Summary
تم إنتاج جهاز متكامل، ودمج خلية والثلاثي، الثلاثي الشمسي إبادة يصل التحويل حدة صباغة توعية، وتكفل تعزيز حصاد الضوء، من باب أوسع من الطيف الشمسي. تحت مستويات متواضعة التشعيع وقد أظهرت استجابة معززة إلى حد كبير في فوتونات الطاقة منخفضة، مما أسفر عن رقم قياسي الجدارة للخلايا الشمسية توعية صباغة.
Abstract
ضعف الاستجابة من خلايا الصبغة توعية الشمسية (DSCS) إلى الضوء الأحمر والأشعة تحت الحمراء هي عائقا كبيرا أمام تحقيق photocurrents أعلى وبالتالي ارتفاع الكفاءة. الفوتون يصل التحويل عن طريق الثلاثي، الثلاثي إبادة (TTA-UC) هو أسلوب جذابة لاستخدام هذه الفوتونات منخفضة الطاقة المهدرة خلاف ذلك لإنتاج photocurrent، بينما لا تتدخل مع أداء photoanodic بطريقة مؤذية. وبالإضافة إلى هذا، TTA-UC لديها عدد من المزايا، متميزة عن غيرها من الفوتون يصل التحويل التكنولوجيات المبلغ الذي يجعلها مناسبة خاصة لاقتران مع التكنولوجيا DSC. في هذا العمل، وارتفاع أداء النظام TTA-UC ثبت، تضم محسس البلاديوم البورفيرين وباعث rubrene، وجنبا إلى جنب مع DSC عالية الأداء (باستخدام الصبغة العضوية D149) في جهاز متكامل. يقوم الجهاز بعرض استجابة معززة للضوء ذات فجوة الحزمة الفرعية على نطاق امتصاص الوحدة الفرعية TTA-UC مما أدى إلى أعلى فايجوري الجدارة ليصل التحويل ساعد الأداء DSC حتى الآن.
Introduction
وقد أعلن الخلايا الشمسية توعية صبغ (DSCS) كمفهوم واعدة في متناول الجميع جمع الطاقة الشمسية 1-3. على الرغم من هذا الحماس وتسويق على نطاق واسع أن يحدث بعد. تم وضع عدد من الأسباب لهذا الأمام، مع واحد قضية ملحة كونها طاقة عالية نسبيا من ظهور الاستيعاب، مما يحد من تحقيق كفاءة الحصاد ضوء هذه الأجهزة 4. على الرغم من أن هذا يمكن التغلب عليها، وتخفيض بداية امتصاص وعادة ما يرافقه انخفاض في فتح دائرة الجهد، الذي يضعف بشكل غير متناسب أي مكاسب في الكثافة الحالية 5 و 6.
العملية العامة للDSCS تتضمن نقل الإلكترون من صبغة photoexcited لأشباه الموصلات (عادة تيو 2)، تليها تجديد الصبغة تتأكسد بواسطة وسيط الأكسدة. ويبدو أن هذه العمليات تتطلب القوى الدافعة كبيرة (المحتملة) من أجل المضي قدما مع الكفاءة العالية 7 4.
من أجل التغلب على قضية الحصاد الخفيفة المثارة أعلاه، تم اتخاذ عدد من النهج. ويشمل هذا "الجيل الثالث" 8 نهج هياكل جنبا إلى جنب 9 و 10 و الفوتون upconversion 11-14.
مؤخرا 11 أبلغنا جهاز متكامل يتكون من العمل DSC ومكافحة الكهربائي، مع إبادة الثلاثي، الثلاثي القائم يصل التحويل (TTA-UC) نظام أدرجت فيإلى الهيكل. كان هذا العنصر TTA-UC قادرا على حصاد الضوء الأحمر تنتقل عن طريق الطبقة النشطة كيميائيا وتحويله (كما هو موضح بالتفصيل أدناه) إلى الفوتونات طاقة أعلى مما يمكن أن تمتصه طبقة نشطة من DSC وتوليد photocurrent. هناك نوعان من النقاط الهامة ملاحظة حول هذا النظام. أولا، TTA-UC العديد من المزايا المحتملة اكثر من غيرها من أنظمة الفوتون upconversion 11؛ ثانيا فإنه يدل على الهندسة المعمارية الممكنة (إثبات صحة المبدأ) لدمج TTA-UC، الذي كان قد تفتقر من TTA-UC الأدب يصل إلى تلك النقطة.
عملية TTA-UC 15-24 ينطوي على الإثارة من "المحسسات" الجزيئات، في هذه الحالة البروفيرين المشتريات، بواسطة ضوء مع طاقة أقل من طاقة الجهاز الحدوث. المحسسات-القميص متحمس تخضع معبر intersystem السريع للدولة الثلاثي أدنى للطاقة. من هناك، فإنها يمكن تحويل الطاقة إلى دولة أرض الواقع قبول الثلاثي "باعث & #8217. الأنواع مثل rubrene، طالما يسمح للنقل بواسطة الطاقة الحرة 25. الدولة الثلاثية الأولى من rubrene (T 1) أكبر من نصف الطاقة من أول حالته القميص متحمس (S 1) ولكن أقل من نصف الطاقة من T 2، وهذا يعني أن مجمع قاء اثنين من rubrenes-ثلاثية متحمسون يمكن إبادة ل تعطي واحدة القميص جزيء متحمس باعث (والآخر في الحالة الأرضية) مع وجود احتمال كبير إلى حد ما. الدول الأخرى، وتوقع إحصائيا، هي على الأرجح لا يمكن الوصول إليها بقوة لrubrene 26. يمكن للجزيء القميص rubrene متحمس ثم تنبعث من الفوتون (كما في مضان) مع طاقة كافية لإثارة الصبغة على القطب عمل DSC. تظهر هذه العملية في الرسوم المتحركة 1.
