Dalam makalah “ide nano” ini, tiga konsep untuk preparasi partikel perovskit metilamonium timbal halida diusulkan, dibahas, dan diuji. Ide pertama didasarkan pada persiapan kimia basah partikel perovskit, melalui penambahan larutan prekursor perovskit ke anti-pelarut untuk memfasilitasi pengendapan partikel perovskit dalam larutan. Ide kedua didasarkan pada penggilingan campuran prekursor perovskit dalam bentuk kering, untuk memungkinkan konversi prekursor menjadi partikel perovskit. Ide ketiga didasarkan pada atomisasi larutan perovskit oleh nosel semprot, memasukkan tetesan semprotan ke dalam reaktor dinding panas, sehingga dapat menyiapkan partikel perovskit, menggunakan pendekatan semprotan tetesan-ke-partikel (pirolisis semprot). Hasil awal menunjukkan bahwa teknologi semprotan adalah metode yang paling berhasil untuk preparasi partikel perovskit bebas pengotor dan pasta perovskit untuk menyimpan film tipis perovskit. Sebagai bukti konsep, sel surya perovskit dengan pasta yang dibuat dari bubuk perovskit yang disemprotkan berhasil dibuat.
Berbagai bentuk perovskit organometal halida yang memanfaatkan berbagai kation, seperti methylammonium (MA), formamidinium (FA), cesium (Cs), atau kombinasinya, adalah bahan fotovoltaik yang sangat menarik dan saat ini banyak dieksplorasi untuk mengembangkan film tipis konvensional. sel surya perovskit, misalnya, [1,2,3,4], serta fleksibel dan bobot rendah untuk daya [5] dan sel surya berbasis perovskit tandem [6]. Kation MA dan FA bersifat organik, kurang stabil, dan lebih murah daripada Cs, yang merupakan logam langka. Sementara sebagian besar kegiatan penelitian pada perovskit berfokus pada sel surya film tipis, semikonduktor molekuler tersebut dapat memainkan peran dalam bidang serupa lainnya, seperti transistor efek medan [7], dioda pemancar cahaya perovskit [8], dan -sensor radiasi radioaktif energi [9].
Di sebagian besar perangkat berbasis perovskit, perovskit langsung disimpan dalam bentuk film tipis. Namun, beberapa karya terbaru telah melaporkan pembuatan semikonduktor perovskit dalam bentuk nanokristal atau partikulat. Nanocrystals perovskite menunjukkan hasil kuantum photoluminescence tinggi dan efek kurungan kuantum, analog dengan titik-titik kuantum konvensional, ketika dimensi mereka dikurangi menjadi ukuran yang sebanding dengan masing-masing eksiton jari-jari Bohr, membawa peluang baru untuk pengembangan perangkat baru [10,11,12] ]. Sebagian besar studi tersebut berpusat di sekitar perovskit berbasis Cs semua anorganik, karena stabilitasnya yang lebih tinggi, misalnya, [13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25, 26,27,28,29,30], diikuti oleh perovskit berbasis MA organik-anorganik, misalnya [31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41], dan sangat sedikit pada perovskit berbasis FA, misalnya, [42]. Sebagian besar karya yang disebutkan di atas berfokus pada sifat-sifat kristal nano perovskit. Beberapa karya telah membuat perangkat perovskit seperti dioda pemancar cahaya perovskit yang menggabungkan nanocrystals dalam bentuk film tipis, misalnya, [21, 27, 29]. Beberapa karya telah mengusulkan formulasi untuk menyiapkan tinta perovskit seperti tinta yang mengandung kristal nano halida timbal yang dicampur dengan prekursor MA [41] untuk pengendapan film tipis untuk aplikasi sel surya.
