Inkjet printen van alle anorganische halogenide perovskiet inkten voor fotovoltaïsche toepassingen
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.
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.
Protocol
Representative Results
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, produceer…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
