Summary
En integreret enhed, der omfatter et farvestof-sensibiliserede solcelle og triplet-triplet udslettelse opkonvertering enhed blev produceret, selskabskapitalen forstærket lys høst, fra en bredere del af solens spektrum. Under beskedne bestråling niveauer et væsentligt forbedret reaktion på lavenergi fotoner blev demonstreret, hvilket gav et rekordstort tal på merit for dye-sensibiliserede solceller.
Abstract
Den dårlige reaktion dye-sensibiliserede solceller (DSC) til rødt og infrarødt lys er en væsentlig hindring for realiseringen af en højere fotostrømme og dermed højere effektivitet. Foton opkonvertering ved hjælp af triplet-triplet udslettelse (TTA-UC) er en attraktiv teknik for at bruge disse ellers spildte lavenergi fotoner til at producere fotostrøm, mens der ikke interfererer med photoanodic ydeevne i en skadelig måde. I forlængelse af dette, TTA-UC har en række funktioner, der adskiller sig fra andre rapporterede foton opkonvertering teknologier, hvilket gør den særligt egnet til kobling med DSC-teknologi. I dette arbejde, en gennemprøvet højtydende TTA-UC-systemet, omfatter en palladium porfyrin sensibilisator og rubrene emitter, er kombineret med en høj ydeevne (DSC udnytte organisk farvestof D149) i en integreret enhed. Enheden viser en forbedret respons på sub-båndgab lys over absorptionen vifte af TTA-UC underenhed resulterer i den højeste figur af merit for opkonvertering assisteret DSC hidtidige resultater.
Introduction
Dye-sensibiliserede solceller (DSC) er blevet udråbt som et lovende koncept i overkommelig solenergi kollektion 1-3. På trods af denne entusiasme, har udbredt kommercialisering endnu at forekomme. En række årsager er blevet fremført for dette, med et presserende problem er den forholdsvis høje energi absorption debut, begrænser den opnåelige lyshøstende effektiviteten af disse enheder 4. Selv om dette kan overvindes, sænke absorption debut typisk ledsaget af et fald i tomgangsspænding, som i uforholdsmæssig grad udhuler eventuelle gevinster i strømtæthed 5, 6.
Den generelle drift af DSC involverer elektron overførsel fra en photoexcited farvestof til en halvleder (typisk TiO2), efterfulgt af regenerering af det oxiderede farvestof ved en redox mægler. Begge disse processer synes at kræve betydelige drivkræfter (potentielle) for at fortsætte med høj effektivitet 7 4.
For at overvinde den lyshøstende rejste spørgsmål ovenfor er der blevet taget en række tiltag. Dette omfatter "tredje generation" 8 tilgange tandem strukturer 9, 10 og foton opkonvertering 11-14.
For nylig 11 vi rapporteret en integreret enhed, der består af en DSC-arbejds-og modelektroden, med en triplet-triplet udslettelse baseret op-konvertering (TTA-UC) system indbygget itil strukturen. Dette TTA-UC element var i stand til at høste rødt lys transmitteres gennem det aktive lag og kemisk konvertere det (som beskrevet detaljeret nedenfor) til højere energi fotoner, der kan absorberes af det aktive lag af DSC og generere fotostrøm. Der er to vigtige punkter at bemærke om dette system. For det første TTA-UC har mange potentielle fordele frem for andre foton opkonvertering systemer 11; For det andet viser en mulig arkitektur (proof-of-principle) til inkorporering af TTA-UC, som havde manglet fra TTA-UC litteratur op til dette punkt.
Processen TTA-UC 15-24 involverer excitering af 'overfølsomhed' molekyler, i dette tilfælde Pd porphyriner med lys med energi under enheden indtræden energi. Singlet-begejstrede sensibilisatorer undergå hurtig intersystemkrydsning til det laveste energi triplet tilstand. Derfra kan de overføre energi til en grundtilstand triplet-accept "emitter & #8217 arter såsom rubrene, så længe overførslen er tilladt ved fri energi 25. Den første triplet tilstand rubrene (T 1) er større end halvdelen af den energi af sin første exciterede singlet-tilstand (S 1), men mindre end halvdelen af den energi T 2, hvilket betyder, at et møde kompleks af to triplet-exciterede rubrenes kan tilintetgøre til give én singlet ophidset emitter molekyle (og den anden i grundtilstand) med en temmelig høj sandsynlighed. Andre stater, statistisk forudsagt er mest sandsynligt energisk utilgængeligt for rubrene 26. Singlet ophidset rubrene molekyle kan derefter udsende en foton (som pr fluorescens) med energi nok til at excitere farvestoffet på arbejdsmiljøet elektrode af DSC. Denne proces er vist i Animation 1.