Nanocrystals perovskite dengan ukuran agak kecil dan morfologi terkontrol, seperti yang dilaporkan oleh karya-karya tersebut di atas, umumnya tumbuh dalam larutan (kimia basah) [11]. Schmidt dkk. [31] MAPbBr koloid siap3 nanokristal berukuran 6 nm dengan mencampurkan prekursor perovskit dengan pelarut organik. Mereka juga menyiapkan film tipis homogen dari nanopartikel ini dengan spin-coating. Hasan dkk. [36] menggunakan metode larutan dua langkah untuk menyiapkan nanodot perovskit berbasis MA campuran, di mana pertama partikel biji halida timbal terbentuk dalam larutan dan kemudian larutan MA ditambahkan untuk menyelesaikan proses. Semua nanopartikel perovskit berbasis Cs anorganik telah dibuat menggunakan metode kimia basah yang serupa, seperti injeksi prekursor Cs ke dalam larutan prekursor halida timbal yang mengandung pelarut panas dan titik didih tinggi [30]. Sebagian besar karya yang disebutkan di atas berfokus pada pembuatan kristal nano perovskit, yang menunjukkan efek kurungan kuantum. Namun, untuk sebagian besar perangkat film tipis seperti sel surya, efek kurungan kuantum tidak material, dan persiapan partikel mikro dan nano perovskit polikristalin serta film tipis dengan teknik yang mudah diinginkan.
Dalam karya ini, kami melaporkan ide dan keberhasilan penyusunan MAPbI3 partikel perovskite dengan teknologi semprot murah dan mudah, untuk pertama kalinya. Dalam metode yang diusulkan ini, mengikuti proses yang terkenal dari pembentukan tetesan-ke-partikel obat-obatan dan keramik dengan pengeringan semprot dan pirolisis semprot, misalnya, [43,44,45,46], nosel semprot mengatomisasi larutan perovskit, di mana tetesan dalam bentuk kabut dimasukkan ke dalam reaktor dinding panas (tubular) satu atau beberapa tahap. Saat tetesan berjalan di sepanjang reaktor, pelarut menguap, konversi kimia terjadi untuk mengubah tetesan prekursor menjadi partikel perovskit. Oleh karena itu, sebagai akibat adanya reaksi kimia, proses tersebut dapat disebut pirolisis semprot. Partikel perovskit yang dihasilkan dikumpulkan di outlet reaktor. Metode ini mampu menghasilkan partikel kecil dalam kisaran nanometer, yaitu nanocrystals, jika larutan diatomisasi menggunakan teknik atomisasi khusus, seperti nozel electrospray atau larutan konsentrasi rendah [46]. Selain itu, partikel perovskit yang telah disiapkan dan rapuh dapat terurai menjadi partikel perovskit berukuran nano, yang akan diuraikan nanti dalam makalah ini.
Selain rute penyemprotan, dua metode lain diusulkan dan diuji untuk preparasi partikel perovskit, yaitu kimia basah dan penggilingan. Dalam metode kimia basah, larutan prekursor perovskit ditambahkan tetes demi tetes ke anti-pelarut dari pelarut perovskit, seperti toluena, dalam kondisi pengadukan. Metode ini mengarah pada pengendapan partikel perovskit dalam anti-pelarut. Dalam metode penggilingan, prekursor perovskit seperti MAI kering dan PbI2 bubuk dicampur dan digiling, misalnya dalam pengaduk magnet pelat panas, selama beberapa jam untuk bereaksi satu sama lain, karena gaya mekanis. Gambar 1 menunjukkan skema dari tiga metode yang diusulkan yang digunakan dalam pekerjaan ini untuk menyiapkan partikel perovskit.
