将三重态-三重态湮灭上转换系统整合以增强染料敏化太阳能电池对亚带隙光的响应

本实验的总体目标是制备并表征具有功能性的上转换去敏化太阳能电池。首先通过构建双腔室组装结构来制备太阳能电池，第二步则分别为两个腔室注入电解质溶液和上转换溶液。

接下来，使用泵浦光源测量器件的入射光子-电流转换效率。最后一步是建立模型以分析结果，并利用数据确认上转换效应的真实性。最终，该实验可通过品质因数实现与其他上转换器件的比较。

与现有方法（例如我们先前报道的装置）相比，该技术的主要优势在于提供了一种完全集成化的装置。该方法表明，液体上转换器可被集成到标准的光伏器件中。通过该方法的标准化特性，可深入揭示基于轮转与基于伪影的上转换效应之间的差异。

该方法也可应用于其他系统，特别是在上转换和增强摄影方面。我们开发了一种倾斜泵浦光束技术。当您发现模型系统与实验数据不匹配时，第一步是使用一整片洁净的氟掺杂氧化锡镀膜玻璃来制备工作电极。

该片材应为 110 毫米见方，厚度为 2.3 毫米，用于在其表面沉积一层致密的二氧化钛。将干燥的片材放置于加热板上，导电面朝上。当玻璃加热至 450 摄氏度时，使其充分预热。

将钛染料、异丙氧化物、双乙酰乙酸酯和乙醇按1:9的比例混合，置于喷雾容器中。当玻璃温度达到450摄氏度时，从约100毫米的距离向其表面喷洒该溶液，每轮喷洒5次。每10秒重复一次，共进行12轮。

将玻璃在 450 摄氏度下保持另外五分钟。然后让其在加热板上缓慢冷却至室温。冷却后，将玻璃导电面朝上放置于丝网印刷台，并使用二氧化钛浆料印刷所示图案的一层。

居中后，将母板切割成单个电极。电极周围应为印刷薄膜留出足够的空间。为后续制备垫片，需配制 20 毫摩尔的四氯化钛溶液。

将电极浸入并置于70摄氏度的预热烘箱中。回收电极并彻底清洗后，在500摄氏度下煅烧30分钟。然后让其缓慢冷却。

在此情况下，将染料 D 1 49 溶于乙腈与叔丁醇的 1:1 混合溶剂中，配制 0.5 毫摩尔的染料溶液。当电极冷却至 110 摄氏度以下时，将其浸入染料溶液中，并静置过夜。至少八小时后，将电极从染料溶液中取出，并用乙腈彻底冲洗。

在用压缩空气干燥之前，使用另一片厚度为2.3毫米的氟掺杂氧化锡（氟掺杂氧化锡）镀膜玻璃制备对电极。将其切割成18.3毫米×27.5毫米的片状，以便在每个电极上形成一个填充口。在使用小型台式钻机钻孔前，使用金刚石钻头，并将每个对电极浸入水中。

然后在角落部分钻一个小孔。将部件翻转以完成钻孔。清洁并干燥对电极后，将其放置在瓷砖上，导电面朝上。

加入一滴植酸溶液，并用移液管末端涂布均匀。将瓷片置于预热至400摄氏度的加热板上，加热15分钟。接下来开始制作反射器，使用厚度为两毫米的非导电玻璃。

切成 18.3 毫米 × 27.5 毫米的片状，并在长边相邻的两个角上钻孔。玻璃清洗并干燥后，用低残留胶带将其三边固定在实验台面上。将玻璃片固定就位后，滴加一滴氧化铝抛光膏。

然后用玻璃棒将浆料刮下。待薄膜干燥后，取下胶带，并在500摄氏度下煅烧30分钟。通过制备两批热熔胶垫圈开始器件的组装。

一批用于去敏化的太阳能电池，厚度为25微米。另一批用于上转换腔室，厚度为120微米。将太阳能电池垫片放置在对电极的角落后，应确保填充口仍可接触。

接下来将工作电极放置于其上，确保印刷区域完全位于垫圈内部。务必确保获得良好的密封效果。将组装好的部件移至设定为120摄氏度的加热板上。

施加压力直至垫圈软化并熔化。一旦发生这种情况，立即将组件从加热板上取下并使其冷却。冷却后，将第二个垫圈放置在反射器上，并确保填充口未被覆盖。

接下来，将已脱敏的太阳能电池放置在上方，使其印刷区域正对Illumina反射器的印刷面。在加热板上加热该器件，同时施加压力，直至垫圈软化并粘附牢固。进行下一步时，需提前准备好电解质溶液，并将对电极朝上放置。