TTA-UC giver en række fordele i forhold til andre UC-systemer, såsom en bred absorption rækkevidde og usammenhængende karakter 27, 28, hvilket gør det en attraktiv mulighed for coukrølle med DSC (såvel som OPV). TTA-UC er blevet demonstreret i drift ved relativt lave lysintensiteter og i diffuse lysforhold. Både DSC og OPV er mest effektive i lav lysintensitet regime. Solar koncentration er dyrt og kun er berettiget til høj effektivitet, høje omkostninger enheder. Den relativt høje ydeevne TTA-UC-systemer i lav intensitet lysforhold kan henføres til den proces, der involverer overfølsomhed chromophorer med stærke, brede absorptionsbånd i koncert med langlivede triplet stater, som er i stand til at diffundere med henblik på at komme i kontakt med interagerende arter . Desuden har TTA-UC vist sig at have høj iboende effektivitet af en kinetisk undersøgelse 26.
Selvom TTA-UC opererer ved lav lysintensitet, er der stadig en kvadratisk sammenhæng mellem indfaldende lys intensitet og udsendte lys (mindst ved lave lysintensiteter). Dette skyldes den bimolekylære karakter af processen. For at redegørefor dette og de forskellige eksperimentelle betingelser (især lys intensitet) rapporteret af forskellige grupper, bør en godhedstal systemet (FOM) anvendes til at afmåle ydelsesforbedring tilbydes af opkonvertering. Denne FoM er blevet defineret som ΔJ SC / ʘ, hvor ΔJ SC er stigningen i kortslutningsstrøm (normalt bestemmes ved integration af foton at ladningsbærer Effektivitet, IPCE, med og uden opkonvertering effekt) og ʘ er den effektive sol koncentration (baseret på fotonflux i den pågældende region, der er Q-band absorption af sensibiliserende) 2 29.
Heri er en protokol til at producere og korrekt karakteriserer en integreret DSC-TTA-UC-enhed rapporteret, med særlig vægt på potentielle faldgruber i test af enheden. Det er håbet, at dette vil danne grundlag for det videre arbejde på dette område.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. DSC Fabrication
1.1. Working Elektrode Forberedelse
- Ren en hel ark F: SnO 2 belagt glas (110 mm × 110 mm × 2,3 mm, <8 Ω / □) ved lydbehandling sekventielt i sæbevand, derefter acetone og endelig ethanol (10 min hver).
- Deponere en tæt lag af TiO2 følge nedenstående trin:
- Tør glas med trykluft og varme glas til 450 ° C på varmepladen (ledende opad).
- Fortynd Titanium diisopropoxide bis (acetylacetonat) (75 vægt% i isopropanol) med ethanol i en 1: 9-forhold.
- Spray den fortyndede opløsning på opvarmet glas fra en afstand på ~ 100 mm, forsynet med fem spray over glaspladen.
- Spray en runde pr 10 sek til 12 runder.
- Hold glas ved 450 ° C i yderligere 5 minutter, før at slukke for kogepladen. Lad glas på varmepladen og lad den langsomt afkøle til stuetemperatur.
- Placer glasset påskærmen printeren tabel (igen ledende opad). Sæt skærm og tilpasse mønster glas. Tilføj TiO 2 pasta til skærmen og udskrive et eller to lag. Hvis deponering to lag, fjerne glasplade fra printer mellem print, dække og henstår i ~ 5 minutter, og derefter opvarmes til 125 ° C i 10 minutter før han vendte tilbage til printeren til at udskrive et efterfølgende lag.
