonnecel materialen een goedkope route naar snelle prototyping. Inkjetdruk heeft ook de voordelen van het kunnen grote afdrukgebieden op flexibele ondergronden en afdrukken door design bij lage temperaturen in atmosferische omstandigheden. Inkjetdruk is bovendien zeer geschikt voor massaproductie, waardoor realistische low-cost roll-to-roll uitvoering23,24.

In dit artikel bespreken we eerst de stappen betrokken bij de synthese van anorganische perovskiet quantum dot inkt voor inkjet afdrukken. Vervolgens beschrijven we de extra stappen voor het voorbereiden van inkten voor drukwerk en de feitelijke procedures voor inkjet afdrukken een photoactive film met behulp van een commercieel beschikbare inkjetprinter. Tot slot bespreken we de karakterisatie van de gedrukte films die nodig zijn om ervoor te zorgen dat de films zijn van goede chemische en crystal compositie voor Apparaatprestaties van hoge kwaliteit.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Let op: Raadpleeg de lab veiligheidsinformatiebladen (MSDS) voordat u verdergaat. De chemicaliën die worden gebruikt in deze synthese protocollen hebben verbonden gevaren voor de gezondheid. Daarnaast hebben nanomaterialen extra risico's in vergelijking met hun tegenhanger van de bulk. Gebruik alle passende veiligheidspraktijken bij het uitvoeren van een reactie van de nanocrystal met inbegrip van het gebruik van een zuurkast of ' glovebox ' en de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen (veiligheidsbril, handschoenen, laboratoriumjas, broek, gesloten-teen schoenen, enz.).

1. precursor synthese

  1. Cesium OLEAAT voorloper synthese
    Opmerking: Cesium OLEAAT wordt gesynthetiseerd in de omgeving van een N-2 .
    1. 0.203 g van cesium carbonaat (Cs2CO3), 10 mL octadecene (ODE) en 1.025 milliliters oliezuur (OA) tot een drie necked ronde onder roeren kolf toevoegen. De drie necked ronde onderkant kolf gedurende cesium OLEAAT voorloper heet 1 in Figuur 1a.
    2. Plaats een thermometer of het thermokoppel in één van de nek via een rubberstop.
    3. Plaats een rubber tussenschot in een van de resterende nek en koppelt vervolgens de derde en laatste nek aan een stikstof gas lijn via een Schlenk lijn. Plaats het mengsel in een gasvormige stikstof atmosfeer.
    4. Verwarm het mengsel tot 150 ° C met constant roeren met een opzwepende snelheid van 399 mm/s met behulp van een 2,54 cm magnetische roer bar tot de Cs2CO3 volledig oplost.
    5. Verlaag de temperatuur tot 100 ° C, neerslag en ontleding van de cesium OLEAAT en laat roeren met dezelfde roeren snelheid zoals in stap 1.1.4 te voorkomen.
  2. Oleylamine-PbBr2 precursor synthese
    Opmerking: Oleylamine-PbBr2 voorloper wordt gesynthetiseerd in de omgeving van een N-2 .
    1. Voeg 37,5 mL ODE, 7,5 mL oleylamine (OAm), 3,75 milliliters OA en 1.35 mmol van PbBr2 in een andere drie necked ronde onder roeren kolf. De drie necked ronde onder roeren kolf voor OAm-PbBr2 2 in Figuur 1a heet. Figuur 1b geeft de ongemengde voorloper oplossing.
    2. Plaats een thermometer of het thermokoppel in één van de nek en plaats van een soort polymeer film rond thermometer/thermokoppel nek verzegelen, Zie Figuur 1.
    3. Plaats een rubberstop in één van de resterende nek en koppelt vervolgens de derde en laatste nek aan een stikstof gas lijn via een Schlenk-lijn. Plaats mengsel onder gasvormige stikstof atmosfeer.
    4. Verwarm het mengsel tot 100 ° C, waarbij voortdurend wordt geroerd met een opzwepende snelheid van 599 mm/s met behulp van een magnetische roer bar tot de PbBr2 is volledig opgelost. De oplossing van de voorloper onder constant roeren is weergegeven in Figuur 1c en de oplossing volledig opgeloste voorloper is getoond in Figuur 1d.
    5. Verwarm het mengsel tot 170 ° C met constant roeren, merkt dat het mengsel ondergaat een kleurverandering te donker geel na bereiken van 170 ° C zoals te zien in Figuur 1overleden verlaten roeren tot 170 ° C warmte.

