Summary
Ein integriertes Gerät, das eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle und Triplett-Triplett-Annihilation-Umwandlungseinheit hergestellt Man erhält verbesserte Lichtsammlung, von einem breiteren Abschnitt des Sonnenspektrums. Unter bescheidenen Einstrahlung eine deutlich verbesserte Reaktion auf Photonen niedriger Energie wurde demonstriert, was eine Rekordzahl für farbstoffsensibilisierte Solarzellen.
Abstract
Die schlechte Reaktion von Farbstoff-Solarzellen (DSC) auf Rot und Infrarot-Licht ist ein wesentliches Hindernis für die Verwirklichung höherer Photo und damit höhere Wirkungsgrade. Aufkonversion durch Triplett-Triplett-Annihilation (TTA-UC) ist eine attraktive Technik für die Verwendung dieser sonst verschwendet Photonen niedriger Energie zu produzieren Photo, die zwar nicht mit der Leistung in photoanodic schädlicher Weise zu stören. Ferner dazu hat TTA-UC eine Anzahl von Merkmalen, die sich von anderen berichtet Aufkonversion Technologien, die es besonders geeignet für die Kopplung mit der DSC-Technologie macht. In dieser Arbeit, einer bewährten Hochleistungs-TTA-UC-System, bestehend aus einer Palladium-Porphyrin-Sensibilisator und Rubren Emitter wird mit einem Hochleistungs DSC (Verwendung des organischen Farbstoff D149) in einem integrierten Gerät vereint. Das Gerät zeigt eine verbesserte Reaktion auf Unterbandlücke Licht über dem Absorptionsbereich des TTA-UC-Untereinheit, was zu der höchsten figurieren von Verdienst für Up-Conversion unterstützt DSC Leistung auf dem Laufenden.
Introduction
Farbstoff-Solarzellen (DSC) als eine vielversprechende Konzept in erschwinglichen Solarenergie Sammlung 1-3 proklamiert. Trotz dieser Begeisterung noch weit verbreitete Kommerzialisierung auftreten. Eine Reihe von Gründen sind vorn für diese setzen, mit einem drängenden Problem wobei der relativ hohe Energieabsorption der Beginn, die Begrenzung der erreichbaren Lichtsammeleffizienz dieser Geräte 4. Obwohl dies überwunden werden, Absenken der Absorptionsbeginn wird typischerweise durch einen Abfall der Leerlaufspannung, die überproportional erodiert irgendwelche Gewinne in der Stromdichte 5, 6 verbunden.
Der allgemeine Betrieb des DSCs einen Elektronentransfer von einem photoangeregten Farbstoffs auf einem Halbleiter (in der Regel TiO 2), gefolgt von der Regeneration der oxidierte Farbstoff durch einen Redox-Mediator. Beide Prozesse scheinen wesentliche Antriebskräfte (potenziellen), um mit hoher Effizienz 7 vorgehen müssen 4 Bandlücken.
Um die Lichtsammel oben aufgeworfenen Frage zu überwinden, eine Reihe von Ansätzen getroffen. Dazu gehört auch die "dritte Generation" 8 Ansätze der Tandemstrukturen 9, 10 und Photon Upconversion 11-14.
Kürzlich berichteten wir, 11 eine integrierte Vorrichtung eines DSC-Arbeits-und Gegenelektrode besteht, mit einem Triplett-Triplett-Annihilation basierend Up-Conversion (TTA-UC)-System integriert inan der Struktur. Diese TTA-UC Element konnte rotes Licht durch die aktive Schicht übertragen ernten und chemisch umwandeln (wie im Detail unten beschrieben), um Photonen höherer Energie, die durch die aktive Schicht des DSC aufgenommen werden könnte und erzeugen Photo. Es gibt zwei wichtige Punkte, die über dieses System beachten. Erstens hat TTA-UC viele potenzielle Vorteile gegenüber anderen Systemen Photonen Upconversion 11; zweitens zeigt eine Architektur machbar (proof-of-principle) für den Einbau von TTA-UC, die aus dem TTA-UC Literatur bis dahin gefehlt hat.
