Name: 集成的三重态 - 三重态湮灭上转换系统，提高染料敏化太阳能电池的响应子带隙光 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-09-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 26 s
Description: 学习构建集成三重态-三重态湮灭上转换单元的染料敏化太阳能电池，通过双腔室组装与光电测试提升低能光子响应，实现创纪录的性能指标。

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A.N. 感谢澳大利亚可再生能源署（ARENA）和澳大利亚国家制造设施（ANFF）的支持。本研究项目由澳大利亚太阳能研究所（6-F020 和 A-023）资助，并得到新南威尔士州政府和悉尼大学的资助支持。本研究的部分工作获得了澳大利亚研究理事会发现项目资助计划（DP110103300）的支持。设备采购得到了澳大利亚研究理事会（LE0668257）的资助支持。

1. DSC 制备
1.1. 工作电极的制备
<ol>
	<li>将一整片掺氟二氧化锡（F:SnO2）涂层玻璃（110 mm × 110 mm × 2.3 mm，&#60;8 Ω/□）依次在肥皂水、丙酮和乙醇中进行超声清洗（每种溶剂各10分钟）。</li>
	<li>按照以下步骤沉积一层致密的TiO2：
	<ol>
		<li>用压缩空气吹干玻璃，并将玻璃（导电面朝上）置于加热板上加热至450 °C。</li>
		<li>将二异丙氧基双（乙酰丙酮）钛（75 wt% 异丙醇溶液）与乙醇按1:9的比例稀释。</li>
		<li>从约100 mm的距离向加热的玻璃表面喷雾稀释后的溶液，均匀喷洒五次。</li>
		<li>每10秒喷洒一圈，共喷12圈。</li>
		<li>关闭加热板前，继续在450 °C下保持5分钟。将玻璃留在加热板上，使其缓慢冷却至室温。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将玻璃放置于丝网印刷机平台上（导电面再次朝上）。插入丝网并调整图案与玻璃对齐。在丝网上加入TiO2浆料，印刷一层或两层。若需印刷两层，每层印刷之间需将玻璃板从印刷机中取出，覆盖后静置约5分钟，然后在125 °C下加热10分钟，再放回印刷机进行下一层印刷。</li>
	<li>完成最终印刷后，运行完整的烧结程序：以12.5 °/min的速率将电极加热至150 °C，保温10分钟；再以11.7 °/min升至325 °C，保温5分钟；接着以10 °/min升至375 °C，保温5分钟；随后以10.7 °/min升至450 °C，保温30分钟；最后以10 °/min升至500 °C，保温15分钟。此后缓慢冷却至室温。</li>
	<li>将母板切割成单个电极，确保印刷薄膜周围留有足够的空间以便后续安装垫圈。使用压缩空气清除所有玻璃碎屑。</li>
	<li>将电极浸入20 mM的TiCl4水溶液中， loosely 覆盖容器，并放入预热至70 °C的烘箱中处理30分钟。随后&#160;彻底清洗电极，并再次在500 °C下烧结30分钟。</li>
	<li>待电极冷却至100 °C以下后，将其浸入0.5 mM的染料溶液中。本实验中使用D149溶于乙腈与叔丁醇（1:1）的混合溶剂。</li>
	<li>染色过夜（O/N）后&#160;取出电极，用乙腈剧烈冲洗约30秒，再静置30秒。从冲洗液中取出电极，用压缩空气吹干。</li>
</ol>
1.2. 对电极的制备
<ol>
	<li>将另一片2.3 mm厚的F:SnO2玻璃切割成18.3 mm × 27.5 mm的片状。</li>
	<li>将对电极浸入水中，使用安装在小型台式钻机上的金刚石牙科钻头在角落处钻一个小孔（直径φ = 1 mm，距每个角落2.5 mm），作为注液口。</li>
	<li>按照第1.1.1节的方法清洗对电极。</li>