تقدم TTA-UC عدد من المزايا مقارنة بأنظمة UC أخرى، مثل مجموعة امتصاص واسع وغير متماسكة طبيعة 27، 28، مما يجعلها خيارا جذابا للفصول التوجيه الجامعيpling مع DSC (وكذلك اللقاح الفموي). وقد تجلى TTA-UC تعمل على شدة الخفيفة منخفضة نسبيا وفي ظروف الإضاءة المنتشرة. كلا DSC واللقاح هي الأكثر كفاءة في النظام منخفضة كثافة الضوء. تركيز الطاقة الشمسية مكلفة ومبررا فقط من أجل كفاءة عالية، وأجهزة عالية التكلفة. أداء عال نسبيا من أنظمة TTA-UC في ظروف الإضاءة المنخفضة الكثافة يعزى إلى عملية تنطوي chromophores محسس مع قوية، والعصابات امتصاص واسعة بالتنسيق مع الدول المعمرة الثلاثي التي هي قادرة على نشرها من أجل تتلامس مع التفاعل الأنواع . بالإضافة إلى ذلك، تم العثور TTA-UC لديك الكفاءة الذاتية العالية من دراسة الحركية 26.
على الرغم من TTA-UC تعمل في شدة الضوء المنخفضة، لا يزال هناك علاقة بين شدة الضوء التربيعية الحادث والضوء المنبعث (على الأقل في شدة الإضاءة الخافتة). ويرجع ذلك إلى طبيعة ثنائي الجزيء من هذه العملية. لحسابلهذا وظروف تجريبية مختلفة (وخاصة شدة الضوء) ذكرت من قبل مجموعات مختلفة، ينبغي استخدام هذا الرقم من الجدارة (فم) نظام إلى متر وتحسين الأداء التي تقدمها upconversion. وقد عرف هذا فم كما ΔJ SC / ʘ، حيث ΔJ SC هو زيادة في الدوائر الحالية قصيرة (تحدد عادة عن طريق دمج الحادث الفوتون لشحن كفاءة الناقل، IPCE، مع وبدون تأثير upconversion) وʘ هو الطاقة الشمسية فعالة التركيز (على أساس تدفق الفوتون في المنطقة المعنية، وهذا هو امتصاص الموجات Q المادة المحسسة) 2 29.
هنا، يقال بروتوكول لإنتاج وتميز بشكل صحيح جهاز DSC-TTA-UC متكامل، مع إيلاء اهتمام خاص لالمزالق المحتملة في اختبار الجهاز. ومن المؤمل أن هذا سيكون بمثابة أساس لمزيد من العمل في هذا المجال.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. DSC تلفيق
1.1. العمل الكهربائي التحضير
- نظيفة ورقة واحدة كاملة من F: سنو 2 الزجاج المطلي (110 مم × 110 مم × 2.3 مم، <8 Ω / □) بواسطة صوتنة بالتتابع في الماء والصابون، ثم الأسيتون وأخيرا الإيثانول (10 دقيقة لكل منهما).
- إيداع طبقة كثيفة من تيو 2 باتباع الخطوات التالية:
- الزجاج الجاف باستخدام الهواء المضغوط الزجاج والحرارة إلى 450 درجة مئوية على موقد (الجانب موصل متابعة).
- مخفف التيتانيوم diisopropoxide مكرر (acetylacetonate) (75٪ بالوزن في الأيزوبروبانول) مع الإيثانول في نسبة 1: 9.
- رش محلول مخفف على الزجاج ساخنة من مسافة ~ 100 ملم، مع خمسة رشاشات عبر ورقة الزجاج.
- رش جولة واحدة لكل 10 ثانية لمدة 12 جولات.
- إبقاء الزجاج في 450 درجة مئوية لمدة 5 دقائق أخرى، قبل إغلاق موقد. ترك الزجاج على موقد والسماح لتبرد ببطء لRT.
- وضع على الزجاجالجدول طابعة الشاشة (مرة أخرى موصل الجانب متابعة). إدراج الشاشة ومحاذاة إلى نمط الزجاج. إضافة تيو 2 معجون لطباعة الشاشة واحدة أو طبقتين. إذا إيداع طبقتين، وإزالة لوحة من الزجاج طابعة من بين المطبوعات، والسماح لتغطية تسوية ل~ 5 دقائق، ثم الحرارة إلى 125 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة قبل أن تعود إلى الطابعة لطباعة طبقة اللاحقة.
- مرة واحدة الطباعة النهائية يتم تشغيل برنامج الملبد الكامل. تسخين الأقطاب إلى 150 درجة مئوية في 12.5 درجة / دقيقة، وعقد 10 دقيقة، ثم إلى 325 درجة مئوية في 11.7 درجة / دقيقة، وعقد 5 دقائق، ثم إلى 375 درجة مئوية في 10 ° / دقيقة، وعقد 5 دقائق، ثم إلى 450 ° C عند 10.7 درجة / دقيقة، وعقد 30 دقيقة وأخيرا إلى 500 درجة مئوية في 10 ° / دقيقة، وعقد 15 دقيقة. تبرد ببطء لRT بعد ذلك.
- قطع لوحة رئيسية إلى أقطاب الفردية ضمان وجود مساحة كافية حول الفيلم المطبوعة لطوقا ليتم تطبيقها بعد. إزالة أي شظايا الزجاج باستخدام الهواء المضغوط.
- تزج الأقطاب في 20 ملي TiCl 4
- مرة واحدة يتم تبريده الى أقل من 100 درجة مئوية، وتزج الأقطاب في محلول الصبغة 0.5 ملم. في هذه الحالة استخدام، D149 في الأسيتونيتريل: tertbutanol (1: 1).
- بعد صباغة O / N إزالة الأقطاب وشطف بقوة في الأسيتونيتريل ل~ 30 ثانية ثم السماح للجلوس لمدة 30 ثانية أخرى. سحب أقطاب من حمام الشطف والجافة مع الهواء المضغوط.
1.2. مكافحة الكهربائي التحضير
- قطع ورقة أخرى من 2.3 مم F: سنو 2 الزجاج إلى 18.3 ملم × 27.5 ملم قطعة.