- Når den endelige print er lavet køre en fuld sinter- program. Varm elektroderne til 150 ° C ved 12,5 ° / min, hold 10 min, derefter til 325 ° C ved 11,7 ° / min, hold 5 minutter, derefter til 375 ° C ved 10 ° / min, hold 5 minutter, derefter til 450 ° C ved 10,7 ° / min, hold 30 minutter og til sidst til 500 ° C ved 10 ° / min, hold 15 min. Langsomt cool at RT efter dette.
- Skær master plade i individuelle elektroder sikrer at der ikke er tilstrækkelig plads omkring den trykte film til pakning skal anvendes efter. Fjern eventuelle glasskår ved hjælp af trykluft.
- Fordyb elektroder i en 20 mM TiCl4
- Når afkølet til under 100 ° C, elektroderne dyppes ned i en 0,5 mM farveopløsning. I dette tilfælde brug, D149 i acetonitril: tertbutanol (1: 1).
- Efter farvning O / N fjerne elektroderne og skyl kraftigt i acetonitril for ~ 30 sek så lad det sidde i yderligere 30 sek. Trække elektroder fra skyllebadet og tør med trykluft.
1.2. Modelektrode Fremstilling
- Skær et andet ark af 2,3 mm F: SnO 2 glas i 18,3 mm x 27,5 mm stykker.
- Fordyb modelektrode i vand og bore et lille hul i hjørnet (φ = 1 mm, 2,5 mm fra hvert hjørne) for at bruge som en påfyldning port ved hjælp af en diamant tippes dental krog monteret i en lille bænk boremaskine.
- Ren modelektrode efter § 1.1.1
- Tør modelektrode og sted på en flise med ledende side opad. Påfør en dråbe platinic syreopløsning (H 2 PtCl6, 10 mM i ethanol) og stryges med enden af en pipette. Placer fliser på forvarmet (400 ° C) varmeplade i 15 min. Efter dette, skal du fjerne glas og fliser, og lad dem køle af på en bænk.
1.3. Reflektor
- Klip et stykke ledende 2 mm glas til 18,3 mm × 27,5 mm, og bor to huller i tilstødende hjørner langs den lange kant, ved hjælp af den samme teknik som tælleren elektrode (afsnit 1.2.2).
- Rent glas, når anvendelse af den samme protokol som ovenfor (1.1.1)
- Tape den rene, tørre glas til bænken på tre sider ved hjælp af lav rest bånd. Påfør en dråbe af Al 2 O 3 pasta (2,0 g 0,3 um Al 2 O 3 partikler, 2 ml kolloide Al 2 O 3 + 1 ml ethanol) og trække ned med en glasstav.
- Lad film til at tørre ud, fjern tapen og siPil glas ved 500 ° C i 30 minutter.
1.4. Device Assembly
- Skær to partier af hot-melt klæbende pakninger.
BEMÆRK: Den første, for DSC, er 25 um tyk og har indvendige mål på 17 mm × 8 mm og eksterne dimensioner 21 mm × 12 mm. SEC, for opkonvertering kammer, bruger 60 um pakningsmateriale fordoblet over at give 120 um tykkelse. Når foldet, denne pakning har indvendige mål på 17 mm × 21 mm og eksterne dimensioner 21 mm × 25 mm. - Anbring den første pakning i hjørnet af modelektroden sikre fyldet porten er tilgængelige. Placer arbejdselektroden i denne, således at det trykte område er helt inde i pakningen, og opnå en god tætning.
- Flyt denne forsamling til en kogeplade (120 ° C) og pres, indtil pakningen blødgør og smelter, som kan iagttages visuelt pakningen wets glasoverflader. Fjern montage og lad den afkøle.
- Stedanden pakning på reflektor, er igen sikrer påfyldning havne, der ikke er dækket. Placer DSC på toppen, således at det trykte område er direkte foran den trykte aluminiumoxid reflektor. Igen varme enhed, mens anvende pres, indtil pakningen blødgør og klæber, som i afsnit 1.4.3. Denne samling er vist i figur 1.
1.5. Fyldning af hulrum
- Forbered en elektrolyt opløsning af 0,1 M LiI, 0,6 M 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodid og 0,05 M jod i methoxypropionitrile.