	<li>干燥对电极，并将其导电面朝上放置于瓷砖上。滴加一滴氯铂酸溶液（H2PtCl6，10 mM乙醇溶液），用移液管末端涂布均匀。将瓷砖置于已预热（400 °C）的加热板上加热15分钟。之后取下玻璃片和瓷砖，置于实验台上冷却。</li>
</ol>
1.3. 反射器
<ol>
	<li>使用与对电极相同的工艺（第1.2.2节），将一块非导电的2 mm玻璃切割为18.3 mm × 27.5 mm，并沿长边相邻的两个角钻孔。</li>
	<li>按照上述相同方案（1.1.1）清洗玻璃一次。</li>
	<li>用低残留胶带将洁净、干燥的玻璃从三边固定在实验台上。滴加一滴Al2O3浆料（0.3 µm Al2O3颗粒2.0 g，胶体Al2O3 2 ml + 乙醇1 ml），并用玻璃棒涂布成膜。</li>
	<li>让薄膜自然干燥，取下胶带，于500 °C下烧结30分钟。</li>
</ol>
1.4. 仪器组装
<ol>
	<li>切割两批热熔胶垫片。 
	注意：第一批用于DSC，厚度为25 µm，内径尺寸为17 mm × 8 mm，外径尺寸为21 mm × 12 mm。第二批用于上转换室，使用60 µm垫片材料对折，形成120 µm厚度。折叠后，该垫片的内径尺寸为17 mm × 21 mm，外径尺寸为21 mm × 25 mm。</li>
	<li>将第一个垫片放置在对电极的一角，确保注入口可接触。将工作电极覆盖其上，使印刷区域完全位于垫片内部，并实现良好密封。</li>
	<li>将此组件移至加热板（120 °C），施加压力直至垫片软化并熔化，可通过观察垫片润湿玻璃表面的现象来判断。取出组件并使其冷却。</li>
	<li>将第二个垫片放置在反射器上，再次确保注入口未被覆盖。将DSC置于其上，使印刷区域正对印刷的氧化铝反射器。再次在施加压力的同时加热装置，直至垫片软化并粘附，操作方式同第1.4.3节。该组件如图1所示。</li>
</ol>
1.5. 填充空腔
<ol>
	<li>配制电解质溶液：在甲氧基丙腈中溶解0.1 M LiI、0.6 M 1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘化物和0.05 M碘，制成溶液。</li>
	<li>将器件放入带有真空管的小型塑料容器中，使对电极朝上放置。</li>
	<li>在孔洞上方滴加一滴电解质溶液，并在其上覆盖一块玻璃片。抽真空数秒以排出染料敏化太阳能电池（DSC）空腔内的空气，随后释放真空，使电解质被吸入空腔内。</li>
	<li>通过将热熔密封垫材料覆合到铝箔上来制备密封件。将这些密封件放置于加热板上，垫层面向上。彻底清洁对电极背面，然后将器件压在垫层材料上约5秒完成密封。</li>
	<li>配制TTA-UC溶液：将0.6 mM的Pd染料（四(3,5-二叔丁基苯基)-6'-氨基-7'-硝基-四喹喔啉[2,3-b'7,8-b''12,13-b'''17,18-b''''-卟啉)合钯(II)）和22 mM的并四苯溶解于苯中。使用液氮反复进行三次冷冻-抽气-解冻循环，充分去除溶液中的氧气。</li>
	<li>在手套箱内，将TTA-UC溶液注入器件背面空腔，利用毛细作用使其渗透填充。待完全填充后，再次彻底清洁表面，并用另一片带铝箔支撑的密封垫材料进行密封。</li>
</ol>
2. 测量
2.1. 电极接触
<ol>
	<li>使用超声波焊台和合适的焊料，将焊料涂覆至工作电极和对电极暴露的F:SnO2部分。</li>
	<li>使用普通焊料将导线连接至阳极和阴极。</li>
	<li>在开口边缘涂覆紫外固化环氧树脂。 
	注意：此步骤旨在作为防止氧气进入和溶剂蒸发的二次封装措施，同时增强器件的机械强度，特别是导线连接部位的牢固性。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
2.2. IPCE 测量装置
<ol>
	<li>使用图2所示的示意图装置，将集成器件安装到细胞支架上。</li>
	<li>通过安装在可调支架上的反射镜，用670 nm连续波激光束（“泵浦光束”）照射集成器件的一小部分区域（约2 mm × 1 mm）。</li>