Der Prozess der TTA-UC 15-24 beinhaltet die Anregung von 'Sensibilisator "Moleküle, in diesem Fall Pd Porphyrine, durch Licht mit Energie unterhalb der Vorrichtung beginn Energie. Die Singulett-angeregten Sensibilisatoren unterziehen schnelle Intersystem-Crossing auf die niedrigste Energie-Triplett-Zustand. Von dort aus können sie Energie zu einem Triplett-Grundzustand-Annahme "Emitter & # übertragen8217; Arten, wie Rubren, solange die Übertragung von freier Energie 25 erlaubt. Die erste Triplett-Zustand von Rubren (T 1) größer ist als die Hälfte der Energie des ersten angeregten Singulett-Zustand (S 1), aber weniger als die Hälfte der Energie von T 2, was bedeutet, dass eine Begegnung Komplex von zwei Triplett-angeregten rubrenes können, um zu vernichten Geben angeregten Singulett-Emitter-Molekül (und der andere im Grundzustand) mit einer ziemlich hohen Wahrscheinlichkeit. Andere Staaten, statistisch vorhergesagt, sind die meisten wahrscheinlich energetisch nicht zugänglich Rubren 26. Die angeregten Singulett Rubren Molekül kann dann ein Photon (per Fluoreszenz) mit Energie, die ausreicht, um den Farbstoff auf der Arbeitselektrode des DSC erregen. Dieses Verfahren ist in 1 gezeigt Trick.
TTA-UC bietet eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu anderen UC Systemen wie einem breiten Absorptionsbereich und inkohärenter Natur 27, 28, so dass es eine attraktive Option für COUpling mit DSC (sowie OPV). TTA-UC hat sich gezeigt, die bei relativ niedrigen Lichtintensitäten und in diffuse Lichtverhältnisse. Sowohl DSC und OPV sind am effizientesten in der niedrigen Lichtstärke-Regimes. Solar Konzentration ist teuer und nur für hohe Effizienz, hohe Kosten-Geräte vertretbar. Auf den Prozess, der Sensibilisator Chromophoren mit starken, breiten Absorptionsbanden im Konzert mit langlebigen Triplett-Zustände, die durch Diffusion in Ordnung sind, in Kontakt mit wechselwirkenden Spezies kommen die relativ hohe Leistung der TTA-UC-Systeme in geringer Intensität Lichtverhältnissen ist . Zusätzlich TTA-UC wurde gefunden, hoher intrinsischer Wirksamkeit einer kinetischen Studie 26 haben.
Obwohl TTA-UC arbeitet bei geringer Lichtintensität, gibt es noch eine quadratische Beziehung zwischen einfallenden Lichtintensität und emittierte Licht (zumindest bei niedrigen Lichtintensitäten). Dies ist aufgrund der bimolekularen Natur des Verfahrens. Zur Rechenschaftfür diese und die vielfältigen experimentellen Bedingungen (insbesondere Lichtintensität) von verschiedenen Gruppen berichtet, sollte eine Gütezahl System (BFM), um die Leistungssteigerung Meter von Upconversion angeboten eingesetzt werden. Diese FoM als AJ SC / ʘ, wo AJ SC ist die Erhöhung der Kurzschlussstrom (in der Regel durch die Integration des einfallenden Photons bestimmt Carrier Efficiency, IPCE, mit und ohne die Upconversion Effektladung) und ʘ definiert worden ist die effektive Solar Konzentration (bezogen auf die Photonenflusses in dem relevanten Bereich, also der Q-Band-Absorption des Sensibilisators) 2 29.
Hier, ein Protokoll für die Herstellung und Charakterisierung eines integrierten richtig DSC-TTA-UC-Gerät wird berichtet, wobei besonderes Augenmerk auf mögliche Fallstricke in der Geräteprüfung. Es ist zu hoffen, dass dies als Grundlage für die weitere Arbeit in diesem Bereich dienen.
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Protocol
1. DSC Fabrication
1.1. Arbeitselektrodenvorbereitung
- Sauber ein ganzes Blatt SnO 2: F beschichtete Glas (110 mm × 110 mm × 2,3 mm, <8 Ω / □) durch Ultraschallbehandlung nacheinander in Seifenwasser, dann mit Aceton und schließlich Ethanol (jeweils 10 min).
- Hinterlegen eine dichte Schicht von TiO 2 die folgenden Schritte aus:
- Trockene Glas mit Druckluft und Wärme Glas bis 450 ° C auf Kochplatte (leitend Seite nach oben).
- Verdünnter Titandiisopropoxidbis (acetylacetonat) (75 Gewichts% in Isopropanol) mit Ethanol im Verhältnis 1: 9.