Tiga metode untuk memproduksi bubuk perovskit yang digunakan dalam pekerjaan ini:a metode anti-pelarut kimia basah, b metode penggilingan kering (pada pengaduk magnet), dan c pirolisis semprotan tetesan ke partikel
Untuk menguji kredibilitas ide yang diajukan, kami telah melakukan percobaan awal dengan menyiapkan bubuk perovskit, serta film tipis dan sel surya dengan bubuk yang dihasilkan. Prekursor perovskite dibeli dari Xi'an Reagents Co., China, dan bahan kimia lainnya dibeli dari Sigma-Aldrich. Larutan cair perovskit yang digunakan dalam metode anti-pelarut dan semprot dibuat dengan melarutkan 158 mg MAI dan 420 mg PbI2 bubuk dalam 1 ml dimetil sulfoksida (DMSO).
Metode anti-pelarut
Dalam metode anti-pelarut, larutan perovskit ditambahkan ke toluena tetes demi tetes di bawah kondisi pengadukan. Setelah 2 menit, bubuk perovskit kuning mengendap di bagian bawah dan dinding samping gelas kimia, dan setelah 20 menit pengadukan, bubuk perovskit koloid diamati dalam toluena juga. Produk ini (setelah 20 menit) dianil dalam oven pada suhu 150 °C selama 60 menit. Gambar 2a menunjukkan difraksi sinar-X (XRD; model D5005, Bruker, Jerman) dari bubuk perovskit yang dibuat dengan metode anti-pelarut, di mana terbukti bahwa prekursor telah dikonversi menjadi perovskit, meskipun beberapa puncak lemah, terkait dengan kotoran hadir.
Metode penggilingan
Pengujian gagasan pencampuran dan penggilingan prekursor perovskit kering untuk persiapan bubuk perovskit membutuhkan mesin penggilingan yang dirancang dengan baik untuk memberikan kekuatan yang cukup. Di sini, untuk menguji ide tersebut, digunakan pengaduk magnet pelat panas sederhana. MAI dan PbI2 serbuk dicampur dengan perbandingan massa PbI2 /MAI dari 1 dan 2. Pelat panas disimpan pada 200 °C, dan bubuk kering dicampur dan dihancurkan dalam wadah karena kekuatan batang pengaduk magnet. Dalam preparasi kimia basah larutan prekursor perovskit, rasio massa PbI2 /MAI adalah sekitar 3 (seperti yang disebutkan di atas untuk pembuatan larutan perovskit), sedangkan dalam metode penggilingan, kami menemukan bahwa rasio massa lebih rendah (dikurangi PbI2 dari stoikiometri) lebih efektif, dalam reaksi bubuk prekursor dan konversi ke perovskit ditingkatkan. Gambar 2b menunjukkan pola XRD dari bubuk perovskit yang dihasilkan untuk PbI2 /MAI rasio massa 1,0 dan 2,0. Secara umum, rasio massa 1,0 lebih berhasil dalam memproduksi bubuk perovskit; Namun, jejak kotoran hadir. Ini mungkin karena gaya interaksi yang tidak memadai antara dua prekursor yang menghasilkan jejak prekursor awal bercampur dengan bubuk perovskit. Oleh karena itu, pendekatan milling tidak berhasil menghasilkan struktur perovskit murni. Menggunakan mesin penggilingan yang dirancang dengan baik dan kontrol yang cermat dari parameter proses, seperti waktu penggilingan dan suhu, dan penambahan sejumlah kecil pelarut yang tepat untuk memfasilitasi proses dapat meningkatkan kemurnian dan struktur kristal dari bubuk.