- Anordningen anbringes i en lille plastikbeholder med vakuumrør fastgjort med modelektroden opad.
- Put en dråbe elektrolytopløsning over hullet og et stykke glas på toppen. Påfør vakuum i et par sekunder til at udtrække luft fra DSC hulrum, før du slipper, hvilket vil trække elektrolyt i hulrummet.
- Forbered forseglinger ved at laminere hotmelt pakningsmateriale på aluminiumsfolie. Efterlad disse på en kogeplade, Gasket materiale opad. Rengør bagsiden af modelektroden grundigt, og derefter forsegle ved at trykke apparatet mod pakningsmaterialet for ~ 5 sek.
- Forbered TTA-UC-løsning ved at opløse 0,6 mM Pd farvestof (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)), og 22 mM rubrene i benzen. Aflufte denne løsning grundigt med tre flydende nitrogen fryse-pumpe-tø-cykler.
- Inde i en handskerum, indføre TTA-UC-løsning i ryggen hulrum, så kapillarkræfter at trække det igennem. Når fuld igen rengøre overfladen grundigt og forsegle bruge et andet stykke aluminium bakkes pakningsmateriale.
2. Måling
2.1. Elektriske kontakter
- Loddes eksponeret F: SnO 2 af arbejdstid og modelektroderne hjælp sonic loddekolbe og passende loddetin. Vedhæft ledningerne til anode og katode ved hjælp af normal loddetin.
- Anvend UV-helbredelig epoxy til at åbne kanter.
BEMÆRK: Dette er gjort for at tjene som en sekundær indkapsling af indretningen mod oxygenindtrængen og afdampning af opløsningsmiddel samt at øge robusthed af anordningen, især tråden fastgørelse. - Fastgør anode og katode ledning til en åben BNC-kabel gennem en terminal blok.
2.2. IPCE Måling Setup
- Ved at anvende opsætningen vist skematisk i figur 2, montere den integrerede enhed på en celle indehaver.
- Belyse en del af den integrerede anordning (~ 2 mm x 1 mm) med et 670 nm kontinuerlig bølge laserstråle (den "pumpebundt ') via et spejl på en justerbar montering.
- Oplys integrerede TTA-UC DSC med usammenhængende kvasi-monokromatisk lys ("proben stråle«), der genereres ved hjælp af en Xe lampe, passerede først gennem et 405 nm longpass filter, så en Chopper der drives ved 29 Hz, en monochromator en vinklet objektglas (her anvendes som et ~ 4% stråledeler) og et parabolsk spejl. Generere en baggrund triplet befolkning TTA-UC lag ved spændende UC lag med pumpen bjælke, som er indfaldende ved en sådan vinkel, at det ikke belyse tastede DSC aktive lag, men kun UC lag.
- Juster pumpe og sonde stråle på TTA-UC lag ved hjælp af justerbare spejl mount. Mål kortslutningsstrømmen genereret af sonden, da det er scannet over det synlige spektrum i trin på 5 nm ved hjælp af en dynamisk signal erhvervelse enhed, nuværende forstærker og intern kontrol software.
- Samtidig registrerer magt variation af sonden strålen reflekteres fra objektglasset med et power meter og en fotodiode med analog udgang tilføres signal erhvervelse enhed. Ret J SC fra enheden ved sonden variation i softwaren.
- Fortrænges pumpebundt lidt ved hjælp af indstillelige spejl mount, således at den rammer det aktive lag af indretningen støder op til sonden stråle. Gentag målingen med pumpe og sonde stråle fejljusteret.
- Optag seks sæt målinger med tilpasning og forskydning ved de samme positioner for bedre signal støjforhold.
- Reducer pumpebundt intensitet ved at placere på pumpen stråle forskellige neutralfiltre med kendte transmissioner ved 670 nm, og gentage trin 2.2.4 til 2.2.7 for en række intensiteter.
- Mål den integrerede enhed J SC uden pumpebundt kilde aktiv.
- Mål sonden strøm indfaldende på DSC i form af strøm, der frembringes af fotodioden ved at placere fotodiode på prøven stilling.
- Mål transmissionen af den undersøgte enhed med UC kammer fjernes med en UV-Visible spektrofotometer at opnå transmissionsspektret, T DSC.