- Sprühen Sie die verdünnte Lösung auf Glas erhitzt aus einer Entfernung von ca. 100 mm, mit fünf Sprays über die Glasscheibe.
- Spray eine Runde pro 10 Sekunden für 12 Runden.
- Halten Glas bei 450 ° C für weitere 5 min, vor dem Ausschalten der Kochplatte. Lassen Sie das Glas auf Kochplatte und lassen Sie es langsam auf RT abkühlen.
- Das Glas aufder Bildschirm Druckertisch (wieder einmal leitenden Seite nach oben). Legen Bildschirm und richten Muster auf Glas. Fügen TiO 2-Paste, um Druck und Bildschirm ein oder zwei Schichten. Wenn Abscheidung von zwei Schichten, entfernen Glasplatte aus dem Drucker zwischen Drucke, decken und für ~ 5 min Hitze auf 125 ° C für 10 min vor der Rückkehr an den Drucker, um eine nachfolgende Schicht ausdrucken zu regeln, dann.
- Sobald die endgültige Druck wird Führen Sie einen Sinterprogramms. Erhitzen Sie die Elektroden auf 150 ° C bei 12,5 ° / min, halten 10 min, dann auf 325 ° C bei 11,7 ° / min, 5 min zu halten, dann auf 375 ° C bei 10 ° / min, 5 min zu halten, dann auf 450 ° C mit 10,7 ° / min, 30 min halten und schließlich auf 500 ° C mit 10 ° / min, Haltezeit 15 min. Langsam auf RT nach diesem.
- Schneiden Sie die Master-Platte in die Gewährleistung genügend Platz rund um die bedruckte Folie für die Dichtung nach angewandt werden Einzelelektroden. Entfernen Sie alle Glasscherben mit Druckluft.
- Tauchen Elektroden in einem 20 mM TiCl 4
- Sobald auf unter 100 ° C abgekühlt, tauchen die Elektroden in einer 0,5 mM Farbstofflösung. In diesem Fall benutzen D149 in Acetonitril: tert.-Butanol (1: 1).
- Nach dem Färben O / N entfernen Sie die Elektroden und spülen Sie kräftig in Acetonitril für ~ 30 sec ermöglichen dann für weitere 30 sec sitzen. Zurückzutreten Elektroden aus dem Spülbad und trocken mit Druckluft.
1.2. Gegenelektrode Vorbereitung
- Schneiden Sie ein weiteres Blatt von 2,3 mm F: SnO 2 Glas in 18,3 mm x 27,5 mm große Stücke.
- Tauchen Gegenelektrode in Wasser und bohren Sie ein kleines Loch in der Ecke (φ = 1 mm, 2,5 mm von jeder Ecke), die als Füllung Port zu verwenden, mit einer diamantbestückten Zahn Grat in einer kleinen Tischbohrmaschine montiert.
- Sauber Gegenelektrode gemäß Abschnitt 1.1.1
- Trockengegenelektrode und auf eine Fliese mit leitenden Seite nach oben. Einen Tropfen Platinsäure-Lösung (H 2 PtCl 6, 10 mM in Ethanol) und verbreitete mit dem Ende einer Pipette. Ort Fliese auf vorgeheizt (400 ° C) Kochplatte für 15 min. Danach entfernen Sie Glas und Fliesen und lassen Sie sich auf eine Bank zu kühlen.
1.3. Reflektor
- Schneiden Sie ein Stück nichtleitenden 2 mm Glas auf 18,3 mm x 27,5 mm und bohren zwei Löcher in benachbarten Ecken entlang der Längsseite, mit der gleichen Technik wie für die Gegenelektrode (Abschnitt 1.2.2).
- Sauberes Glas, einmal mit dem gleichen Protokoll wie oben (1.1.1)
- Kleben Sie die saubere, trockene Glas auf der Bank auf drei Seiten, mit geringem Rückstand Band. Geben Sie einen Tropfen Al 2 O 3-Paste (2,0 g von 0,3 um Al 2 O 3-Partikel, 2 ml kolloidalem Al 2 O 3 + 1 ml Ethanol) und zeichnen sich mit einem Glasstab.
- Ermöglichen Film zu trocknen, zu entfernen Band und sinter Glas bei 500 ° C für 30 min.
1.4. Gerätemontage
- Schnitten zwei Chargen aus Heißschmelzkleber Dichtungen.