- تزج القطب المضاد في الماء وحفر ثقب صغير في الزاوية (φ = 1 ملم، 2.5 ملم من كل زاوية) لاستخدام كميناء ملء، وذلك باستخدام الماس يميل لدغ الأسنان تقام في تدريبات مقعد صغير.
- نظيف القطب المضاد حسب القسم 1.1.1
- القطب المضاد الجاف ومكان على البلاط مع موصل لأعلى. تطبيق قطرة واحدة من محلول حمض بلاتينيك (H 2 شركة الاتصالات الباكستانية 6 و 10 ملم في الإيثانول) وانتشرت مع نهاية ماصة. مكان البلاط على مسخن (400 ° C) موقد لمدة 15 دقيقة. بعد هذا، وإزالة الزجاج والبلاط والسماح لتبرد على مقاعد البدلاء.
1.3. عاكس
- قطع قطعة من الزجاج نونكوندوكتيفي 2 مم إلى 18.3 مم × 27.5 مم وحفر اثنين من الثقوب في الزوايا المجاورة على طول حافة طويلة، وذلك باستخدام نفس الأسلوب بالنسبة للالقطب المضاد (القسم 1.2.2).
- الزجاج النظيف، مرة واحدة باستخدام نفس البروتوكول على النحو الوارد أعلاه (1.1.1)
- الشريط الزجاج نظيفة وجافة لمقاعد البدلاء من ثلاث جهات، وذلك باستخدام الشريط بقايا المنخفض. تطبيق قطرة من آل 2 يا 3 لصق (2.0 غرام من 0.3 ميكرون آل 2 يا 3 الجسيمات، 2 مل الغروية آل 2 O 3 + 1 مل ايثانول) وسحب بقضيب الزجاج.
- فيلم سماح لتجف، وإزالة الشريط والاشتراكيةالزجاج nter على 500 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
1.4. الجمعية جهاز
- قطع دفعتين جوانات لاصقة تذوب الساخنة.
ملاحظة: الأولى، لDSC، هو 25 ميكرون سميكة، ولها أبعاد الداخلية لل17 ملم × 8 مم والأبعاد الخارجية من 21 ملم × 12 ملم. المجلس الأعلى للتعليم، للغرفة upconversion، يستخدم مواد طوقا 60 ميكرون الضعف خلال إعطاء 120 ميكرون سمك. عندما مطوية، وهذا طوقا له أبعاد الداخلية لل17 مم × 21 مم والأبعاد الخارجية 21 مم × 25 مم. - وضع طوقا الأول في زاوية القطب المضاد، وضمان ميناء الملء يمكن الوصول إليه. وضع قطب كهربائي يعمل على هذا، ان هذه المنطقة المطبوعة تماما داخل حشية، والحصول على ختم جيدة.
- نقل هذا التجمع إلى موقد (120 درجة مئوية) والضغط حتى يلين ويذوب حشية، والتي يمكن ملاحظتها بصريا حيث يبلل طوقا الأسطح الزجاجية. إزالة التجمع والسماح لتبرد.
- مكانطوقا الثاني على العاكس، لا يتم تغطية ضمان مرة أخرى ملء الموانئ. وضع DSC على رأس هؤلاء أن المنطقة المطبوعة مباشرة أمام العاكس الألومينا المطبوعة. مرة أخرى حرارة الجهاز أثناء ممارسة الضغط، حتى يخفف حشية ويلتزم، كما في القسم 1.4.3. ويظهر هذا التجمع في الشكل 1.
1.5. ملء التجاويف
- إعداد حل بالكهرباء 0.1 M ااا، 0.6-M 1،2 ثنائي ميثيل-3-propylimidazolium يوديد و 0.05 M اليود في methoxypropionitrile.
- وضع الجهاز في حاوية بلاستيكية صغيرة مع أنبوب فراغ المرفقة، مع القطب المضاد متجهة لأعلى.
- وضع قطرة من حل بالكهرباء خلال ثقب وقطعة من الزجاج على القمة. تطبيق فراغ لبضعة ثانية لاستخراج الهواء من تجويف DSC، قبل الإفراج، والتي سوف رسم بالكهرباء في تجويف.
- إعداد الأختام من الترقق الساخنة تذوب المواد طوقا على رقائق الألومنيوم. ترك هذه على موقد، gaskوآخرون الجانب المادي المباراة. تنظيف الجزء الخلفي من القطب المضاد تماما، ثم ختم عن طريق الضغط على جهاز ضد المواد طوقا ل~ 5 ثانية.
- يعد حل TTA-UC عن طريق إذابة 0.6 ملم من المشتريات صبغ (tetrakis(3,5-di-tert-butylphenyl)-6'-amino-7'-nitro-tetrakisquinoxalino[2,3-b'7,8-b''12,13-b'''17,18-b''''-porphyrinato) البلاديوم (II)) و 22 ملم من rubrene في البنزين. Deaerate هذا الحل بدقة باستخدام النيتروجين السائل ثلاث دورات تجميد أذاب مضخة.
- داخل صندوق قفازات، ويعرض الحل TTA-UC في التجويف الخلفي، مما يسمح للقوات الشعرية لاستدراجه من خلال. مرة واحدة كاملة، مرة أخرى تنظيف السطح جيدا وختم باستخدام قطعة أخرى من الألمنيوم طوقا المواد المدعومة.
2. القياس
2.1. اتصالات الكهربائية
- تطبيق لحام يتعرض F: سنو 2 من أقطاب العمل ومكافحة استخدام حام الحديد لحام الصوتية والمناسب. نعلق الأسلاك إلى القطب الموجب والسالب باستخدام لحام عادي.
- تطبيق الأشعة فوق البنفسجية للشفاء الايبوكسي لفتح الحواف.
