Inkjet utskrifter alla oorganiska halogenidföreningar perovskit bläck för solcellsapplikationer
Summary
Ett protokoll för syntetisera oorganiska-bly-halide hybrid perovskit quantum dot tryckfärger för bläckstråleskrivare och protokollet för att förbereda och skriva ut quantum dot bläck i en bläckstråleskrivare med post karakterisering tekniker presenteras.
Abstract
En metod för att syntetisera fotoaktiva oorganiska perovskit quantum dot bläck och en bläckstråle skrivare nedfall metod, med de syntetiserade bläck, demonstreras. Bläck syntesen baseras på en enkel våta kemiska reaktion och protokollet inkjet utskrifter är en lättköpt steg för steg-metod. Bläckstråleskrivare tryckt tunna filmer har präglats av röntgendiffraktion, optisk absorption spektroskopi, efterlysande spektroskopi och elektroniska transport mätningar. Röntgendiffraktion av tryckta quantum dot filmerna visar en kristallstruktur som är konsekvent med en Ortorombiska rumstemperatur fas med (001) orientering. I samband med andra metoder för karakterisering visar röntgendiffraktion mätningarna hög kvalitet filmer kan erhållas genom metoden inkjet utskrifter.
Introduction
Dieter Weber syntetiseras det första organiska-oorganiska hybrid halide perovskiter i 19781,2. Ungefär fabricerade 30 år senare, 2009, Akihiro Kojima och medarbetare solceller enheter som använder den samma organiska-oorganiska hybrid halide perovskiter syntetiseras av Weber, nämligen, CH3NH3PbI3 och CH3NH3 PbBr33. Dessa experiment var början av en efterföljande flodvåg av forskning med fokus på organiska-oorganiska hybrid halide perovskiter solceller egenskaper. Från 2009 till 2018, enhet makt verkningsgraden dramatiskt ökade från 3,8%3 till över 23%4, att göra organiska-oorganiska hybrid halide perovskiter jämförbar med Si-baserat solceller. Med den organiska-oorganiska halogenidföreningar-baserade perovskiter började den oorganiska halogenidföreningar-baserade perovskiter få dragkraft i forskarvärlden runt 2012 när den första solceller enhet effektiviteten mättes till 0,9%5. Sedan 2012 har de alla oorganiska halogenidföreningar-baserade perovskiter kommit långt med några enhet effektivitet mäts för att vara över 13% som i 2017 studien av Sanehira et al. 6 både de organiska- och oorganiska-baserade perovskiter hitta applikationer relaterade till lasrar7,8,9,10, light emitting dioder11, 12 , 13, hög energi strålning upptäckt14, foto identifiering15,16och naturligtvis solcellsapplikationer5,15,17,18 . Nästan det senaste decenniet, många olika syntes tekniker har dykt upp från forskare och ingenjörer från bearbetas lösningsmetoder vakuum ånga nedfall tekniker19,20,21. De halide perovskiter syntetiseras med en lösning-bearbetade metod är fördelaktigt eftersom de kan enkelt användas som bläck för inkjet printing15.
I 1987 rapporterade först användningen av bläckstråleutskrifter solceller presenterades. Sedan dess har forskare och ingenjörer har sökt sätt att framgångsrikt Skriv alla oorganiska solceller med attraktiva prestanda egenskaper och låg genomförandet kostar22. Det finns många fördelar med inkjet utskrifter solceller, jämfört med några av de gemensamma vakuum basera fabrication-metoderna. En viktig aspekt av den inkjet utskriftsmetoden är att lösning-baserade material används som bläck. Detta öppnar dörren för prövningar av många olika material, såsom oorganiska perovskit-bläck, som kan syntetiseras av lättköpt våtkemiska metoder. Med andra ord, är bläckstråleutskrifter solcell material en låg kostnad rutt till prototyper. Bläckstråleutskrifter har också fördelar av att kunna skriva stora områden på flexibla substrat och skriva av design vid låga temperaturer i atmosfäriska förhållanden. Bläckstråleskrivare är dessutom mycket lämpligt för massproduktion möjliggör realistiska låg kostnad rulle till rulle genomförandet23,24.
I denna artikel diskutera vi först de olika stegen med syntetisera oorganiska perovskit quantum dot tryckfärger för bläckstråleskrivare. Sedan beskriver vi de ytterligare steg för att förbereda bläck för utskrift och faktiska förfarandena för inkjet printing fotoaktiva film använder en kommersiellt tillgänglig inkjet-skrivare. Slutligen diskuterar vi karakterisering av de tryckta filmerna som är nödvändiga för att säkerställa filmerna är rätt kemiska och crystal sammansättning för högkvalitativa enhetens prestanda.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det finns många parametrar involverade i processen inkjet utskrifter som påverkar den slutliga tryckta filmen. Diskussionen om alla dessa parametrar är utanför ramen för detta protokoll, men eftersom detta protokoll fokuserar på en lösning-baserade syntes och nedfall metod, är det lämpligt att ge en kort jämförelse till andra välkända lösningsbaserade nedfall metoder: den Spin-beläggning metod och den läkare-bladet.
Metoden spin-beläggning är mycket snabb, producerar enhetlig…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av National Science Foundation, genom den Nebraska MRSEC (Grant DMR-1420645), CHE-1565692, och CHE-145533 samt Nebraska centrum för energi Science forskning.
Materials
| 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 |
References
- 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).
- Weber, D. ( x = 0-3 ), ein Sn ( II ) -System mit kubischer Perowskitstruktur. Zeitschrift für Naturforschung B. 33, 862-865 (1978).
- 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).
- . National Renewable Energy Laboratory NREL Best Research-Cell Efficiencies Available from: https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png (2018)
- 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).
- 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).
- 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).
- Eaton, S. W., et al. Lasing in robust cesium lead halide perovskite nanowires. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (8), 1993 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Xiao, Z., et al. Efficient perovskite light-emitting diodes featuring nanometre-sized crystallites. Nature Photonics. 11 (2), 108-115 (2017).
- 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).
- Ilie, C. C., et al. Inkjet printable-photoactive all inorganic perovskite films with long effective photocarrier lifetimes. Journal of Physics Condensed Matter. 30 (18), (2018).
- 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).
- Swarnkar, A., et al. Quantum dot-induced phase stabilization of a-CsPbI3 perovskite for high-efficiency photovoltaics. Science. 354 (6308), 92-96 (2016).
- 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).
- Burschka, J., et al. Sequential deposition as a route to high-performance perovskite-sensitized solar cells. Nature. 499 (7458), 316-319 (2013).
- 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).
- 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).
- Teng, K. F., Vest, R. W. Application of Ink Jet Technology on Photovoltaic Metallization. IEEE Electron Device Letters. 9 (11), 591-593 (1988).
- Habas, S. E., Platt, H. a. S., 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