HINWEIS: Die erste, für die DSC, ist 25 um dick und weist Innenabmessungen von 17 mm x 8 mm und Abmessungen von 21 mm × 12 mm. Die SEC, für die Upconversion Kammer, verwendet 60 um Dichtungsmaterial über verdoppelt, um 120 um Dicke zu geben. Zusammengeklappt hat diese Dichtung Innenabmessungen von 17 mm × 21 mm und Abmessungen von 21 mm × 25 mm. - Platzieren der ersten Dichtung in der Ecke der Gegenelektrode, wodurch die Einfüllöffnung zugänglich ist. Platzieren der Arbeitselektrode über diesem, so dass der bedruckte Bereich ist vollständig innerhalb der Dichtung und eine gute Abdichtung zu erhalten.
- Bewegen diese Anordnung auf eine Heizplatte (120 ° C) und Druck, bis die Dichtung weich wird und schmilzt, die visuell als Dichtung benetzt die Glasoberflächen beobachtet werden kann. Entfernen Sie die Montage und abkühlen lassen.
- Ortzweite Dichtung auf Reflektor, werden wieder die Gewährleistung Einfüllöffnungen nicht abgedeckt. Platzieren DSC auf, so dass die bedruckte Fläche direkt vor der gedruckten Aluminiumoxid Reflektor. Wieder einmal erhitzen Gerät während Druck, bis die Dichtung weich und haftet, wie in Abschnitt 1.4.3. Diese Anordnung ist in Abbildung 1 dargestellt.
1.5. Füllen von Hohlräumen
- Vorbereitung einer Elektrolytlösung von 0,1 M LiI, 0,6 M 1,2-Dimethyl-3-propylimidazoliumjodid und 0,05 M Jod in Methoxypropionitril.
- Stellen Sie das Gerät in einem kleinen Plastikbehälter mit Vakuumröhre angebracht, mit der Gegenelektrode nach oben.
- Geben Sie einen Tropfen der Elektrolytlösung über das Loch und ein Stück Glas an der Spitze. Vakuum gelten für ein paar Sekunden die Luft aus dem Hohlraum DSC zu extrahieren, vor der Freigabe, die Elektrolyt in den Hohlraum ziehen wird.
- Bereiten Sie die Dichtungen durch Laminieren Schmelzdichtungsmaterial auf Aluminiumfolie. Lassen Sie diese auf einer Kochplatte, gasket Materialseite auf. Reinigen Sie die Rückseite der Gegenelektrode gründlich und versiegeln von Pressvorrichtung gegen das Dichtungsmaterial für ~ 5 sek.
- Bereiten TTA-UC-Lösung durch Auflösen von 0,6 mm von Pd Farbstoff (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)) und 22 mM Rubren in Benzol. Entlüften diese Lösung gründlich mit flüssigem Stickstoff drei Gefrier-Pump-Auftau-Zyklen.
- Innerhalb eines Handschuhfach, stellen die TTA-UC-Lösung in den Hohlraum zurück, so dass Kapillarkräfte, es zu zeichnen, durch. Einmal voll ist, wieder die Oberfläche zu reinigen gründlich und versiegeln mit einem anderen Stück Aluminium gesichert Dichtungsmaterial.
2. Messung
2.1. Elektrische Kontakte
- Lötzinn ausgesetzt SnO 2: F arbeiten und Gegenelektroden mit Sonic Lötkolben und Lötzinn entsprechende. Bringen Drähte an Anode und Kathode mit normalen Lot.
- UV-härtenden Epoxid gelten, um die Kanten zu öffnen.
ANMERKUNG: Dies geschieht, um als sekundäre Einkapselung der Vorrichtung gegen das Eindringen von Sauerstoff und Verdampfen des Lösungsmittels dienen, sowie die Erhöhung der Robustheit des Gerätes, insbesondere die Drahtbefestigung. - Befestigen Sie die Anode und Kathode Draht zu einer offenen BNC-Kabel durch eine Klemmleiste.
2.2. IPCE Messaufbau
- Mit Hilfe der schematisch in Abbildung 2 dargestellt Setup, montieren Sie die integrierte Vorrichtung auf einen Zellenhalter.
- Beleuchten einen Abschnitt der integrierten Einrichtung (~ 2 mm × 1 mm) mit einem 670 nm kontinuierlichen Laserstrahl (der "Pumpstrahl") über einen Spiegel auf einer einstellbaren Halterung.