	<li>使用氙灯产生非相干准单色光（“探测光束”），依次通过405 nm长通滤光片、工作频率为29 Hz的斩波轮、单色仪、倾斜的玻璃片（此处用作约4%的分束器）和抛物面反射镜，照射集成的TTA-UC染料敏化太阳能电池（DSC）。通过泵浦光束激发上转换（UC）层，在TTA-UC层中产生背景三重态布居，泵浦光束以特定角度入射，使其仅照射UC层而不照射被探测的DSC活性层。</li>
	<li>使用可调反射镜支架对准泵浦光束和探测光束在TTA-UC层上的位置。利用动态信号采集设备、电流放大器及自研控制软件，测量探测光束在可见光谱范围内以5 nm步长扫描时所产生的短路电流。</li>
	<li>同时使用功率计和具有模拟输出的光电二极管记录从玻璃片反射的探测光束的功率变化，并将信号输入至信号采集设备。在软件中根据探测光束的功率波动对器件的JSC进行校正。</li>
	<li>轻微移动可调反射镜支架以偏移泵浦光束，使其照射到探测光束相邻的器件活性层区域。重复测量泵浦光束与探测光束未对准的情况。</li>
	<li>在相同位置记录六组对准与未对准状态下的测量数据，以提高信噪比。</li>
	<li>通过在泵浦光路中插入不同已知670 nm透射率的中性密度滤光片来降低泵浦光束强度，并在一系列不同强度下重复步骤2.2.4至2.2.7。</li>
	<li>在不启用泵浦光束光源的情况下测量集成器件的JSC。</li>
	<li>将光电二极管置于样品位置，测量照射在DSC上的探测光功率对应的光电流。</li>
	<li>移除上转换腔后，使用紫外-可见分光光度计测量所研究器件的透射率，获得透射光谱TDSC。 
	注意：此步骤也可在步骤1.4与1.5之间进行。</li>
</ol>
2.3. 泵浦源表征
<ol>
	<li>使用光电二极管和功率计（如第2.2.10节所述），测量每种滤光条件下在DSC位置处的泵浦光束功率。</li>
	<li>将泵浦光束投射到一张网格纸上，拍摄其在实验中TTA层所在位置等效处的图像。如有必要，强烈衰减光束以防止相机探测器饱和。利用该图像和图像分析软件确定泵浦光斑尺寸。</li>
</ol>
3. 数据处理
3.1. 将所有数据插值至 1 nm 间隔。
3.2. IPCE 的测定
<ol>
	<li>根据光电二极管测得的探测光功率（以产生的电流 I 表示）和电荷量（q），计算到达集成器件的光子通量（φ）：</li>
	<li>根据无泵浦光照条件下的短路电流密度（JSC）测量值和探测光通量，计算器件的电池入射光子-电子转换效率（IPCE0）。</li>
	<li>通过比较泵浦光与探测光对准时和错准时的测量结果，计算激活上转换器所带来的相对增强效果。</li>
	<li>太阳光浓度因子的测定</li>
	<li>将敏化剂的消光系数转换为吸收截面 σ。</li>
	<li>通过将标准 AM1.5G 太阳光谱中各波长处的光子通量密度、DSC 和敏化剂的透射率以及敏化剂的吸收截面（σ）相乘，并在敏化剂 Q 带吸收范围（通常为 600 nm 至 750 nm）内对乘积求和，得到敏化剂在标准 AM1.5G 光谱下的激发速率（kφ）。</li>
	<li>根据泵浦光源的功率和光斑尺寸，计算使用不同中性密度滤光片时的泵浦光子通量密度；然后将这些通量密度与 DSC 及敏化剂在 670 nm 处的透射率相乘，得到泵浦激发速率。</li>
	<li>通过泵浦激发速率与 AM1.5G 条件下激发速率的比值，计算太阳光浓度因子（ʘ）。</li>
</ol>
3.3. 模型拟合与拟合优度确定
<ol>
	<li>拟合相对增强度模型 = 1 + 常数 × (T差示扫描量热法/IPCE0) × [(σ泵× σ探针 ) / (σ泵 + σ探针)]，到实验增强结果上，其中 σ泵 和σ探针 是相对于泵浦光和探测光波长的截面；σ泵 对于每个泵浦强度，σ 是固定的探针 随波长而变化。</li>
	<li>估算 J 的增强程度干细胞 由上转换效应获得（ΔJ干细胞) 来自IPCE之间的差异加州大学 以及IPCE0 以及太阳通量密度。</li>
	<li>通过归一化 ΔJ 计算 FoMSC 由于TTA-UC在低激发强度下对输入功率具有二次依赖性，因此与太阳光浓度因子的平方成正比。</li>
</ol>