ملاحظة: يتم ذلك لتكون بمثابة التغليف الثانوي للجهاز ضد دخول الاوكسجين وتبخر المذيبات، وكذلك زيادة متانة الجهاز، وخاصة المرفق السلك. - إرفاق الأنود والكاثود إلى سلك كابل BNC مفتوح العضوية من خلال محطة كتلة.
2.2. إعداد IPCE القياس
- باستخدام الإعداد أظهرت تخطيطي في الشكل 2، تركيب جهاز متكامل على حامل الخلية.
- إلقاء الضوء على جزء من جهاز متكامل (~ 2 مم × 1 مم) مع 670 نانومتر المستمر شعاع موجة الليزر (ل"مضخة شعاع ') عبر مرآة على جبل قابل للتعديل.
- تضيء المتكاملة TTA DSC-UC غير متماسكة مع ضوء شبه أحادية اللون (في 'التحقيق شعاع') تم إنشاؤها باستخدام مصباح XE، مرت أولا من خلال مرشح longpass 405 نانومتر، ثم المروحيةص عجلة تعمل على 29 هرتز، وهو مستوحد اللون، وهي شريحة زجاجية الزاوية (تستخدم هنا كما ~ 4٪ شعاع الخائن) ومرآة مكافئ. توليد السكان ثلاثية الخلفية في طبقة TTA-UC بواسطة مثيرة طبقة UC مع شعاع مضخة، والذي هو حادث في مثل زاوية أنه لا إلقاء الضوء على الطبقة النشطة بحثها DSC لكن طبقة UC فقط.
- محاذاة المضخة والتحقيق شعاع على طبقة TTA-UC باستخدام مرآة جبل قابل للتعديل. قياس الدوائر الحالية قصيرة الناتجة عن التحقيق كما تم مسحها عبر الطيف المرئي في 5 زيادات نانومتر باستخدام جهاز اكتساب إشارة دينامية، مكبر للصوت الحالي وبرامج التحكم في المنزل.
- في وقت واحد تسجيل تباين قوة شعاع التحقيق ينعكس من شريحة زجاجية مع السلطة متر والثنائي الضوئي مع الانتاج التناظرية لتغذية الجهاز إشارة شراء. تصحيح J SC من الجهاز عن طريق الاختلاف التحقيق في البرنامج.
- تهجير شعاع مضخة باستخدام المرآة قليلا قابل للتعديل جبل، بحيث يضرب الطبقة النشطة من الجهاز المجاور لشعاع التحقيق. تكرار قياس والتحقيق مع مضخة شعاع المنحرفة.
- تسجيل ست مجموعات من القياسات مع التوافق واختلال في نفس المواقف لتحسين إشارة إلى نسبة الضوضاء.
- تقليل كثافة شعاع مضخة عن طريق وضع على شعاع مضخة مختلفة مرشحات الكثافة محايدة مع الإرسال المعروفة في 670 نانومتر، وكرر الخطوات من 2.2.4 إلى 2.2.7 لمجموعة من شدة.
- قياس الجهاز J متكاملة SC بدون مصدر شعاع مضخة نشطة.
- قياس قوة الحادث التحقيق على DSC من حيث الحالية الناتجة عن الثنائي الضوئي الثنائي الضوئي عن طريق وضع في موقف العينة.
- قياس نقل الجهاز درس مع الغرفة UC إزالتها باستخدام مقياس الطيف الضوئي المرئي والأشعة فوق البنفسجية للحصول على الطيف انتقال، T DSC.
ملاحظة: هذا يمكن ان يتم ذلك بالتناوب بين الخطوات 1.4 و 1.5.
- قياس قوة مضخة شعاع في موقف DSC لكل حالة التصفية المستخدمة، وذلك باستخدام الضوئي والسلطة متر (كما هو موضح في القسم 2.2.10).
- التقاط صورة من شعاع مضخة إسقاط على قطعة من الورق الشبكة في موقف ما يعادل حيث كانت طبقة TTA أثناء التجربة. تخفيف بشدة شعاع إذا لزم الأمر لمنع تشبع كاشف الكاميرا. استخدام هذه الصورة وتحليل الصور البرمجيات لتحديد حجم البقعة المضخة.
معالجة البيانات 3.
3.1. أقحم كل البيانات إلى 1 الزيادات نانومتر.
3.2. IPCE تحديد
- حساب تدفق الفوتون (φ) الوصول إلى جهاز متكامل من قوة مسبار قياس والتيار الناتجة عن الثنائي الضوئي (I) والشحنة الكهربائية (ف):
- حساب الفوتون الحادث الخلية إلى كفاءة الإلكترون المحولة (IPCE 0) من ديفيم من قياس SC J دون إضاءة مضخة وتدفق التحقيق.
- أخذ النسب بين القياسات مع مضخة والتحقيق الانحياز والمنحرفة للحصول على التحسينات النسبية من تفعيل يصل محول.
- تركيز الطاقة الشمسية تحديد عامل
- تحويل معامل الانقراض المادة المحسسة في القسم امتصاص الصليب، σ.
- الحصول على معدل الإثارة المادة المحسسة تحت معيار AM1.5G الطيف الشمسي، ك (φ) من خلال اتخاذ المنتجات من كثافة تدفق الفوتون من الطيف الشمسي، النفاذية للDSC والمحسسات (σ) في كل الطول الموجي ثم بجمع المنتجات عبر محسس امتصاص الموجات Q، عادة 600 نانومتر إلى 750 نانومتر.
- حساب من الصلاحيات وحجم البقعة من مصدر مضخة، وكثافة تدفق الفوتون من المضخة مع مختلف مرشحات الكثافة محايدة. ثم تأخذ المنتجات من كثافة التدفق، النفاذية للDSC والمحسسات في670 نانومتر للحصول على معدلات الإثارة المضخة.
- حساب معامل تركيز الطاقة الشمسية (ʘ) من نسبة معدل الإثارة المضخة إلى معدل الإثارة في ظل ظروف AM1.5G.