- Beleuchten die integrierte TTA-UC DSC mit inkohärente quasi-monochromatischen Licht (der "Sondenstrahl '), die unter Verwendung einer Xe-Lampe, ging zunächst durch einen 405 nm Langpassfilter, dann ein choppeR Spur bei 29 Hz, einem Monochromator, eine abgewinkelte Glasobjektträger (als ~ 4% Strahlteiler verwendet) und einen Parabolspiegel in Betrieb. Generieren Sie einen Hintergrund Triplett Bevölkerung in der TTA-UC-Schicht durch Anregung des UC-Schicht mit dem Pumpstrahl, der Vorfall in einem solchen Winkel, dass sie die angetasteten DSC aktive Schicht, sondern nur die UC-Schicht nicht zu beleuchten ist.
- Richten Sie die Pumpe und Sondenstrahl auf der TTA-UC-Schicht unter Verwendung der verstellbare Spiegelhalter. Messen Sie die von der Sonde, wie es über das sichtbare Spektrum in Schritten von 5 nm über einen dynamischen Signalerfassungsgerät, Stromverstärker und Haussteuerungssoftware gescannt wird erzeugt, Kurzschlussstrom.
- Gleichzeitig erfassen die Leistungsänderung der Sondenstrahl von der Objektträger mit einem Leistungsmesser und einer Photodiode mit Analogausgang mit der Signalerfassungseinrichtung zugeführt wird reflektiert. Korrigieren der J SC von der Vorrichtung von der Sonde Variation in der Software.
- Verdrängen den Pumpstrahl leicht mit dem verstellbaren Spiegel Halterung, so daß er trifft die aktive Schicht der Vorrichtung benachbart zu der Sondenstrahl. Wiederholen Sie die Messung mit der Pumpe und Sondenstrahl falsch ausgerichtet.
- Aufzeichnung sechs Sätze von Messungen mit Ausrichtung und Fehlausrichtung in der gleichen Position für eine bessere Signal-Rausch-Verhältnis.
- Reduzieren Sie die Pumpenstrahlintensität, indem Sie auf das Pumpstrahl verschiedene Graufilter mit bekannten Getrieben bei 670 nm, und wiederholen Sie die Schritte 2.2.4 bis 2.2.7 für eine Reihe von Intensitäten.
- Messen Sie die integrierte Vorrichtung J SC ohne die Pumpstrahlquelle aktiv.
- Messung der Sondenleistung fällt auf die DSC in Bezug auf von der Photodiode erzeugt wird, indem die Photodiode an der Probenposition.
- Messung der Transmission des untersuchten Vorrichtung mit der UC Kammer mit einer UV-Visible Spectrophotometer die Übertragungsspektrum T DSC erhalten wurde.
Hinweis: Dies kann abwechselnd zwischen den Schritten 1.4 und 1.5 durchgeführt werden.
- Messen Sie den Pumpstrahl Leistung bei der DSC-Position für jede Filterbedingung verwendet wird, mit Hilfe der Photodiode und Leistungsmesser (wie in Abschnitt 2.2.10 beschrieben).
- Ein Foto des Pumpstrahles auf ein Stück Papier Gitter an einer Position äquivalent zu denen der TTA Schicht während des Experiments war vorsteht. Stark dämpfen den Strahl bei Bedarf zur Sättigung der Kameradetektor zu vermeiden. Verwenden Sie dieses Bild und Bildanalyse-Software, um die Pumpe Punktgröße zu bestimmen.
3. Datenverarbeitung
3.1. Interpolieren, alle Daten auf 1 nm-Schritten.
3.2. IPCE Bestimmung
- Berechnen der Photonenfluss (φ) Erreichen der integrierten Vorrichtung von der Sonde gemessenen Leistung als von der Photodiode (I) erzeugt wird und die elektrische Ladung (q):
- Berechnen Sie die Zelle einfallenden Photons auf umgeElektronenEffizienz (IPCE 0) der Device aus der J SC Messung ohne Pumpe Beleuchtung und der Sonde Fluss.
- Nehmen Sie die Verhältnisse zwischen den Messungen mit Pumpe und Sonde ausgerichtet und falsch ausgerichtet, um die relativen Verbesserungen von der Aktivierung der Aufwärtswandler zu erhalten.
- Solarkonzentrationsfaktor Bestimmung
- Konvertieren Sie die Extinktionskoeffizienten des Sensibilisator in Absorptionsquerschnitt σ.