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没有需要披露的内容。

本方案提供了一种实现光子上转换增强型染料敏化太阳能电池（DSC）的方法，并详细说明了如何正确测量此类器件。利用该性能指标（FoM），可简便地计算在不同光照强度（包括标准1个太阳光照强度）下预期的短路电流密度增量（ΔJSC）。如图4插图所示，这些数值在系统未达到饱和阈值时与光照强度无关，符合预期33。通过该性能指标（FoM），我们能够对三重态-三重态湮灭上转换（TTA-UC）或其他非线性上转换过程的增强效果进行标准化，从而实现便捷的比较。
尽管本研究中获得的DSC器件FoM值是目前已报道的DSC FoM值中最高的，但仍远未达到商业应用水平（~1 mA∙cm-2ʘ-2）。此外，此类尺度的增强效应可能难以测量。本报告中（具体而言在 图3C 和 3D) 展示了错误测量技术带来的风险，其中泵浦光束引发了一个（某种程度上）意料之外的问题。该问题可能为染料敏化太阳能电池（DSCs）所特有，但如果存在任何不确定...

染料敏化太阳能电池（DSCs）被认为是在低成本太阳能收集领域具有前景的技术1-3。尽管如此，该技术尚未实现广泛商业化。造成这一现状的原因有多种，其中一个重要问题是其吸收起始能量相对较高，限制了这些器件可达到的光捕获效率4。虽然这一问题可以通过某些方法克服，但降低吸收起始能量通常伴随着开路电压的下降，这会不成比例地削弱电流密度的任何提升效果5,6。
染料敏化太阳能电池（DSCs）的一般工作原理包括：染料分子在光激发后将电子转移至半导体（通常为TiO2），随后氧化态的染料通过氧化还原介质再生。这两个过程似乎都需要较大的驱动力（电势）才能高效进行7。由于存在如此显著的内在能量损失，显然这类器件的最佳吸收起始能量应相对较高。有机光伏（OPV）器件也存在类似问题，原因同样是有效电荷分离需要较大的化学驱动力。因此，基于这两种技术的单结器件，其太阳光-电转换效率的理论上限预测均涉及具有较宽（有效）带隙的吸光材料4。
为了解决上述光吸收问题，已采取多种方法，包括“第三代”8技术中的叠层结构9, 10和光子上转换11-14。
最近11，我们报道了一种集成器件，该器件由染料敏化太阳能电池（DSC）的工作电极和对电极组成，并在结构中引入了基于三重态-三重态湮灭的上转换（TTA-UC）系统。该TTA-UC组分能够捕获透过活性层的红光，并将其化学转化为更高能量的光子（下文将详细描述），这些光子可被DSC的活性层吸收并产生光电流。关于该系统有两个重要特点需要注意。首先，与其他光子上转换系统相比，TTA-UC具有多种潜在优势11；其次，该系统展示了一种可行的结构设计（原理验证），实现了TTA-UC的集成，而此前在TTA-UC相关文献中一直缺乏此类结构设计。
TTA-UC15-24 的过程涉及通过能量低于器件起始能量的光激发“敏化剂”分子（在本例中为 Pd 卟啉）。单重态激发的敏化剂分子迅速发生系间窜越，进入最低能量的三重态。随后，只要满足自由能条件25，它们便可将能量转移给处于基态三重态的“发射体”物种（例如红荧烯）。红荧烯的第一三重态（T1）能量高于其第一激发单重态（S1）的一半，但低于其第二三重态（T2）能量的一半，这意味着两个三重态激发的红荧烯分子形成的碰撞复合物可以以较高的概率发生湮灭，生成一个单重态激发的发射体分子（另一个则回到基态）。其他理论上统计预测存在的能态，对红荧烯而言极有可能因能量不匹配而无法达到26。随后，单重态激发的红荧烯分子可发射一个光子（类似于荧光），其能量足以激发染料敏化太阳能电池（DSC）工作电极上的染料。该过程如动画1所示。
与其他上转换（UC）系统相比，TTA-UC 具有多项优势，例如具有宽吸收范围和非相干性27, 28，使其成为与染料敏化太阳能电池（DSC）以及有机光伏（OPV）耦合的有吸引力的选择。TTA-UC 已被证明可在相对较低的光强和漫射光照条件下运行。DSC 和 OPV 均在低光强条件下效率最高。太阳能聚光技术成本较高，仅适用于高效率、高成本的器件。TTA-UC 系统在低光强条件下表现出相对较高的性能，这归因于其过程涉及具有强而宽吸收带的敏化剂发色团，以及长寿命的三重态，这些三重态能够扩散并与相互作用物种接触。此外，动力学研究发现 TTA-UC 具有较高的本征效率26。
尽管TTA-UC在低光强下运行，入射光强与发射光之间仍存在二次关系（至少在低光强范围内如此），这是由于该过程具有双分子特性。为统一考虑这一因素以及不同研究组报道的实验条件差异（特别是光强），应采用一种性能指标（FoM）体系来衡量上转换带来的性能提升。该性能指标定义为ΔJSC/ʘ，其中ΔJSC表示短路电流的增加量（通常通过积分有无上转换效应时的入射光子-载流子效率IPCE获得），而ʘ表示有效太阳光浓度（基于相关光谱区域，即敏化剂Q带吸收区的光子通量）229。
本文报道了一种制备和正确表征集成化DSC-TTA-UC器件的实验方案，特别关注器件测试中可能存在的陷阱。希望本方案可为该领域的进一步研究提供基础。