3.3. نموذج تركيب وأرقام تحديد الاستحقاق
- تناسب نموذج لتعزيز النسبي = 1 + × ثابت (T DSC / IPCE 0) × [(ضخ σ σ × التحقيق) / (مضخة + σ σ التحقيق)]، على تعزيز النتائج التجريبية، حيث مضخة σ σ التحقيق و هي المقاطع العرضية فيما يتعلق المضخة والتحقيق الأطوال الموجية. يتم إصلاح مضخة σ لكل شدة المضخة والتحقيق σ يختلف مع الطول الموجي.
- تقدير في تعزيز J SC الحصول عليها من تأثير upconversion (ΔJ SC) من الاختلافات بين IPCE UC وIPCE 0 والكثافة تدفق الشمسيةذ.
- حساب حرية التنقل بواسطة تطبيع ΔJ SC على مربع عامل تركيز الطاقة الشمسية، ومنذ TTA-UC ديه الاعتماد من الدرجة الثانية على مدخلات الطاقة في انخفاض شدة الإثارة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
الأرقام 3A - D الردود تعزيز عرض قياسها في ظل ظروف مختلفة للقياس، مع آثار مناقشتها بمزيد من التفصيل أدناه. من الخام التحسينات الكثافة الحالية يجب أن يكون واضحا أن النتائج في الشكل 4A و 4B تعزى إلى upconversion، مع تعزيز الذروة الحالية وتعزيز IPCE مطابقة تماما مع طيف الامتصاص المادة المحسسة، الموهن من انتقال العدوى عن طريق الطبقة النشطة لل DSC.
من أجل تجنب القطع الأثرية قياس قدمه يتحامل شعاع الليزر مضخة تم تعديلها لتصل إلى طبقة جامعة كاليفورنيا في زاوية أكبر للشعاع التحقيق، أظهرت تخطيطي في الشكل 2. يبين الشكل 4A تعزيز يتحامل دون تأثير كبير، في حين أن كلا الرقمين 4C وتتأثر 4D هذه المشكلة. نتيجة لalignme الصحيحيظهر NT على القياسات في الشكل 4A حيث الفرق في J SC يعكس خاصية امتصاص المادة المحسسة التي لديها ذروة الامتصاص في 675 نانومتر. وبصرف النظر عن المنطقة امتصاص المادة المحسسة والمنطقة شفافة للجهاز، وجزءا لا يتجزأ الفرق في J SC في الضوضاء.
ويمكن ملاحظة تعزيز IPCE النسبي الكبير للجهاز متكامل في النهاية الحمراء من الطيف المرئي في الشكل 4C. ومع ذلك، فإن إدراج في الشكل 4C مما يدل على الفرق بين القياسات SC J الانحياز والمنحرفة، لا يعكس الملكية الطيفية للالمحسسة. محاذاة المضخة والتحقيق يبدو لتعزيز أداء الخلية عبر كامل الطيف المرئي وتشير إلى أن تعزيز يأتي من فخ التعبئة التي تعزز من الأداء العام للجهاز، نظرا ليزر يتحامل 30.
من أجل VER ify الاشتباه، تم استبدال جهاز متكامل بعبوة مماثلة إلا أن تركت الغرفة UC فارغة (الشكل 4D). تحت حالة تجريبية متطابقة، وقد وجد تعزيز عبر الطيف المرئي. ويؤكد تأثير تعزيز السابق يأتي من بدلا من TTA-UC-يتحامل الليزر. في حالة الجهاز دون حل TTA-UC، حيث تنتشر غالبية الليزر إلى الجهاز، وتأثير يتحامل هو أكثر أهمية.
يوسع الرقم 5 على النتائج المبينة في أرقام 4A و 4B. في هذه الحالة، تم تعديل شدة الضوء من شعاع مضخة 6-27 ʘ. وينظر على نطاق ΔJ SC مع مربع شدة الضوء، وفقا لتوقعات (قانون السلطة تناسب 2.02). على هذا النحو، وينظر في فم أن تكون شدة الضوء مستقلة، مما يوحي بأن نظام TTA-UC محدودة بسبب عمليات ثنائي الجزيء.
: المحافظة على together.within الصفحات = "دائما"> 
الرسوم المتحركة 1: عملية تخطيطية من الثلاثي، الثلاثي إبادة الفوتون يصل التحويل مع PQ4PdNA محسس وrubrene باعث، مما أدى الإضاءة من صبغ D149 وحقن الإلكترون لاحق إلى تيو 2 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 1. تكوين الأجهزة، قبل إدخال المكونات السائلة. وتوضع الطبقات معا ومختومة من قبل تطبيق الحرارة لتليين طبقات حشية."> اضغط هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2. الإعداد لقياس تعزيز. المشع والجهاز متكامل بواسطة التضمين ضوء أحادي اللون غير متماسكة من مصدر الضوء الأبيض (مصباح يحركها الليزر) مرت من خلال مستوحد اللون، وركز achromatically على العينة بواسطة مرآة مكافئ خارج المحور. يتم تقسيم ضوء التحقيق مع فلتر الزجاج (شعاع المشقق) ويتم الكشف عن ضوء التحقيق التي تعكسها الثنائي الضوئي تعلق على السلطة متر. طبقة TTA-UC للجهاز متكامل هو متحمس بشكل مستمر من قبل 670 نانومتر ليزر الموجة المستمرة (مضخة) لتوليد ثلاثة توائم الخلفية للسماح للتأثير تعزيز TTA-UC أن بحث مع ضعف شعاع أحادي اللون. ويتم تغذية التيار الناتج من الجهاز من خلال مكبر للصوت وقنينة الحاليالأحمر بواسطة قفل في التضخيم. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 3. الممثل تظهر البيانات (A) تعزيز IPCE النسبي (العقيد (الانحياز) / عمود (المنحرفة) وفرق الاستجابة (العقيد (الانحياز) -col (المنحرفة) متوسط من ستة الانحياز وستة قياسات المنحرفة. الفرق استجابة يؤكد شكل الطيفي للتعزيز IPCE هو من الضوء ذات فجوة الحزمة الفرعية حصادها من قبل محسس من يصل محول، كما شكل الطيفي تعزيز مباريات لامتصاص الموجات Q المادة المحسسة و (B) نموذج التحسين النسبي تركيبها (الموصوفة سابقا 31) على منحنى تعزيز IPCE التجريبي لياشارع المربعات المناسب. ويتضمن النموذج نفاذية الخلية، IPCE الخليوي الأصلي (لا مضخة) وامتصاص المواد المحسسة المقطع العرضي المقابلة للتحقيق ومصدر المضخة. ثم يتم استخدام منحنى تعزيز غرار لحساب إضافي قصيرة الدوائر الحالية المتولدة من TTA-UC وبالتالي فم. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 4. تعزيز IPCE (تحت 27 ʘ) يتتبع ل(A) جهاز متكامل مع قياس اختلال الصحيح (أقحم يظهر الربح ردا الخام)، (B) على غرار IPCE النسبي تعزيز أثر للبيانات في (A) مع أقحم يظهر على الخام منحنيات استجابة الحالية للجهاز وايالمضخة والتحقيق ال شعاع الانحياز والمنحرفة (C) نفس الجهاز كما في (A) باستثناء أن المضخة والتحقيق يجري الانحياز في نفس الموقع على القطب النشط، مما أدى إلى قطعة أثرية القياس، ووصف في النص (D) و جهاز متطابقة مع UC غرفة فارغة، وتقاس وفقا (C)، ومواصلة تسليط الضوء على هذه المشكلة القياس، مع أقحم تظهر الزيادة في استجابة الخام. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5. فم اعتماد الجهاز متكامل على عامل التركيز الشمسي. أقحم يبين اعتماد حساب الربح الحالي (ΔJ SC) من TTA-UC مع المحورين علىمقياس لوغاريتمي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
يوفر هذا البروتوكول وسيلة لتحقيق الفوتون يصل التحويل تعزيز DSC والتفاصيل حول كيفية قياس مثل هذا الجهاز بشكل صحيح. على فم يسمح لحساب بسيط من المتوقع تحسينات ΔJ SC المتوقع في شدة الضوء المختلفة، بما في ذلك 1 الشمس. القيم المعروضة هنا هي ثابتة مع شدة الضوء (أقحم من الشكل 4)، وفقا لتوقعات عندما يكون النظام تحت عتبة التشبع 33. مع حرية التنقل، يمكننا توحيد تأثير تعزيز TTA-UC أو العمليات غير UC الخطية الأخرى للسماح سهولة المقارنة.
على الرغم من أن القيم التي تم الحصول عليها في فم هذه الدراسة هي الأعلى بين FoMs ذكرت لDSCS، فإنها لا تزال بعيدة كل البعد عن مصلحة تجارية (~ 1 مللي أمبير ∙ سم -2 ʘ -2). بالإضافة إلى ذلك، يمكن التحسينات بهذا الحجم يكون مشكلة لقياس. في هذا التقرير (وتحديدا في أرقام 3C و 3D) عشروتظهر مخاطر الإلكترونية من تقنية القياس غير صحيحة، حيث يسبب شعاع مضخة ل(إلى حد ما) مشكلة غير متوقعة. قد تكون هذه القضية فريدة من نوعها لDSCS، ولكن إذا كان هناك أي شك من الأهمية بمكان أن التجارب السيطرة (مثل هو مبين في الشكل 3D) وتجري وشروط تعديل وفقا لذلك.
هناك بعض العوامل التي تحد التي تحد من أداء TTA-UC. قبل كل شيء هو معدل تسوس ثلاثية من باعث، rubrene (~ 8،000 ثانية -1 34)، وهو أسرع بكثير من معدل الإثارة المادة المحسسة تحت 1 ʘ الإضاءة (6.8 ثانية -1)، في حين أن معدل TTA من rubrene ثلاثة توائم هي فقط ~ 1 × 10 8 م -1 -1 ثانية، ثلاثة أوامر من حجم أقل من الحد نشر rubrene في المذيبات العضوية المشتركة 35. ونتيجة لذلك هو أن غالبية الثلاثي rubrene يضمحل إلى ارض الدولة قبل تنفيذ نقل واكتساب التكنولوجيا.
من أجلتقليل كمية ثلاثة توائم rubrene تمر تسوس unimolecular قبل TTA يمكن للمرء أن محاولة لزيادة تركيز الثلاثي، من خلال زيادة تركيز المحسسة. للأسف، البروفيرين في حل تميل إلى تجميع بتركيزات عالية، ومحسس محسس-TTA قد تحدث. الحل المحتمل التغلب على هذه القضايا هو أن نعلق محسسات على السطوح جسيمات متناهية الصغر غير العضوية 36. وهذه التركيزات العالية (نسبيا) يجمد المحسسات يمكن استيعابها مع انخفاض التبريد الذاتي، ويمكن أن يزيد من تركيز المحلية من ثلاثة توائم المتاحة لكفاءة نقل واكتساب التكنولوجيا.
المادة المحسسة المستخدمة في هذه الدراسة ليست مثالية لDSC جانب، وامتصاص Q-الفرقة من البورفيرين يتداخل مع بداية امتصاص DSC ل(600-700 نانومتر). وبالتالي هناك خسائر في ضوء المنقولة المتاحة لTTA-UC، كفاءة التي تعتمد على تركيز الثلاثي وبالتالي تدفق الفوتون. نتوقع لقياس أكثر signiتعزيز ficant مع المحسسات التي تمتص أعمق في الأشعة تحت الحمراء مع قرب معبر intersystem كفاءة مماثلة لتلك المستخدمة في هذه الدراسة. يقدم فم مقياس مريحة المقارنة، إذا وعندما يتميز هذا النظام.