BEMÆRK: Dette kan skiftevis udføres i mellem trin 1.4 og 1.5.
- Mål pumpebundt effekt ved DSC position for hvert filtrering tilstand anvendes, ved hjælp af fotodiode og power meter (som beskrevet i afsnit 2.2.10).
- Tag et billede af pumpen stråle projiceres op på et stykke gitter papir på en ækvivalent til hvor TTA laget var under eksperimentet stilling. Stærkt dæmpe strålen, hvis nødvendigt for at forhindre mætning af kameraets detektor. Brug dette billede og billedanalyse-software til at bestemme pumpens punktstørrelse.
3. Databehandling
3.1. Interpolere alle data til 1 nm Intervaller.
3.2. IPCE Bestemmelse
- Beregn fotonflux (φ) nå den integrerede enhed fra sonden målt som strøm genereret af fotodiode (I) og elektrisk ladning (q):
- Beregn celle indfaldende foton til konverterede elektron effektivitet (IPCE 0) i device fra J SC måling uden pumpe belysning og sonden flux.
- Tag forholdet mellem målingerne med pumpe og sonde tilpasset og justeret forkert at opnå de relative forbedringer i at aktivere op-konverter.
- Solar koncentration faktor beslutsomhed
- Konverter ekstinktionskoefficienten for sensibilisatoren i absorption tværsnit σ.
- Anskaf excitation sats sensibilisatoren under standard AM1.5G solens spektrum, (k φ) ved at tage produkterne af fotonfluxtæthed fra solens spektrum, transmittans DSC og sensibiliserende (σ) ved hver bølgelængde og derefter summen af produkter på tværs sensibilisatoren Q-bånds absorption typisk 600 nm til 750 nm.
- Beregn fra beføjelser og punktstørrelse af pumpen kilde, foton fluxdensitet på pumpen med forskellige neutralfiltre. Derefter tage produkter fra fluxtætheder, transmissionskoefficient for DSC og sensibiliserende ved670 nm til opnåelse af pumpens excitation satser.
- Beregn sol koncentration faktor (ʘ) fra forholdet mellem pumpens excitation sats på excitation sats i henhold AM1.5G vilkår.
3.3. Model Montering og Tal for Merit Bestemmelse
- Monter en model af den relative forbedring = 1 + konstant × (t DSC / IPCE 0) × [(σ pumpe × σ sonde) / (σ pumpe + σ sonde)], på de eksperimentelle enhancement resultater, hvor σ pumpe og σ sonde er tværsnit med hensyn til pumpe og sonde bølgelængder; σ pumpen er fastsat for hver pumpe intensitet og σ sonde varierer med bølgelængden.
- Vurdere forbedring i J SC opnået fra opkonvertering effekt (ΔJ SC) fra forskellene mellem IPCE UC og IPCE 0 og solvinden Density.
- Beregn FoM ved at normalisere ΔJ SC med kvadratet af solenergi koncentration faktor, da TTA-UC har en kvadratisk afhængighed strøminput lav excitationsintensitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figurer 3A - D display enhancement responser målt under forskellige måleforhold virkningerne diskuteret mere detaljeret nedenfor. Fra de rå løbende forbedringer massefylde bør det være klart, at resultaterne i figur 4A og 4B kan henføres til opkonvertering med spidsstrømmen forbedring og IPCE forbedring matcher godt med absorptionsspektret af sensibilisator, svækket ved transmission gennem det aktive lag af DSC.
For at undgå måling artefakter indført ved laser forspænder pumpebundt er blevet justeret for at nå frem til UC lag ved en større vinkel med prøvestrålen, vist skematisk i figur 2. 4A viser forbedring uden signifikant påvirke effekt, hvorimod både figurerne 4C og 4D er berørt af dette problem. Konsekvensen af korrekt alignment på målinger er vist i figur 4A, hvor forskellen i J SC afspejler absorptionsegenskab af sensibilisatoren som har en absorptionstop ved 675 nm. Bortset fra absorption region af sensitiverende middel og det transparente område af indretningen, bliver forskellen i J SC indlejret i støj.