- Beziehen des Anregungsrate der Sensibilisator unter Standard AM1.5G Sonnenspektrums (φ k), die durch die Verwendung der Produkte der Photonenflussdichte aus dem Sonnenspektrum, Lässigkeit der DSC und der Sensibilisator (σ) bei jeder Wellenlänge, und dann Summieren der Produkte für die Sensibilisierungs Q-Band-Absorption, typischerweise 600 nm bis 750 nm aufweist.
- Berechnen Sie, aus der Befugnisse und Punktgröße der Pumpquelle, die Photonenflussdichten der Pumpe mit verschiedenen Graufilter. Dann nehmen Sie die Produkte der Flussdichten, Lässigkeit des DSC und den Sensibilisator bei670 nm, um die Pumpe Anregungsraten zu erhalten.
- Berechnen der Solarkonzentrationsfaktor (ʘ) aus dem Verhältnis der Pumpenanregungsfrequenz an die Anregungsfrequenz unter AM1.5G Bedingungen.
3.3. Modellanpassung und Fakten Verdienst Bestimmung
- Passen ein Modell der relativen Verbesserung = 1 + Konstante x (T DSC / IPCE 0) × [(σ × σ pumpen Sonde) / (σ + σ Pumpe Sonde)], auf die experimentelle Erweiterung Resultate aus, die Pumpe und σ σ Sonde Querschnitte in Bezug auf die Pumpe und die Sondenwellenlängen; σ Pumpe für jede Pumpintensität festgelegt und σ Sonde mit der Wellenlänge variiert.
- Schätzen Sie die Erweiterung in J SC von der Upconversion-Effekt (AJ SC) aus den Unterschieden zwischen UC und IPCE IPCE 0 und der solaren Strahlungsflusses densit erhalteny.
- Berechnen des BFM durch Normalisierung AJ SC durch das Quadrat der Solarkonzentrationsfaktor, da TTA-UC hat eine quadratische Abhängigkeit von Eingangsleistung bei niedrigen Anregungsintensität.
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Representative Results
Figuren 3A - D Anzeigeverbesserung Reaktionen unter verschiedenen Messbedingungen gemessen, wobei die Effekte in mehr Detail unten diskutiert. Aus den Ausgangsstromdichte Verbesserungen sollte klar sein, dass die Ergebnisse in Figur 4A und 4B sind auf Upconversion, mit dem Spitzenstromverstärkung und Verbesserung IPCE passend auch mit dem Absorptionsspektrum des Sensibilisators durch Übertragung durch die aktive Schicht des abgeschwächten DSC.
Um Messartefakte durch Laser Vorspannen der Pumpstrahl eingeführt vermeiden wurde angepasst, um an der UC-Schicht in einem größeren Winkel zu der Sondenstrahl, der schematisch in Figur 2 gezeigt vor. 4A zeigt Verbesserung ohne signifikante Vorspannwirkung, während sowohl 4C und 4D sind von diesem Problem betroffen. Die Folge der richtigen alignment auf Messungen ist in 4A, wo der Unterschied in der J SC reflektiert die Absorptionseigenschaften des Sensibilisators, der ein Absorptionsmaximum bei 675 nm gezeigt. Abgesehen von dem Absorptionsbereich des Sensibilisators und dem transparenten Bereich der Vorrichtung, wird die Differenz in J SC Rauschen eingebettet.
Eine signifikante Verbesserung gegen IPCE der integrierten Vorrichtung in dem roten Ende des sichtbaren Spektrums in 4C beobachtet werden. Allerdings ist der Einsatz von 4C, die die Differenz zwischen ausgerichteten und fehlausgerichteten J SC Messungen zeigt, spiegeln nicht die spektralen Eigenschaften des Sensibilisators. Die Ausrichtung der Pumpe und Sonde scheinen die Zellenleistung über das gesamte sichtbare Spektrum zu verbessern, und schlägt vor, dass die Verstärkung kommt von Trap-Füllung, die die Gesamtleistung der Vorrichtung verbessert, durch Laservorspann 30.
Um verify den Verdacht, wurde die integrierte Vorrichtung nach einem analogen Gerät, außer dass die UC Kammer wurde leer gelassen (4D) ersetzt. Unter identischen experimentellen Bedingungen wurde Verbesserung über das sichtbare Spektrum gefunden. Es bestätigt die bisherige Verstärkungseffekt kommt von Laser-Vorspann statt TTA-UC. In dem Fall des Gerätes ohne TTA-UC-Lösung, da die Mehrheit des Lasers zurück zum Gerät verstreut ist die Vorspannwirkung sogar noch bedeutender.