الصبغة المستخدمة هنا، D149، هو من بين الأفضل أداء الأصباغ العضوية المتاحة للDSC، ولكن آخرين، مثل N719 أو "الصبغة السوداء" لدينا مزيد من امتصاص الحمراء تحولت onsets 3. من أجل TTA-UC لتعزيز هذه الأجهزة، البروفيرين المناسبة مع الجواذب س الموجات في موجات تحتاج إلى خلق أكبر من 900 نانومتر. من ناحية أخرى، أعلى كفاءة DSC الإبلاغ عنها حتى الآن له بداية امتصاص ~ 730 نانومتر 37، إلا بشكل هامشي وراء ظهور للصبغة المستخدمة هنا.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| (tetrakis(3,5-di-tert-butylphenyl)-6’-amino-7’-nitro-tetrakisquinoxalino[2,3-b'7,8-b''12,13-b'''17,18-b''''-porphyrinato) palladium(II)) | in house | in house | Chem. Commun., 4851–4853 (2007) |
| 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide | Solaronix | 33150 | Material warning: Irritant |
| 405 nm longpass filter | Semrock | BLP01-405R-25 | - |
| 670 nm laser | Thorlabs | LDS5 + CPS198 | - |
| Acetone | Chemsupply | AA008-20L-P | Material warning: Flammable |
| Acetonitrile | Sigma | 271004 | Material warning: Flammable |
| Alumina | Alfa Aesar | 12733 | |
| Alumina | Leeco | 810-782 | |
| Back filling chamber | Sistema | 1303 | Klip it round, modified |
| Benzene | Scharlau | BE0033 | Material warning: Toxic |
| BNC cable | Jaycar | RG- 59U | |
| Cerasolzer | MBR | CS186 | |
| Chopper wheel | Thorlabs | MC1000A | |
| Control software | in house | in house | Written in LabVIEW |
| Current Amplifier | Standford Research | SR 570 | |
| D149 dye | 1m | OSO149 | |
| Dental burr | Priority dental supplies | 835.104.008 | |
| Detergent | Palmolive | Original | |
| Diamond wheel | Frameco | 14220 | |
| Drill | Dremmel | 220 | |
| Dynamic dignal acquisition device | National Instruments | USB-4431 | Analog to Digital |
| Ethanol | Univar | 214 | Material warning: Flammable |
| Glovebox | IT systems | ||
| H2PtCl6 | Sigma | 334472 | Material warning: corrosive |
| Hot melt adhesive gasket | Solaronix | Meltronic 1170-25 | Surlyn |
| Hot melt adhesive gasket | Solaronix | Meltronix 1170-60 | Surlyn |
| Hotplate | Harry Gestigkeit | PR 5 3T / PZ28-3T | |
| Hotplate | IKA | RCT basic | |
| Image analysis software | National Institutes for Health | Image-J | |
| Iodine | Sigma | 326143 | Material warning: corrosive |
| Laser engraver | Universal Laser Systems | PLS6WM | |
| Liquid Nitrogen | Air Liquide | ||
| Lithium Iodide | Aldrich | 518018 | Material warning: toxic |
| Methoxypropionitrile | Sigma | 65290 | Material warning: Flammable |
| Mirror | Thorlabs | PF10-03-P01 | |
| Mirror mount | Thorlabs | KM100 | |
| Monochromator | Spectral Products | CM110 | |
| Neutral density filters | Edmund Industrial Optics | 64-352 | |
| Parabolic mirror | Newport | 50329AL, 50338AL | |
| Photodiode | Newport | 918D-UV-OD3 | |
| Power meter | Newport | 1936-C | |
| Rubrene | Sigma | 551112 | |
| Semi-automatic screen printer | Keywell | KY-500FH | |
| Spray pyrolyser | Glaskeller | ||
| Tape | 3M | Magic Tape | |
| Terminal block | Jaycar | HM3194 | |
| tert-Butanol | Sigma | 360538 | Material warning: Flammable |
| TiCl4 | Sigma | 89545 | Material warning: corrosive |
| Tile | Johnson tiles | ||
| Tile cutter | DTA | DTA-310 | |
| TiO2 paste | Dyesol | NR18-T | - |
| Titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) (75% in isopropanol) | Aldrich | 325252 | Material warning: Flammable |
| Ultrasonic soldering iron | MBR | USS-9200 | |
| UV cure epoxy | Dymax | 425 | Material warning: Irritant |
| UV cure system | Dymax | BlueWave 50 | |
| UV Visible Spectrophotometer | Varian Cary | 1E | |
| Vacuum cuvette | Custom made | Custom made | |
| Vacuum pump | Rotary backed diffusion pump | ||
| Wipes | Kimtech | 34120KC | Kimwipes |
| Xe lamp | Energetiq | LDLSTM EQ-1500 | White light source |
References
- O'Regan, B., Grätzel, M. A low-cost, high-efficiency solar-cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature. 353, 737-740 (1991).
- Grätzel, M.
- Hagfeldt, A., Boschloo, G., Sun, L., Kloo, L., Pettersson, H.
- Tayebjee, M. J. Y., Hirst, L. C., Ekins-Daukes, N. J., Schmidt, T. W. The efficiency limit of solar cells with molecular absorbers: A master equation approach. J. Appl. Phys. 108, 124506 (2010).
- Daeneke, T., Gräf, K., Watkins, S. E., Thelakkat, M., Bach, U. Infrared Sensitizers in Titania-Based Dye-Sensitized Solar Cells using a Dimethylferrocene Electrolyte. ChemSusChem. 6, 2056-2060 (2013).
- Tian, H. N., Yang, X., Chen, R., Hagfelt, A., Sun, L. A metal-free "black dye" for panchromatic dye-sensitized solar cells. Energ. Environ. Sci. 2 (6), 674-677 (2009).
- Daeneke, T., et al. Dye Regeneration Kinetics in Dye-Sensitized Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 134 (41), 16925-16928 (2012).
- Green, M. A. Third Generation Photovoltaics: Advanced Solar Energy Conversion. , Springer. New York, NY. Series in Photonics (2003).