Der kan konstateres en markant relativ IPCE forbedring af den integrerede enhed i den røde ende af det synlige spektrum i figur 4C. Men indsatsen i figur 4C, der viser forskellen mellem justeret og misvisende J SC målinger ikke afspejler den spektrale ejendom sensibiliserende. Tilpasningen af pumpe og sonde synes at øge celle performance over hele det synlige spektrum og foreslår, at forbedringen kommer fra trap-påfyldning, som forbedrer den generelle ydeevne af enheden på grund af laser-forspænding 30.
For at vergiv det mistanke, blev den integrerede enhed erstattet af en tilsvarende anordning, bortset fra at UC kammer blev efterladt tomt (figur 4D). Under identiske eksperimentelle tilstand har forbedring fundet hele det synlige spektrum. Det bekræfter den tidligere forbedringseffekt kommer fra laser-forspændende stedet for TTA-UC. I tilfælde af indretningen uden TTA-UC-løsning, da hovedparten af laseren er spredt tilbage til enheden, forspændingskraften effekt er endnu mere markant.
Figur 5 udvider resultaterne vist i figur 4A og 4B. I dette tilfælde blev den lysintensiteten i pumpebundt justeret 6-27 ʘ. ΔJ SC ses at skalere med kvadratet lysintensitet, som pr forventning (power lov passer 2.02). Som sådan er FoM ses at være lysintensitet uafhængig, hvilket tyder på, at TTA-UC-systemet er begrænset af bimolekylære processer.
: Keep-together.within-page = "altid"> 
Animation 1:. Skematisk drift af triplet-triplet udslettelse foton opkonvertering med PQ4PdNA sensibilisator og rubrene emitter, hvilket resulterer i belysning af D149 farvestof og efterfølgende elektron injektion i TiO 2 Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 1. Enhed konfiguration, før indføring af flydende komponenter. Lag placeres sammen og forsegles ved anvendelse af varme til at blødgøre pakningen lag."> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Opsætning for styrkelse måling. Den integrerede enhed er bestrålet med moduleret usammenhængende monokromatisk lys fra en hvid lyskilde (laser-drevet lampe) passeret gennem en monokromator, og achromatically fokuseret på prøven ved en off-akse parabolsk spejl. Sonden lys er delt med et glas filter (stråle Slitter) og detekteres det reflekterede sonde lys ved en fotodiode knyttet til en energimåler. TTA-UC lag af den integrerede enhed er konstant ophidset af en 670 nm kontinuert bølge laser (pumpe) til at generere baggrund trillinger at tillade TTA-UC forstærkende effekt at blive undersøgt med den svage monokromatisk stråle. Udgangsstrømmen fra enheden føres gennem en strøm forstærker og measured af lock-in forstærkning. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Repræsentative data, der viser (A) den relative IPCE ekstraudstyr (COL (tilpassede) / KOL (skæve) og respons forskel (COL (Aligned) -col (skæve) i gennemsnit fra seks justeret og seks misvisende målinger. Forskellen svar bekræfter spektral form IPCE ekstraudstyr er fra sub-båndgab lys høstet ved sensibilisatoren af de op-konverter, som ekstraudstyr spektrale form passer til Q-bånds absorption af sensibilisator og (B) den relative forbedring modellen monteret (beskrevet tidligere 31) på en eksperimentel IPCE ekstraudstyr kurven ved least-pladser montering. Modellen inkluderer celle transmittans, den oprindelige celle IPCE (ingen pumpe) og sensibiliserende absorption tværsnit svarende til sonde og pumpe kilde. Den modellerede ekstraudstyr kurve anvendes derefter til at beregne ekstra kortslutningsstrøm genereres fra TTA-UC og dermed FoM. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. IPCE ekstraudstyr (under 27 ʘ) spor for (A) en integreret enhed med korrekt forskydning måling (indsat viser gevinst i rå respons), (B), modelleret relativ IPCE ekstraudstyr spor for data i (A) med indsatte, der viser rå nuværende responskurver af indretningen with pumpe og prøvestrålen afstemt og skævt (C) den samme indretning som i (A) med undtagelse af, at pumpen og sonden er orienteret på samme sted på den aktive elektrode, hvilket resulterer i en måling artefakt, der er beskrevet i teksten (D) en identisk enhed med en tom UC kammer, målt som pr (C), hvilket yderligere understreger denne måling problem, med indsatte, der viser gevinsten i rå respons. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. FoM afhængighed af den integrerede enhed på sol koncentration faktor. Indsat viser afhængigheden af beregnet nuværende gevinst (ΔJ SC) fra TTA-UC med begge akser påen logaritmisk skala.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne protokol giver et middel til at opnå foton opkonvertering forbedret DSC og detaljer om, hvordan man korrekt måle en sådan anordning. FOM giver mulighed for simpel beregning af de forventede ΔJ SC forbedringer kan forventes ved forskellige lysintensiteter, herunder på 1 solen. De her viste værdier er invariant med lysintensitet (indsat i figur 4), som pr forventning, når systemet er under mætning tærskel 33. Med FoM kan vi standardisere ekstraudstyr effekt af TTA-UC eller andre ikke-lineær UC processer for at gøre det let sammenligning.