Figur 5 baut auf den in den 4A und 4B gezeigt sind. In diesem Fall wurde die Lichtintensität des Pumpstrahls von 6 auf 27 ʘ eingestellt. AJ SC gesehen wird maßstabsgetreu mit dem Quadrat der Lichtintensität, wie pro Erwartung (Potenzgesetz passen 2.02). Als solches ist das BFM gesehen zu sein Lichtintensität unabhängig, was darauf hindeutet, dass die TTA-UC-System wird durch bimolekulare Prozesse beschränkt.
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Animation 1:. Schematische Betrieb der Triplett-Triplett-Annihilation Aufkonversion mit PQ4PdNA Sensibilisator und Rubren Emitter, was Ausleuchtung der D149 Farbstoff und anschließende Elektroneninjektion in TiO 2 Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 1. Gerätekonfiguration, vor der Einführung der flüssigen Komponenten. Schichten miteinander eingebracht und durch Anwendung von Hitze versiegelt, um die Dichtungsschichten zu erweichen."> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Figur 2. Einrichtung zur Verbesserung Messung. Die integrierte Vorrichtung durch modulierte inkohärenten monochromatisches Licht von einer Weißlichtquelle (Laser-driven Lampe) bestrahlt geleitet durch einen Monochromator und achromatisch auf die Probe durch einen außeraxialen Parabolspiegel fokussiert. Das Messlicht wird mit einem Glasfilter (Strahlschneider) von einer Fotodiode mit einem Leistungsmesser angeschlossen gespalten und das reflektierte Messlicht detektiert wird. TTA-UC-Schicht der integrierten Vorrichtung kontinuierlich von einer 670 nm kontinuierlichen Wellenlaser (Pumpe) angeregt Hintergrund Triplets zu erzeugen, damit das TTA-UC Verstärkungseffekt mit der schwachen monochromatischen Strahl abgetastet werden. Der Ausgangsstrom aus der Vorrichtung durch einen Stromverstärker zugeführt und measurot von Lock-in-Verstärker. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3. Repräsentative Daten zeigt (A) die relative IPCE Optimierung (col (Aligned) / col (Falsch ausgerichtete) und Antwortdifferenz (col (Aligned) Col. (Falsch ausgerichtete), gemittelt aus sechs ausgerichtet und sechs Fehlstellungen Messungen. Die Antwort bestätigt der Unterschied Spektralform IPCE Verbesserung ist von Sub-Bandabstandslicht durch den Sensibilisator der Aufwärtswandler geerntet, als die Verstärkung spektrale Form zu dem Q-Band-Absorption des Sensibilisierungsmittels und (b) die relativen Verbesserungsmodell ausgestattet einstimmt (zuvor beschrieben 31) auf einer experimentellen Erweiterung IPCE Kurve von Least-Quadrate. Das Modell umfasst Zelldurchlässigkeit, die ursprüngliche Zelle IPCE (keine Pumpe) und den Sensibilisator Absorptionsquerschnitt entsprechend Sonde und Pumpquelle. Die modellierte Erweiterung Kurve wird dann für die Berechnung der zusätzlichen von TTA-UC und damit FoM erzeugt Kurzschluss-Strom verwendet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4. IPCE Optimierung (unter 27 ʘ) zeichnet für modelliert relativ IPCE Verbesserung Trace für Daten in (A) (A) ein integriertes Gerät mit der richtigen Fehlmessung (Inset zeigt die Verstärkung in rohen Reaktion), (B) mit Einsatz, die die Roh Stromkurven des Gerätes with Pumpe und Sondenstrahl ausgerichtet und fehlausgerichtete (C) die gleiche Vorrichtung wie in (A), außer daß die Pumpe und die Sonde an der gleichen Stelle auf der aktiven Elektrode ausgerichtet, was zu einem Messartefakt in dem Text (D) eine beschriebene identische Gerät mit einem leeren UC Kammer, gemessen nach (C), weitere Hervorhebung dieses Messproblem, mit Einsatz, die den Gewinn in rohen Antwort. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5. FoM Abhängigkeit der integrierten Vorrichtung auf Solarkonzentrationsfaktor. Inset zeigt die Abhängigkeit der berechneten Stromverstärkung (AJ SC) von TTA-UC mit beiden Achsen aufeine logarithmische Skala.