<table><tbody><tr><td>(四(3,5-二叔丁基苯基)-6&amp;rsquo;-氨基-7&amp;rsquo;-硝基-四(喹喔啉[2,3-b'7,8-b''12,13-b'''17,18-b''''-卟啉)]钯(II))</td><td>本实验室制备</td><td>本实验室制备</td><td>Chem. Commun., 4851&amp;ndash;4853 (2007)</td></tr><tr><td>1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘化物</td><td>Solaronix</td><td>33150</td><td>材料警示：刺激性</td></tr><tr><td>405 nm 长通滤光片</td><td>Semrock</td><td>BLP01-405R-25</td><td>-</td></tr><tr><td>670 nm 激光器</td><td>Thorlabs</td><td>LDS5 + CPS198</td><td>-</td></tr><tr><td>丙酮</td><td>Chemsupply</td><td>AA008-20L-P</td><td>材料警示：易燃</td></tr><tr><td>乙腈</td><td>Sigma</td><td>271004</td><td>材料警示：易燃</td></tr><tr><td>氧化铝</td><td>Alfa Aesar</td><td>12733</td><td></td></tr><tr><td>氧化铝</td><td>Leeco</td><td>810-782</td><td></td></tr><tr><td>反向填充室</td><td>Sistema</td><td>1303</td><td>Klip it round，已改装</td></tr><tr><td>苯</td><td>Scharlau</td><td>BE0033</td><td>材料警示：有毒</td></tr><tr><td>BNC 电缆</td><td>Jaycar</td><td>RG- 59U</td><td></td></tr><tr><td>Cerasolzer</td><td>MBR</td><td>CS186</td><td></td></tr><tr><td>斩波轮</td><td>Thorlabs</td><td>MC1000A</td><td></td></tr><tr><td>控制软件</td><td>本实验室开发</td><td>本实验室开发</td><td>使用 LabVIEW 编写</td></tr><tr><td>电流放大器</td><td>Stanford Research&amp;nbsp;</td><td>SR 570</td><td></td></tr><tr><td>D149 染料</td><td>1m</td><td>OSO149</td><td></td></tr><tr><td>牙科钻头</td><td>Priority dental supplies</td><td>835.104.008</td><td></td></tr><tr><td>洗涤剂</td><td>Palmolive</td><td>Original</td><td></td></tr><tr><td>金刚石切割轮</td><td>Frameco</td><td>14220</td><td></td></tr><tr><td>钻机</td><td>Dremel</td><td>220</td><td></td></tr><tr><td>动态信号采集设备</td><td>National Instruments</td><td>USB-4431</td><td>模拟-数字转换</td></tr><tr><td>乙醇</td><td>Univar</td><td>214</td><td>材料警示：易燃</td></tr><tr><td>手套箱</td><td>IT systems</td><td></td><td></td></tr><tr><td>H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;PtCl&lt;sub&gt;6&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma</td><td>334472</td><td>材料警示：腐蚀性</td></tr><tr><td>热熔胶密封垫</td><td>Solaronix</td><td>Meltronic 1170-25</td><td>Surlyn</td></tr><tr><td>热熔胶密封垫</td><td>Solaronix</td><td>Meltronix 1170-60</td><td>Surlyn</td></tr><tr><td>加热板</td><td>Harry Gestigkeit</td><td>PR 5 3T / PZ28-3T</td><td></td></tr><tr><td>加热板</td><td>IKA</td><td>RCT