Metode semprot
Dalam metode semprot, larutan perovskit diatomisasi dengan nozzle semprotan berbantuan udara dengan diameter nozzle 0,2 mm, di mana tekanan udara diatur menjadi 2,0 psig. Tetesan semprotan dimasukkan ke dalam dua pemanas tabung baja tahan karat yang ditumpuk secara vertikal dengan diameter 10 cm, panjang 30 cm, dengan daya maksimum masing-masing 800 W (Yancheng Huabang Electric Equipment Co., Ltd). Pemanas pertama dijaga pada 275 °C, sehingga pelarut cepat menguap, dan pemanas kedua atau bawah disimpan pada suhu 275 °C atau lebih rendah dari 175 °C, di mana yang terakhir digunakan untuk menghindari dekomposisi. bubuk perovskit yang sudah terbentuk. Seperti yang ditunjukkan Gambar 2c, bubuk yang dihasilkan ketika suhu kedua pemanas dijaga pada 275 °C mengandung puncak PbI dengan intensitas tinggi2 , sedangkan ketika suhu pemanas kedua diturunkan menjadi 175 °C, pengotor hampir hilang dan kristalinitas perovskit meningkat. Ringkasnya, hasil XRD dari bubuk yang dihasilkan menggunakan tiga metode yang disebutkan di atas (Gbr. 2) memperkuat keunggulan metode semprotan untuk memproduksi bubuk perovskit murni dan kristal.
Pola XRD dari bubuk perovskit disiapkan oleh a metode anti-pelarut, b metode penggilingan pada dua PbI2 /MAI rasio massa, dan c metode semprot ketika suhu pemanas kedua (pemanasan tahap kedua) disimpan pada dua suhu yang berbeda yaitu 175 dan 275 °C, sedangkan pemanas pertama (pemanasan tahap pertama) disimpan pada 275 °C dalam kedua kasus. Tanda bintang menunjukkan puncak perovskite
Gambar 3 menunjukkan gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM; Hitachi, Model S-3400N) dari bubuk yang dihasilkan dengan tiga metode yang disebutkan di atas. Diamati bahwa serbuk yang terkumpul agak menggumpal, yang mungkin terjadi selama preparasi atau analisis. Namun demikian, gambar bubuk yang dibuat dengan penggilingan dan penyemprotan menunjukkan bentuk dan ukuran partikel individu. Partikel berukuran beberapa mikron dan memiliki bentuk tidak bulat dan tidak beraturan. Dalam metode semprot, orang mungkin berharap untuk melihat partikel bulat, karena setiap tetesan perovskit biasanya mengering untuk membentuk partikel perovskit. Bentuk non-bola mungkin karena kekuatan ion yang kuat dalam tetesan perovskit dan/atau pertumbuhan preferensial struktur perovskit sepanjang sumbu tertentu [47], yang mungkin menyebabkan distorsi partikel pengeringan. Dengan kata lain, sementara tegangan permukaan pada permukaan tetesan cenderung mempertahankan bentuk bola, gaya ionik yang dikembangkan dalam partikel selama pengendapan dapat melebihi gaya tegangan permukaan. Fenomena ini ditemui dalam pengeringan tetesan larutan ionik lainnya, seperti NaCl, misalnya, [48]. Selain itu, penguraian sebagian partikel perovskit yang telah disiapkan mungkin menyebabkan ukuran kecil dan bentuk partikel perovskit yang tidak beraturan.
Gambar SEM dari bubuk yang diproduksi oleh a anti-pelarut, b penggilingan, dan c metode penyemprotan
Untuk mempelajari lebih lanjut ukuran partikel, kami menyebarkan bubuk yang disebutkan di atas dalam toluena dan mengukur ukuran partikel dengan pengukur partikel zeta (Malvern, nano-zs90). Gambar 4 menunjukkan distribusi ukuran partikel serbuk yang dihasilkan oleh ketiga metode tersebut di atas. Dispersi serbuk dalam toluena menghasilkan disintegrasi dan pemecahan partikel, sehingga partikel individu memiliki ukuran mendekati atau di bawah 1 m. Hal ini menunjukkan bahwa partikel yang dihasilkan memiliki struktur yang lemah dan rapuh serta mudah terurai menjadi partikel berukuran nano yang lebih kecil. Fenomena tersebut telah diamati oleh orang lain dalam sistem partikel lain, [49, 50] juga. Hasilnya juga menunjukkan distribusi ukuran yang sempit untuk partikel yang dibuat dengan metode semprot. Berdasarkan SEM dan pengukuran ukuran partikel, metode penyemprotan untuk preparasi partikel perovskit secara skematis ditunjukkan pada Gambar 5. Proses penggilingan juga menghasilkan partikel kecil, tetapi dengan distribusi ukuran yang lebih luas. Serbuk yang dibuat dengan metode anti-pelarut memiliki ukuran partikel terbesar. Dengan demikian, metode semprot menghasilkan partikel kecil dan terdispersi tunggal dibandingkan dengan dua metode lainnya, menjadikannya metode yang cocok untuk pembuatan pasta perovskit untuk pengendapan film tipis. Pola XRD telah menunjukkan bahwa bubuk perovskit paling murni dan kristalin diperoleh dengan metode semprot juga.