- He, J. J., Lindström, H., Hagfeldt, A., Lindquist, S. E. Dye-sensitized nanostructured p-type nickel oxide film as a photocathode for a solar cell. J. Phys. Chem. B. 103 (42), 8940-8943 (1999).
- Nattestad, A., et al. Highly efficient photocathodes for dye-sensitized tandem solar cells. Nat. Mater. 9 (1), 31-35 (2010).
- Nattestad, A., et al. Dye-Sensitized Solar Cell with Integrated Triplet-Triplet Annihilation Upconversion System. J. Phys. Chem. Lett. 4 (12), 2073-2078 (2013).
- Liu, M., Lu, Y., Xie, Z. B., Chow, G. M. Enhancing Near-Infrared Solar Cell Response Using Upconverting Transparent Ceramics. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 95, 800-803 (2011).
- Shan, G. B., Demopolous, G. P. Near-Infrared Sunlight Harvesting in Dye-Sensitized Solar Cells Via the Insertion of an Upconverter-TiO2 Nanocomposite Layer. Adv. Mater. 22, 4374-4377 (2010).
- Yuan, C., et al. Use of Colloidal Upconversion Nanocrystals for Energy Relay Solar Cell Light Harvesting in the Near-Infrared Region. J. Mater. Chem. 22, 16709-16713 (2012).
- Cheng, Y. Y., et al. Molecular Approaches to Third Generation Photovoltaics: Photochemical Up-conversion. Next Generation (Nano) Photonic and Cell Technologies for Solar Energy Conversion. , 7772-7777 (2010).
- Parker, C. A., Hatchard, C. G. Delayed Fluorescence from solutions of Anthracene and Phenanthracene. P. R. Soc. London. 269, 574-584 (1962).
- Zhao, J., Ji, S., Guo, H. Triplet-Triplet Annihilation Based Upconversion: From Triplet Sensitizers and Triplet Acceptors to Upconversion Quantum Yields. RSC Adv. 1, 937-950 (2011).
- Singh-Rachford, T. N., Castellano, F. N. Photon Upconversion Based on Sensitized Triplet-Triplet Annihilation. Coordin. Chem. Rev. 254, 2560-2573 (2010).
- Baluschev, S., et al. Up-Conversion Fluorescence: Noncoherent Excitation by Sunlight. Phys. Rev. Lett. 97, 143903 (2006).
- Ceroni, P. Energy Up-Conversion by Low-Power Excitation: New Applications of an Old Concept. Chem. Eur. J. 17, 9560-9564 (2011).
- Penconi, M., Ortica, F., Elisei, F., Gentili, P. G. New Molecular Pairs for Low Power Non-Coherent Triplet-Triplet Annihilation Based Upconversion: Dependence on the Triplet Energies of Sensitizer and Emitter. J. Lumin. 135, 265-270 (2013).
- Liu, Q., Yang, T., Feng, F., Li, F. Blue-Emissive Upconversion Nanoparticles for Low-Power-Excited Bioimaging in Vivo. J. Am. Chem. Soc. 134, 5390-5397 (2012).
- Simon, Y. C., Weder, C. Low-Power Photon Upconversion through Triplet-Triplet Annihilation in Polymers. J. Mater. Chem. 22, 20817-20830 (2012).
- Jankus, V., et al. Energy Conversion via Triplet Fusion in Super Yellow PPV Films Doped with Palladium Tetraphenyltetrabenzoporphyrin: a Comprehensive Investigation of Exciton Dynamics. Adv. Funct. Mater. 23, 384-393 (2013).
- Cheng, Y. Y., et al.
- Cheng, Y. Y., et al. Kinetic Analysis of Photochemical Upconversion by Triplet-Triplet Annihilation: Beyond Any Spin Statistical Limit. J. Phys. Chem. Lett. 1 (12), 1795-1799 (2010).
- Baluschev, B., et al. Upconversion with ultrabroad excitation band: Simultaneous use of two sensitizers. Appl. Phys. Lett. 90, 181103 (2007).
- Borjesson, K., et al. Photon upconversion facilitated molecular solar energy storage. J. Mater. Chem. A. 1, 8521-8524 (2013).
- Cheng, Y. Y., et al. Improving the light-harvesting of amorphous silicon solar cells with photochemical upconversion. Energ. Environ. Sci. 5 (5), 6953-6959 (2012).
- Dominici, L. Dye-Sensitized Solar Cells: Basic Photon Management Strategies. Solar Cells - Dye-Sensitized Devices. Kosyachenko, L. A. , InTech. 291 (2011).
- Schulze, T. F., et al. Photochemical Upconversion Enhanced Solar Cells: Effect of a Back Reflector. Aust. J. Chem. 65 (5), 480-485 (2012).
- Schulze, T. F., et al. Efficiency Enhancement of Organic and Thin-Film Silicon Solar Cells with Photochemical Upconversion. J. Phys. Chem. C. 116 (43), 22794-22801 (2012).
- Haefele, A., Blumhoff, B., Khnayzer, R. S., Castellano, F. Getting to the (Square) Root of the Problem: How to Make Noncoherent Pumped Upconversion Linear. J. Phys. Chem. Lett. 3, 299-303 (2012).
- Lewitzka, F., Löhmannsröben, H. G. Investigation of Triplet Teracene and Triplet Rubrene in Solution. Z. Phys. Chem. 150, 69-86 (1986).
- Ventura, B., Esposti, A. D., Koszarna, B., Gryko, D. T., Flamigni, L. Photophysical characterization of free-base corroles, promising chromophores for light energy conversion and singlet oxygen generation. New J. Chem. 29, 1559-1566 (2005).
- MacQueen, R. W., et al. Nanostructured upconverters for improved solar cell performance. Proceedings SPIE. 8824, 882408-882409 (2013).
- Yella, A., et al. Porpyrin-sensitized Solar Cells with Cobalt (II/III)-based redox electrolyte exceed 12 percent efficiency. Science. 334, 629-634 (2011).