basic</td><td></td></tr><tr><td>图像分析软件</td><td>美国国立卫生研究院</td><td>Image-J</td><td></td></tr><tr><td>碘</td><td>Sigma</td><td>326143</td><td>材料警示：腐蚀性</td></tr><tr><td>激光雕刻机</td><td>Universal Laser Systems</td><td>PLS6WM</td><td></td></tr><tr><td>液氮</td><td>Air Liquide</td><td></td><td></td></tr><tr><td>碘化锂</td><td>Aldrich</td><td>518018</td><td>材料警示：有毒</td></tr><tr><td>甲氧基丙腈</td><td>Sigma</td><td>65290</td><td>材料警示：易燃</td></tr><tr><td>反射镜</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>反射镜支架</td><td>Thorlabs</td><td>KM100</td><td></td></tr><tr><td>单色仪</td><td>Spectral Products&amp;nbsp;</td><td>CM110</td><td></td></tr><tr><td>中性密度滤光片</td><td>Edmund Industrial Optics</td><td>64-352</td><td></td></tr><tr><td>抛物面反射镜</td><td>Newport</td><td>50329AL, 50338AL</td><td></td></tr><tr><td>光电二极管</td><td>Newport</td><td>918D-UV-OD3</td><td></td></tr><tr><td>功率计</td><td>Newport</td><td>1936-C</td><td></td></tr><tr><td>并四苯</td><td>Sigma</td><td>551112</td><td></td></tr><tr><td>半自动丝网印刷机</td><td>Keywell</td><td>KY-500FH</td><td></td></tr><tr><td>喷雾热解仪</td><td>Glaskeller</td><td></td><td></td></tr><tr><td>胶带</td><td>3M</td><td>Magic Tape</td><td></td></tr><tr><td>接线端子</td><td>Jaycar</td><td>HM3194</td><td></td></tr><tr><td>叔丁醇</td><td>Sigma</td><td>360538</td><td>材料警示：易燃</td></tr><tr><td>TiCl&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma</td><td>89545</td><td>材料警示：腐蚀性</td></tr><tr><td>瓷砖</td><td>Johnson tiles</td><td></td><td></td></tr><tr><td>瓷砖切割器</td><td>DTA</td><td>DTA-310</td><td></td></tr><tr><td>TiO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 浆料</td><td>Dyesol</td><td>NR18-T</td><td>-</td></tr><tr><td>双(乙酰丙酮)二异丙氧基钛(75% 异丙醇溶液)</td><td>Aldrich</td><td>325252</td><td>材料警示：易燃</td></tr><tr><td>超声波焊台</td><td>MBR</td><td>USS-9200</td><td></td></tr><tr><td>紫外固化环氧树脂</td><td>Dymax</td><td>425</td><td>材料警示：刺激性</td></tr><tr><td>紫外固化系统</td><td>Dymax</td><td>BlueWave 50</td><td></td></tr><tr><td>紫外-可见分光光度计</td><td>Varian Cary</td><td>1E</td><td></td></tr><tr><td>真空比色皿</td><td>定制</td><td>定制</td><td></td></tr><tr><td>真空泵</td><td></td><td>旋片式背压扩散泵</td><td></td></tr><tr><td>擦拭纸</td><td>Kimtech</td><td>34120KC</td><td>Kimwipes</td></tr><tr><td>Xe 灯</td><td>Energetiq&amp;nbsp;</td><td>LDLSTM EQ-1500</td><td>白光光源</td></tr></tbody></table>