Selvom FoM værdier opnået i denne undersøgelse er den højeste blandt de indberettede FOMS for DSC, er de stadig langt fra kommercielle interesser (~ 1 mA ∙ cm -2 ʘ -2). Ud over dette, kan forbedringer af denne størrelsesorden være problematisk at måle. I denne rapport (specifikt i figur 3C og 3D) the farer forkert måleteknik er vist, hvor pumpen stråle forårsager en (noget) uventet problem. Dette problem kan dog være unikke for DSC, hvis der er nogen usikkerhed, er det afgørende, at kontrol eksperimenter (som vist i figur 3D) er iværksat og betingelser ændret i overensstemmelse hermed.
Der er et par begrænsende faktorer, der begrænser udførelsen af TTA-UC. Først og fremmest er den triplet henfaldshastighed af forurenende, rubrene (~ 8.000 sek -1 34), som er meget hurtigere end excitation sats sensibilisatoren under 1 ʘ belysning (6,8 sek -1), mens TTA sats rubrene trillinger er kun ~ 1 × 10 8 M -1 sek -1, tre størrelsesordener under udbredelsen grænsen for rubrene i almindelige organiske opløsningsmidler 35. Konsekvensen af dette er de fleste af triplet rubrene henfalder til grundtilstanden, før du udfører TTA.
For atreducere mængden af rubrene tripletter undergår unimolekylær henfald før TTA man kan forsøge at øge triplet koncentration, ved at øge sensibiliserende koncentration. Desværre porphyriner i opløsning tendens til at aggregere ved høje koncentrationer, og sensibiliserende-sensibiliserende TTA kan finde sted. En mulig løsning at overvinde disse problemer er at vedhæfte sensibilisatorer på uorganiske nanopartikler overflader 36. Som sådan høje koncentrationer af (relativt) immobiliseret sensibiliserende kan rummes med reduceret selv-afkølende, og kan øge den lokale koncentration af trillinger til rådighed for en effektiv TTA.
Den sensitiverende anvendes i denne undersøgelse er ikke ideel til koblet DSC, som Q-bånd absorption af porphyrin overlapper med DSC absorption indtræden (600-700 nm). Således er der tab i transmitteret lys til rådighed for TTA-UC, effektivitet afhænger af triplet koncentration og dermed fotonflux. Vi forventer at måle en mere signisentlig forbedring med sensibiliserende der absorberer dybere ind i det nærinfrarøde med lignende intersystemkrydsning effektivitet til den, der anvendes i denne undersøgelse. FOM tilbyder en bekvem metrisk Til sammenligning, hvis og når et sådant system er karakteriseret.
Farvestoffet bruges her, D149, er blandt de mest effektive organiske farvestoffer til rådighed for DSC dog andre, såsom N719 eller "sort farvestof" har yderligere rødforskudt absorption indledninger 3. For at TTA-UC for at forbedre disse enheder, passende porphyriner med Q-band absorptioner ved bølgelængder nødt til at skabt større end 900 nm. På den anden side, den højest rapporterede DSC effektivitet til dato har en absorption indsættende ~ 730 nm 37, kun marginalt over indtræden for farvestoffet her.
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).