Distribusi ukuran partikel partikel perovskit yang dibuat menggunakan tiga metode berbeda
Skema metode yang diusulkan untuk persiapan partikel perovskit berukuran mikrometer dan nanometer dalam pemanas dua tahap yang disarankan. Tahap pertama adalah untuk penguapan pelarut yang cepat (~ 275 °C), sedangkan tahap kedua (~ 175 °C) adalah untuk pengeringan lengkap dan anil in situ
Kami selanjutnya memeriksa kemungkinan menggunakan bubuk yang dihasilkan untuk menyiapkan film perovskit. Substrat kaca berlapis indium tin oxide (FTO) yang didoping fluor, dicuci dengan deterjen, air, dan isopropanol dan diperlakukan dengan radiasi UV, digunakan sebagai substrat awal. Kemudian, lapisan TiO kompak2 (c-TiO2 ) dan m-TiO2 diendapkan di atas kaca berlapis FTO, secara berurutan. Untuk c-TiO2 lapisan, 2,54 ml titanium isopropoksida diencerkan dalam 16,9 ml etanol, dan 350 μl HCl (2 M) diencerkan dalam 16,9 ml etanol. Larutan HCl ditambahkan ke dalam larutan titanium isopropoksida setetes demi setetes, di bawah kondisi pengadukan, dan larutan yang dihasilkan diputar ke kaca berlapis FTO pada 2000 rpm selama 60 detik dan dianil pada 500 °C selama 30 menit. Untuk membuat m-TiO2 lapisan, pasta titanium dioksida diencerkan dengan etanol (rasio massa 2:7) diputar pada c-TiO2 lapisan pada 5000 rpm selama 30 detik dan dianil pada 500 °C selama 30 menit. Kemudian, pasta perovskit dibuat dengan menambahkan 10 l etanol ke dalam 20 mg bubuk yang dihasilkan. Pasta diendapkan pada m-TiO2 lapisan pada suhu kamar dengan kecepatan 3 mm/s dengan blade coater. Gambar SEM dari film perovskit ditunjukkan pada Gambar. 6, di mana diamati bahwa hanya film yang diendapkan oleh pasta yang dibuat oleh bubuk yang dihasilkan semprotan yang seragam dan tertutup sepenuhnya. Hal ini sebagian disebabkan oleh ukuran partikel yang kecil dan distribusi ukuran yang sempit terkait dengan partikel yang disebutkan di atas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Absorbansi UV-Vis (Lambda 20, Perkin Elmer Inc., USA) dari film tipis perovskit yang disebutkan di atas adalah ditunjukkan pada Gambar. 7, di mana dibuktikan bahwa film perovskit yang dibuat dengan bubuk perovskit yang dihasilkan semprotan menunjukkan profil absorbansi standar, dengan penurunan mendadak absorbansi di sekitar panjang gelombang 750 nm, yang merupakan karakteristik perovskit [ 51].