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Discussion
Dieses Protokoll stellt ein Mittel zur Aufkonversion verbesserte DSC und detailliert auf, wie man so ein Gerät richtig zu messen erzielen. Das BFM ermöglicht die einfache Berechnung der erwarteten AJ SC Verbesserungen bei unterschiedlichen Lichtintensitäten zu erwarten, auch auf 1 Sonne. Die hier angezeigten Werte sind invariant Lichtintensität (Einschub in Abbildung 4), pro Erwartung, wenn das System unter seine Sättigungsschwelle 33. Das BFM mit, können wir den Verstärkungseffekt der TTA-UC oder andere nicht-lineare Prozesse zu standardisieren UC einen einfachen Preisvergleich ermöglichen.
Obwohl die in dieser Studie FoM Werte sind die höchsten unter den gemeldeten FOMs für DSC, sind sie noch weit entfernt von kommerziellen Interessen (~ 1 mA ∙ cm -2 ʘ -2). Darüber hinaus können Verbesserungen dieser Skala problematisch messen. In diesem Bericht (insbesondere in den 3C und 3D) the Gefahren der falschen Messtechnik gezeigt werden, wo der Pumpstrahl bewirkt eine (etwas) unerwartetes Problem. Dieses Problem kann einzigartig sein DSCs, aber wenn es irgendeine Unsicherheit ist es wichtig, dass Kontrollversuche (wie in 3D gezeigt) vorgenommen und geänderten Bedingungen entsprechend.
Es gibt einige begrenzende Faktoren, die die Leistung TTA-UC beschränken. Zunächst einmal ist das Triplett Abklingrate des Emitters Rubren (~ 8.000 sec -1 34), die sehr viel schneller ist als die Anregungsfrequenz der Sensibilisator unter 1 ʘ Beleuchtung (6,8 s -1) ist, während die Rate der TTA Rubren Triolen nur ~ 1 × 10 8 M -1 s -1, um drei Größenordnungen unter dem Diffusionsgrenz Rubren in üblichen organischen Lösungsmitteln 35. Die Folge davon ist die Mehrheit der Triplett Rubren zerfällt in den Grundzustand, bevor TTA.
DamitVerringerung der Menge an Rubren Tripletts zogen unimolekularen Zerfall vor TTA kann man versuchen, den Triplett-Konzentration zu erhöhen, durch Erhöhen der Konzentration Sensibilisator. Leider Porphyrine in Lösung neigen dazu, bei hohen Konzentrationen zu aggregieren, und Sensibilisator-Sensibilisierungs TTA stattfinden kann. Eine mögliche Lösung dieser Probleme zu überwinden ist die Sensibilisierungs an anorganische Nanopartikel Flächen 36 zu befestigen. Als solche hohen Konzentrationen an (relativ) immobilisiert Sensibilisator kann mit verringerter Selbstabschreckung untergebracht werden, und kann die lokale Konzentration von Triplets für effiziente TTA Verfügung zu erhöhen.
Die in dieser Studie verwendeten Sensibilisators ist nicht ideal für die gekoppelte DSC, wie der Q-Band-Absorption des Porphyrin überlappt mit dem DSC-Absorptionsbeginn (600-700 nm). So gibt es Verluste im Durchlicht für TTA-UC, deren Effizienz hängt von Triplett-Konzentration und damit Photonenfluss vorhanden. Wir erwarten, dass die Messung eine nennensficant Verstärkung mit einem Sensibilisator, der tiefer in das nahe Infrarot mit ähnlichen Intersystem Crossing Effizienz zu der in dieser Studie verwendeten absorbiert. FOM bietet eine bequeme Metrik Vergleich, ob und wann ein solches System ist.
Das hier verwendete Farbstoff, D149, gehört zu den leistungsfähigsten organischen Farbstoffen für DSC verfügbar, aber andere, wie N719 oder "schwarzen Farbstoff" haben weitere Rotverschiebung Absorptionskanten auf 3. Damit TTA-UC, um diese Geräte, mit entsprechenden Porphyrine Q-Band-Absorption bei Wellenlängen verbessern müssen größer als 900 nm erstellt. Andererseits hat die höchste berichtete DSC Effizienz bisher ein Absorptions Auftreten von ~ 730 nm 37 nur geringfügig über den Beginn für den Farbstoff verwendet.
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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
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