2. CsPbBr3 Quantum Dot synthese

  1. Met behulp van een injectiespuit 2 mL glas, met een 10 cm lange 18 gauge naald, extract 1,375 milliliters cesium OLEAAT voorloper uit drie nek kolf via de rubber tussenschot, zoals weergegeven in Figuur 2een.
  2. Snel injecteren, via de rubber tussenschot, de 1,375 mL van cesium OLEAAT voorloper in de maatkolf van de drie nek met de voorloper van de2 OAm-PbBr, zoals aangegeven in Figuur 2b. Er moet een waarneembare kleur te veranderen, een briljante geel-groen, zoals afgebeeld in Figuur 2c.
  3. Na het injecteren van de cesium OLEAAT voorloper, wacht 5 s, de drie nek kolf Haal van het vuur en plaats van de drie-nek ronde onderkant kolf in een bad met ijs/water bij 0 ° C, zoals afgebeeld in Figuur 3een.
  4. Scheiden de oplossing in de kolf van drie nek even in 2 reageerbuisjes, ongeveer 25 mL per reageerbuis.
  5. 25mL aceton toevoegen aan elke supernatant oplossingen, dan scheiden met centrifuge met behulp van parameters hieronder.
  6. Scheid de quantumdots met behulp van een centrifuge op 2431.65 x g gedurende 5 minuten bij kamertemperatuur instelling, zoals weergegeven in Figuur 3b.
  7. Scheid het supernatant en gecentrifugeerde quantumdots, zoals aangegeven in Figuur 3 c, door het supernatant gieten in een lege reageerbuis.
  8. Ten slotte, Los de gescheiden quantumdots in 10-25 mL van hexanes of cyclohexanes. Deze oplossing kan dan worden gebruikt als een inkt in de inkjet printer cartridges voor afdrukken dunne lagen.
    Opmerking: Een commercieel beschikbare inkjetprinter werd gebruikt voor het afdrukken van alle quantum dot dunne films van de anorganische halogenide gebaseerde perovskiet inkten. In dit protocol substraten van amorfe glas en Indium tin oxide gecoate polyethyleentereftalaat (ITO/PET) werden gebruikt tijdens de metingen. Om ervoor te zorgen dat het oppervlak van het substraat schoon voordat u gaat afdrukken, waren de substraten gereinigd met behulp van een aceton wassen, gevolgd door een methanol-wassen.

3. reinigen het hoofd van de Printer

  1. Controleer eerst of de printer is aangesloten en de macht die toegang te krijgen tot de inktcartridges en het hoofd van de printer zijn ingeschakeld.
  2. Verwijder de inktcartridges uit de printer hoofd, open van de bovenkant van de printer en wachten tot de inktcartridges terug te keren naar de middenpositie en de rode lichten onder de inktcartridges te verlichten en verwijder vervolgens alle cartridges.
  3. De printerkop iets naar rechts verplaatst en trek de wacht op de inkt lade zodat de lade te blijven op hun plaats, zoals weergegeven in Figuur 4. Reiken naar de achterkant van de lade van de inkt en het knijpen van de kunststof scheidingslijn scheiden van de twee helften van de printerkop. Trek voorzichtig en de printerkop zullen gemakkelijk worden verwijderd.
  4. Voor de reiniging van de printkop, een schotel met een paar millimeter van warm water te bereiden. Plaats de printkop in het water met de spleten onderaan ondergedompeld. Vermijd contact tussen de groene elektronische onderdelen op de rug en het water omdat dit heeft het potentieel om te doen schade aan de printkop.
  5. Gebruik een pipet en warm water om druppel water op de weerstanden. Laat de printerkop in warm water gedurende 1-2 uur zitten.
  6. Zodra gebeëindigd onderdompelen in warm water, plaats van het hoofd van de printer op een lab weefsel en laat ze drogen van ten minste 20 min. vermijden afvegen van de onderkant van de printerkop, omdat de vezels van de Wisser kunnen vast komen te zitten in de spleten waar inkt is afgeleverd.
  7. De printerkop terug naar haar positie en duw de bewaker terug op de oorspronkelijke positie.