Gambar SEM dari film berlapis pisau dari pasta bubuk yang dibuat oleh a anti-pelarut, b penggilingan, dan c metode penyemprotan
Absorbansi UV-Vis dari film perovskit yang dibuat dari pasta bubuk yang dihasilkan
Untuk menguji lebih lanjut ide yang diusulkan, sel surya perovskit dasar telah dibuat, menggabungkan MAPbI3 film perovskit yang dibuat dengan partikel semprotan. Untuk tujuan ini, spiro-OMeTAD diendapkan di atas film perovskit, berdasarkan prosedur yang dijelaskan di tempat lain [51], dan kemudian 100 nm Au diuapkan secara termal untuk melengkapi perangkat. Kurva JV dan parameter fotovoltaik dari perangkat fabrikasi ditunjukkan pada Gambar. 8. Efisiensi konversi daya (2,05%) rendah karena tegangan rangkaian terbuka yang rendah (V ok ), rapat arus hubung singkat (J sc ), dan faktor pengisian (FF). Ini mungkin terutama disebabkan oleh ikatan yang tidak memadai antara partikel perovskit dalam film, yang mungkin mengakibatkan rekombinasi muatan yang berlebihan, karena transfer muatan yang tidak memadai dari perovskit ke lapisan yang berdekatan (TiO2 dan spiro-OMeTAD). Namun demikian, fabrikasi sel surya perovskit yang berhasil menunjukkan keunggulan metode yang diusulkan, yaitu fabrikasi partikel perovskit dengan pelapisan semprot. Dalam karya ini, etanol digunakan untuk menyiapkan pasta dan mengikat partikel. Menggunakan aditif yang lebih cocok yang tidak melarutkan perovskit dan pada saat yang sama berperan sebagai lem yang efektif akan meningkatkan kualitas film dan kinerja perangkat.
Kurva JV dan parameter fotovoltaik dari sel surya yang menggabungkan film perovskit yang dibuat dari bubuk perovskit yang dihasilkan semprotan
Dalam karya ini, kami memperkenalkan tiga ide untuk persiapan partikel perovskit dan pasta perovskit untuk menghasilkan film tipis. Telah ditunjukkan bahwa bubuk yang dibuat dengan penyemprotan larutan perovskit adalah kristal dan bebas pengotor, dan memiliki ukuran partikel dan distribusi ukuran yang kecil. Pasta perovskit dan film tipis dibuat menggunakan bubuk perovskit yang disebutkan di atas, di mana film perovskit yang dibuat menggunakan teknik penyemprotan menunjukkan morfologi standar dan absorbansi cahaya. Sel surya perovskit mesopori dibuat menggunakan film perovskit yang dibuat oleh partikel yang disemprotkan, di mana efisiensi 2,05% diukur.
bahan nano
Abstrak Kami secara sistematis mempelajari karakteristik nanolaser plasmon permukaan berbasis perovskit hibrida. Jika seseorang mengubah komposisi anion perovskit, panjang gelombang emisi dapat dengan mudah disetel. Kami melakukan pemodelan spektrum penuh yang menampilkan kawat nano perovskit hibri
Abstrak Ag3 PO4 / heterostruktur ZnO kumis (T-ZnOw) seperti tetrapoda disiapkan melalui metode presipitasi sederhana. Heterostruktur yang diperoleh dikarakterisasi dengan difraksi sinar-X, pemindaian mikroskop elektron, mikroskop elektron transmisi, mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi, spe
Abstrak Dalam penelitian ini, -FeSi yang dikatalisis sendiri2 kawat nano, yang diinginkan tetapi jarang dicapai dalam tungku, disintesis melalui metode deposisi uap kimia di mana fabrikasi -FeSi2 kawat nano terjadi pada substrat Si (100) melalui dekomposisi prekursor sumber tunggal FeCl anhidrat3 b
Bermitra dengan toko fabrikasi logam yang memanfaatkan teknologi inovatif membuat perbedaan besar dalam hasil proyek baja struktural Anda. Dalam hal fabrikasi logam, outsourcing ke perusahaan yang tepat adalah cara cerdas untuk memastikan pekerjaan dilakukan dengan baik. Tidak semua perakit logam it
