Inkjet udskriver alle uorganiske Halogenid Perovskite blæk til solcelle applikationer
Summary
En protokol til syntese af uorganiske-bly-Halogenid hybrid perovskite quantum dot blæk til inkjet printning og protokol for udarbejdelse og trykning af quantum dot blæk i en inkjetprinter med post karakterisering teknikker præsenteres.
Abstract
En metode til at syntetisere photoactive uorganiske perovskite quantum dot blæk og en inkjet printer deposition metode, ved hjælp af de syntetiserede trykfarver, er påvist. Blæk syntesen er baseret på en simpel våde kemiske reaktion og inkjet udskriftsprotokol er en letkøbt trinvis metode. Inkjet trykt tynde film har været karakteriseret ved røntgen diffraktion, optisk absorption spektroskopi, fotoluminescente spektroskopi og elektroniske transport målinger. Røntgen diffraktion af trykte quantum dot film viser en overensstemmelse med en ændres stuetemperatur fase med (001) orientering krystalstruktur. Sammen med andre metoder, karakterisering viser røntgen diffraktion målinger høj kvalitet film kan fås gennem metoden inkjet print.
Introduction
Dieter Weber syntetiseret den første økologiske-uorganiske hybrid Halogenid perovskites i 19781,2. Omtrent fabrikeret 30 år senere i 2009, Akihiro Kojima og samarbejdspartnere fotovoltaiske enheder ved hjælp af den samme økologisk-uorganiske hybrid Halogenid perovskites syntetiseret af Weber, nemlig, CH3NH3PbI3 og CH3NH3 PbBr33. Disse forsøg blev begyndelsen på en efterfølgende flodbølge af forskning med fokus på økologisk-uorganiske hybrid Halogenid perovskites solcelle egenskaber. Fra 2009 til 2018, enheden power conversion effektivitet dramatisk steget fra 3,8%3 til over 23%4, making organiske-uorganiske hybrid Halogenid perovskites sammenlignes med Si-baserede solceller. Som med den økologiske-uorganiske Halogenid-baseret perovskites begyndte de uorganiske Halogenid-baseret perovskites at få trækkraft i Fællesskabets forskning omkring 2012 hvornår de første solceller enhed effektivitet blev målt til 0,9%5. Siden 2012 er alle uorganiske Halogenid-baserede perovskites kommet langt med nogle enhed effektivitet målt til at være over 13% som i 2017 undersøgelse af Sanehira et al. 6 både de økologiske-baserede og uorganiske-baserede perovskites finde programmer relateret til lasere7,8,9,10, light emitting dioder11, 12 , 13, høj energi stråling påvisning14, foto påvisning15,16og selvfølgelig fotovoltaiske programmer5,15,17,18 . Over næsten det seneste årti har mange forskellige syntese teknikker er opstået fra videnskabsfolk og ingeniører fra forarbejdet løsningsmetoder til vakuum dampe deposition teknikker19,20,21. Halogenid perovskites syntetiseres ved en løsning-forarbejdede metode er fordelagtige, da de kan let blive ansat som blæk til inkjet udskrivning15.
I 1987 rapporterede først brug af inkjet print af solceller blev præsenteret. Siden da, videnskabsfolk og ingeniører har søgt måder at kunne udskrive alle uorganiske solceller med attraktive ydeevne egenskaber og lav gennemførelsen koster22. Der er mange fordele ved inkjet print solceller i forhold til nogle af de fælles metoder, vakuum baseret fabrikation. Et vigtigt aspekt af inkjet print metode er at løsning-baserede materialer anvendes som blæk. Dette åbner døren for forsøg med mange forskellige materialer, såsom uorganiske perovskite-baseret trykfarver, som kan syntetiseres af facile våde kemiske metoder. Med andre ord er inkjet print af solcelle materialer en low-cost rute til rapid prototyping. Inkjet print har også fordele ved at kunne udskrive store områder på fleksible substrater og udskrive af design ved lave temperaturer i atmosfæriske forhold. Derudover er inkjet print særdeles velegnede til masseproduktion giver mulighed for realistisk billigt rulle-til-rulle gennemførelsen23,24.
I denne artikel diskutere vi først de forskellige trin med syntese uorganiske perovskite quantum dot blæk til inkjet printning. Derefter beskriver vi de yderligere skridt for at forberede udskrivning og de faktiske procedurer for inkjet udskriver en photoactive film ved hjælp af en kommercielt tilgængelig inkjetprinter blæk. Endelig vil diskutere vi karakterisering af de trykte film, som er nødvendige for at sikre filmene er korrekt kemiske og crystal sammensætning for høj kvalitet enhed ydeevne.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der er mange parametre i den inkjet print proces, der påvirker den endelige trykte film. Diskussion af alle disse parametre er uden for rammerne af denne protokol, men da denne protokol fokuserer på en løsning-baseret syntese og deposition metode, er det hensigtsmæssigt at give en kort sammenligning til andre velkendte løsning-baseret deposition metoder: den spin-coating metoden og metoden læge-bladet.
Metoden spin-coating er meget hurtig, producerer ensartede film og er billigt. Filmtyk…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af National Science Foundation, gennem Nebraska MRSEC (Grant DMR-1420645), CHE-1565692, og CHE-145533 samt Nebraska Center for 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 |
Riferimenti
- 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).