4. bij afdrukken perovskiet Quantum Dot inkt

Opmerking: Dit protocol gebruikt een inkjetprinter die de mogelijkheid omvat om afdrukken van CD-labels op cd's met behulp van een rigide CD-lade. Het wordt aanbevolen voor afdrukken perovskites, dat een knip een gewenste vorm en grootte van het substraat en vervolgens afdrukken de exacte grootte en vorm van het gewenste substraat op de CD-schijf zelf met zwarte inkt, zoals afgebeeld in Figuur 5.

  1. Een rechte lijn tekenen aan de rand van de schijf en blijven het op de CD-lade. Op deze manier de CD-sjabloon kan worden opgesteld dezelfde manier elke keer en zorgen de inkten worden afgedrukt in de gewenste locatie.
  2. Het substraat op de beelden van de inkt afgedrukt op de schijf plaatst. Het substraat kan worden gehouden in plaats met behulp van dubbele dubbelzijdige tape of sommige andere lijm, zoals weergegeven in Figuur 5b.
  3. Voor het vullen van de inktcartridges, zorgen de oranje cover correct is geïnstalleerd op de onderzijde van de inktcartridge, zoals aangegeven in Figuur 6een. Dit zal verhinderen dat inkt morsen uit de bodem van de cartridge.
  4. Zodra de inkt oplossing is gemaakt, zoals in stap 2.9, en de dekking op de cartridge is, gebruikt een pipet te injecteren de quantum dot inkt in de bovenkant van de inktcartridge, zoals weergegeven in Figuur 6een.
    Opmerking: De quantum dot inkt zal worden geabsorbeerd door de spons totdat het verzadigd en de resterende inkt in het compartiment naast de spons zal worden opgeslagen. Vermijd teveel vullen van dit compartiment, omdat inkt vanaf de bovenkant ontsnappen kan wanneer het bijna vol raakt.
  5. Zodra de cartridge wordt gevuld met het gewenste bedrag, de top met de rubberstop sluit en verwijder zorgvuldig de oranje onderkant. Wees voorbereid op een beetje inkt te ontsnappen via de bodem, bij het uitvoeren van deze actie.
  6. Plaats de inktcartridge in de printer en zorg ervoor dat deze van vastklikt wordt, zoals aangegeven in figuur 6b, zorg ervoor dat de resterende cartridges, lege of volledige voordat u verdergaat met de volgende stap, zoals aangegeven in Figuur 6c invoegen.
  7. Close-up van de printer en wacht op het hoofd van de printer terug te keren naar de ver rechts van de printer.
  8. Zorg ervoor dat de kleuren van de afbeeldingen wordt afgedrukt correspondeert met de kleur van de inkt-cartridge met de quantumdots. Een solide imago van cyaan, magenta of geel bleken te werken het beste (zwarte is lastig, want er twee zwarte cartridges zijn).
  9. Klik op afdrukken in de rechterbenedenhoek en volg de aanwijzingen op het scherm instructies.
  10. Terwijl de printer is warming-up, Controleer dat de schijf correct wordt uitgelijnd op de schijf lade, zodanig dat het beeld op het scherm wordt afgedrukt, precies waar verwacht.
  11. Een instructie verschijnt op het scherm die leidt de gebruiker open de klep van de schijf op de printer en schuif de schijf lade met de schijf in de machine. Deze actie uitvoeren en vervolgens drukt u op de knop hervatten (oranje knippert) op de printer of klik op de knop "OK" op het scherm, zoals in figuur 7a en 7b.
  12. Op dit punt accepteert de printer de schijf lade en afdrukken perovskites op de drager vervagen, nadat het afdrukken is voltooid; Controleer is dat de inkt werkelijk worden afgedrukt op het substraat als verstopping een veelvoorkomend probleem.
    1. Houd een ultra violet (UV) lamp boven het substraat, als het afdrukken niet werkt zal er iets gelijkend op Figuur 7c; anders zal er worden luminescing film zoals in Figuur 7d als het bovenstaande protocol goed gewerkt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Kristalstructuur karakterisering