将装置放入一个带有真空管的小型塑料容器中。在对电极的孔洞上滴加一滴电解液溶液，然后在其上方放置一块玻璃片。

密封容器，并抽真空数秒，以将电解质吸入去敏化太阳能电池的腔体中。使用已覆膜到铝箔上的垫片材料制作密封件，并将其置于120摄氏度的加热板上。

垫圈材料朝上。彻底清洁对电极背面后，将器件压在垫圈材料上约五秒钟，以形成密封。随后将组件移入手套箱中。

将三重态-三重态湮灭上转换溶液引入背腔。待其充满后，在手套箱外用带铝背衬的垫片材料清洁表面并进行密封。下一步是使用超声波焊台制备电极接触点。

使用适用于玻璃的焊料涂覆工作对电极上暴露的导电涂层。然后使用普通焊料将导线连接至阳极和阴极。此处，阳极和阴极导线均已连接到器件上。

为了进一步封装，将紫外固化环氧树脂涂覆于器件的开放边缘。环氧树脂固化后，通过接线端子将阳极和阴极导线连接至一端开放的BNC电缆。此时，该器件已准备好进行测量实验。

用于测量器件效率的实验装置如本示意图所示。测量过程中涉及两个光源：一个是670纳米的连续波激光束。

泵浦光束为第二个光源，是由氙灯产生的非相干准单色探测光束。激光束穿过中性密度滤光片，经反射后照射到固定在样品 holder 中的器件上。氙灯输出的光束则通过一个405纳米长通滤光片，并由一个以29赫兹频率工作的斩波轮调制。

然后光束通过一个单色仪和一个4%的分束器。分束器的一个输出端连接到光电二极管，用于记录探测光束的功率变化。另一个输出端则被反射至样品 holder 上的器件安装位置，并为实验调整光束。

该装置的示意图将展示光源的使用方式。将泵浦光束照射到装置上，使其以一定角度入射，仅照射到上转换层。调整探测光束的路径，使其穿过已钝化的电池活性层，并在三重态-三重态湮灭上转换层中与泵浦光束相交。

使用动态信号采集设备和电流放大器，测量器件的短路电流。利用光检测器输出校正太阳能电池的电流密度测量值。

通过以5纳米为步长扫描探针光束在可见光谱范围内的波长来获取测量数据。在使用泵浦光束和探针光束完成测量后，关闭泵浦光束光源，并测量器件的总电流密度。完成该步骤后，重新配置实验以确定照射在器件上的探针光束功率。

通过移除装置并将光电二极管置于样品位置，以测量探针产生的电流来进行此操作。首次测量时，调节泵浦光束使其以比探针光束更大的角度到达上转换层，以避免对已脱敏的细胞产生激光偏置。该入射光子-电流效率增强随波长变化的图谱表明，增强效应在无明显偏置的情况下发生。

插图显示了原始响应的归一化增益。电流的差异反映了增感剂在675纳米处的吸收峰，其余部分则淹没在噪声中。总体而言，该数据与入射光子-电流效率模型符合良好。

其他测量均采用泵浦光束和探测光束完成，二者均穿过已钝化的细胞。在此情况下，插图中显示出显著的效率提升。在 675 纳米处，敏化剂的效果不再显现。

光束的共同路径似乎增强了整个可见光谱范围内的性能，并提示可通过激光偏置来测试激光偏置效应。第三组测量使用了一个集成器件，其上转换腔为空，但其他方面与前两次测量所用器件类似。在这种情况下，由于激光被反射回器件，偏置效应更为显著。

在进行这些操作时，重要的是要对所收集的数据保持批判性思考。切记苯属于危险物质，因此在操作时务必采取所有适当的防护措施。观看本视频后，您应能够构建并表征一种完全集成的上转换辅助染料敏化太阳能电池（DSC）。

该技术可实现对集成上转换器的差示扫描量热法（DSC）进行公平比较。