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

Integrating a Triplet-triplet Annihilation Up-conversion System to Enhance Dye-sensitized Solar Cell Response to Sub-bandgap Light

染料敏化太阳能电池（DSCs）对红光和红外光的响应较差，是实现更高光电流以及更高效率的主要障碍之一。通过三重态-三重态湮灭（TTA-UC）实现的光子上转换是一种极具吸引力的技术，可将原本被浪费的低能量光子用于产生光电流，同时不会以有害方式干扰光阳极的性能。此外，TTA-UC 具有若干区别于其他已报道光子上转换技术的特点，使其特别适合与 DSC 技术耦合。在本研究中，一个已被证实的高性能 TTA-UC 体系——包含钯卟啉敏化剂和红荧烯发射体——被集成到一个高性能 DSC（使用有机染料 D149）中，构成一体化器件。该器件在 TTA-UC 子单元的吸收范围内对亚带隙光的响应得到增强，实现了迄今为止上转换辅助 DSC 性能的最高优值。

图3A - D展示了在不同测量条件下测得的增强响应，其影响将在下文更详细地讨论。从原始电流密度增强结果可以看出，图4A和4B中的结果归因于上转换过程，其峰值电流增强和IPCE增强与敏化剂的吸收光谱高度匹配，仅因透过DSC活性层时发生透射衰减而略有减弱。
为了避免激光偏置引入的测量伪影，已调整泵浦光束，使其以更大的角度到达上转换层，相对于探测光束的位置，如图2所示。图4A显示了无明显偏置效应的增强结果，而图4C和图4D均受到此问题的影响。正确对准对测量结果的影响如图4A所示，其中短路电流密度（JSC）的差异反映了敏化剂的吸收特性，该敏化剂在675 nm处具有吸收峰。除了敏化剂的吸收区域和器件的透明区域外，JSC的差异均被噪声所掩盖。...

研制出一种集成器件，结合了染料敏化太阳能电池和三重态-三重态湮灭上转换单元，能够从更宽的太阳光谱范围内增强光捕获能力。在适度辐照条件下，该器件对低能光子的响应显著增强，使染料敏化太阳能电池的性能指标达到创纪录水平。

染料敏化太阳能电池（DSCs）对红光和红外光的响应较差，是实现更高光电流的一个重要障碍……

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。

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Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

集成的三重态 - 三重态湮灭上转换系统，提高染料敏化太阳能电池的响应子带隙光

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一种通过上转换纳米粒子介导的激酶光激活远端触发细胞内信号转导的集成系统

本文介绍了一种用于制备简单结构有机发光二极管（OLEDs）的实验方案。...

真空沉积有机发光二极管的制备与表征

本文介绍了一种在无氧条件下，通过纳秒至毫秒时间尺度的时间分辨光致发光光谱法对有机分子进行光谱表征的方法。同时描述了有效去除样品中氧气以限制发光猝灭的方法。...

在无氧环境中利用iCCD相机对三重态 harvesting 有机化合物进行时间分辨光物理表征

本研究描述了用于提高效率的薄吸收层碲化镉硒/碲化镉光伏器件的完整制备过程。该过程采用可扩展的自动化在线真空系统，通过近空间升华法进行沉积，适用于小面积科研器件以及大规模组件的制备。...

密闭空间升华沉积的超薄CdSeTe/CdTe太阳能电池以增强短路电流密度和光致发光

本方案详细介绍了上转换纳米胶囊的合成方法，后续可用于三重态融合上转换辅助的体相3D打印中的光聚合树脂。...

三重态融合上转换纳米胶囊的合成

学习构建集成三重态-三重态湮灭上转换单元的染料敏化太阳能电池，通过双腔室组装与光电测试提升低能光子响应，实现创纪录的性能指标。

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

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