Karakterisering van de kristalstructuur is van vitaal belang met betrekking tot de synthese van de anorganische perovskites. Röntgendiffractie (XRD) werd uitgevoerd in lucht bij kamertemperatuur op een diffractometer met behulp van een 1,54 Å golflengte Cu-Kα lichtbron. Met behulp van de bovenstaande protocollen moet leiden tot een kamertemperatuur orthorhombisch kristalstructuur voor de CsPbBr3 quantum dot inkten, zoals weergegeven in Figuur 8een.

De XRD resultaten, zoals weergegeven in Figuur 8a, aangeven dat de kristallijnen CsPbBr3 QD inkten een orthorhombisch kamertemperatuur perovskiet structuur na het afdrukproces inkjet, goed akkoord met rapporten in de literatuur8 handhaven , 15 , 25 , 26. de Scherrer vergelijking27 kan worden gebruikt in combinatie met een Lorentz standaardverdeling functie van de (220) Bragg piek, passend om te bepalen van de quantum dot grootte, die in dit geval ongeveer 5.5 is nm in diameter. De vergelijking Scherrer is hieronder weergegeven,
Equation
waar D is de diameter van de quantum dot, k is een dimensieloze vorm factor, λ de golflengte X-ray is, β is de volle breedte op halve-maximum van de piek in radialen en θ is de hoek van de diffractie Bragg. Een vorm factor, k = 0,89 die is gebruikt voor kubus zoals nanodeeltjes, werd gebruikt in de berekeningen28.

Optische absorptie en fotoluminescentie spectroscopie karakterisering

Het is algemeen bekend dat de optische eigenschappen van deze anorganische perovskiet quantumdots gevoelig voor quantum dot grootte en stoichiometrie van de anorganische (kation) en halogenide (anion) atomen zijn. Kleine wijzigingen in de grootte of de stoichiometrie van de quantumdots zal leiden tot verschillende absorptie en luminescentie profielen. Optische absorptie en fotoluminescentie werden uitgevoerd met een Deuterium-Halogeen lichtbron uitgerust met een infrarood UV-Near (UV-NIR) hoge resolutie spectrometer, waar het golflengtegebied van deuterium lamp 210-400 nm en de golflengte van de halogeen lamp is bereik is 360-1500 nm. In Figuur 8b, het fotoluminescentie Profiel (zwarte kromme) voor CsPbBr3 wordt weergegeven en de positie van de piek is ≈ 520 nm. Ook in Figuur 8b, het optische absorptie-Profiel (rode curve) voor CsPbBr3 wordt weergegeven met een excitonic piek waargenomen rond 440 nm. Het bovenstaande protocol als uitgevoerd moet resulteren in een profiel fotoluminescentie en absorptie, zoals weergegeven in Figuur 8b.

Elektronische vervoer karakterisering

Een sourcemeter, een picoammeter en een multimeter werden gebruikt voor het meten van de stroom-spanning (I-V) bochten. Een impedantie-analysator werd gebruikt voor het meten van elektrische capaciteit-spanning (C-V) bochten. I-V en C-V metingen werden genomen voor gedrukte films in donkere en lichte omstandigheden, zoals in figuren 8 c en 8 d. Zonder verlichting werd een donkere stroom van 1.3 pA bij 1,0 V toegepast spanning gemeten. Onder belichting, met lichtbron fluences voor 14,1 mW/cm2, verhoogd de gemeten huidige lineair tot 2,64 mA op 1.0 V spanning toegepast. Het uiterlijk van een aanzienlijke niet-nulzijnde stroming, onder lichte verlichting, geeft aan dat de film photoactive. De films kunnen vertonen zeer hoog in- / uitschakelen ratio's, zo hoog als 109, die goede toepassingsmogelijkheden gerelateerde te photodetection suggereert.

De films vertonen zeer lage capaciteit onder donkere omstandigheden wanneer geen verlichting ontbreekt niet, zoals te zien is in Figuur 8d. Onder lichte verlichting de nul-bias gemeten capaciteit verhogingen 14,45 nF. Wanneer onder lichte verlichting een gemeten capaciteit voor niet-nulzijnde op nul-bias een andere aanwijzing is dat de films photoactive zijn.

Figure 1
Figuur 1: Quantum Dot voorloper synthese. (a) de cesium OLEAAT voorloper in drie necked kolven 1 en de voorloper van de2 OAm-PbBr in drie necked kolf Label Label 2. (b) oleylamine en PbBr2 in drie necked kolf brengen. (c) mengen en verwarming OAm-PbBr2 precursor oplossing. (d) OAm-PbBr2 voorloper is volledig opgelost, merken de donker gele kleur wijzigen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: voorloper injectie methode. (a) extractie 1,375 milliliters cesium OLEAAT voor injectie. (b) het injecteren van cesium OLEAAT in OAm-PbBr2 oplossing. (c) snelle kleurverandering en vorming van quantum dot oplossing. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: ijs bad en centrifugeren. (a) de gesynthetiseerde quantum dot oplossing geplaatst in ijs bad b twee buizen met gelijke hoeveelheden van de oplossing in centrifuge geplaatst. (c) de quantum dot poeder op de bodem van de proefbuis met de bovenstaande oplossing op de top, post centrifugeren. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: Cutting substraat en koppelen aan afdrukken sjabloon. (a) het uitsnijden van ITO/PET substraat. (b) de sjabloon afdrukken met bijgevoegde substraat. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5: het verwijderen van de printkop. (a) de printerkop kan worden verwijderd door te drukken rechts iets als aangegeven door de pijl. (b) nadat de printerkop is verwijderd. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 6
Figuur 6: laden inktcartridges met Quantum Dot inkten. (a) het injecteren van inkten in inkt cartridges via een pipet. (b) invoegen gevuld inkt cartridge in de printkop. (c) invoegen resterende lege inktcartridges in de printkop. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 7
Figuur 7: afdrukken en kwaliteitscontrole. (a) het invoegen van de schijf lade in de printer. (b) de oranje knipperende knop om te beginnen met afdrukken procedure te drukken. (c) een mislukte afdrukken als geen film is aanwezig onder UV-belichting. (d) een geslaagde afdrukken zoals aangegeven door de aanwezigheid van film onder UV-belichting. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 8
Figuur 8: Post afdrukken karakterisering. (a) röntgendiffractie spectrum voor CsPbBr3. (b) optische absorptiespectrum (rode curve) en fotoluminescentie spectrum (zwarte curve). (c) stroom-spanning spectrum voor CsPbBr3 onder verlichting (rode curve) en in het donker (blauwe curve). (d) capaciteit-spanning spectrum voor CsPbBr3 onder verlichting (rode curve) en in het donker (blauwe curve). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Er zijn vele parameters die betrokken zijn bij het drukproces van inkjet die invloed hebben op het uiteindelijke gedrukte film. De behandeling van alle deze parameters valt buiten het bestek van dit protocol, maar als dit protocol is gericht op een oplossingsgerichte synthese en afzetting methode, het is aangewezen om een korte vergelijking met andere bekende oplossingsgerichte afzetting methoden: de spin-coating methode en de arts-blade-methode.

De spin-coating-methode is zeer snel, produceert uniforme films en lage kosten is. De laagdikte kan worden gevarieerd door aanpassing van de viscositeit en de rotatiesnelheid van de spin-coater. Spin-coating is bekend als zeer verkwistend, omdat de meeste van het materiaal wordt uitgeworpen uit het oppervlak na spinnen. Spin-coating is ook traag, omdat het proces monster door monster, spin coating is dus niet geschikt voor verwerking van de grote schaal. Aan de andere kant is de arts-blade-methode die ook lage kosten en eenvoudig. Het echte voordeel is de dikte van de films, maar de arts-blade-methode is erg traag en afval van een enorme hoeveelheid van de materialen. Inkjetdruk als zowel de spin-coating en de arts-blade methoden is lage kosten. De mogelijkheid om af te drukken door design is een groot voordeel aan inkjetdruk vergeleken met arts-blading en spin-coating. Inkjetdruk is ook zeer efficiënt in termen van gebruikte versus materialen verspild materialen. Inkjetdruk is ook geschikt voor grote gebieden en snelle prototyping. Deze functies stellen voor inkjet afdrukken heeft een groot potentieel voor roll-to-roll productie met een extra functie van de combinatoriek.

Hoewel inkjetdruk is een veelbelovende afzetting techniek er wel enkele beperkingen: printer hoofd verstopping, beperkt aantal afdrukbare oplosmiddelen en homogeniteit van de film. De grootste beperking in termen van veelzijdigheid heeft betrekking op de extractiemiddelen bij de printer, niet elke oplosmiddel is passende en in sommige gevallen de afdrukonderdelen kan beschadigen. Bijvoorbeeld, is het waarschijnlijk niet een goed idee om het gebruik van aceton als het inkt oplosmiddel, zoals dit zal uitdrogen of sommige van de componenten van de printer los. Sommige oplosmiddelen zal de uitbreiding van rubberdichting veroorzaken in de printkop en andere gebieden. Als een stuk lijkt te hebben uitgebreid tijdens het drukproces, plaatst u deze in warm water gedurende 10 minuten en laat het geheel drogen het terug te keren naar normale grootte.

Verstopte printer hoofden zijn een ander obstakel en hen schoon te houden is een cruciale stap in dit protocol. De printer onderdelen moeten schoon voorafgaand aan en na afdrukken. De printerkop bevat metalen weerstanden met rubberdichting rondom hen in elk van de inkt cartridge "slots". De pakkingen dienen het doel van het houden van een afdichting tussen de inktcartridge en het hoofd van de printer. Het is belangrijk om de printkop en pakkingen te houden zo schoon mogelijk. Bovendien worden zacht bij het verwijderen van pakkingen, zoals zij kunnen worden beschadigd na verwijdering.

De realisatie van lage kosten en hoge prestaties zonnecel afdrukbare materialen is een laan voor het bereiken van hoge efficiëntie, hoge stabiliteit en lage kosten van de energieproductie in niche-toepassingen, die mei nog toestaan voor implementatie op grote schaal, maar waar silicium gebaseerde materialen zijn niet concurrerend. Bovendien biedt het gemakkelijk roll-to-roll compatibel inkjet printing methode een basis voor realistisch schaalbare "afdrukbare" elektronica. Met een groot aantal beschikbare substraten en inkten biedt inkjetdruk toegang tot de fabricage van lichtgewicht, flexibele, low-power elektronica voor een breed scala aan toepassingen. Transistors quantum dot schermen aan zonne-energie, inkjet printing is een spannende gebied van fabricage van de apparaat en toont grote belofte. Als gebruikt in combinatie met een set van ontwerp regels inkjetdruk kan worden gebruikt als een instrument voor engineering afdrukbare materialen met gewenste eigenschappen voor toepassingen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben geen financiële conflicten van belang en hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd gesteund door de National Science Foundation, via de Nebraska MRSEC (Grant DMR-1420645), CHE-1565692, en CHE-145533, alsmede de Nebraska Center voor energie-wetenschappelijk onderzoek.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics