Summary
מכשיר משולב, כוללים יחידות השמדת תא ושלישיית שלישייה סולרית צבען רגיש עד המרה הופק, ונותן קצירת אור משופר, מסעיף רחב יותר של ספקטרום השמש. תחת רמות קרינה צנועות תגובה משופרת באופן משמעותי לפוטוני אנרגיה נמוכים הודגמה, מניב שיא דמותו של הכשרון עבור תאים סולריים צבען רגיש.
Abstract
התגובה הירודה של תאים רגישים, צבע שמש (DSCs) לאור אדום ואינפרא האדום היא מכשול משמעותי למימוש photocurrents ויעילות גבוהה יותר ומכאן גבוהים יותר. פוטון (TTA-UC) הוא את המרה בדרך של השמדת השלישייה שלישיית טכניקה אטרקטיבית לשימוש בפוטוני אנרגיה נמוכים אלה מבוזבזים אחרת לייצר פוטוני, ואילו לא מפריע לביצועי photoanodic באופן מזיק. בהמשך לכך, יש TTA-UC מספר התכונות, להבדיל מטכנולוגיות פוטון דיווחו אחרות עד המרה, אשר הופך אותו מתאים במיוחד לצימוד עם טכנולוגית DSC. בעבודה זו, מערכת TTA-UC גבוהים ביצועים מוכחים, הכוללת sensitizer פורפירין פלדיום ופולט rubrene, בשילוב עם DSC ביצועים גבוהים (ניצול D149 הצבע האורגני) במכשיר משולב. המכשיר מציג תגובה משופרת למשנה bandgap אור על פני טווח הקליטה של תת יחידת TTA-UC וכתוצאה מכך fi הגבוה ביותרתרשים של הכשרון לעד המרה סייעה ביצועי DSC עד כה.
Introduction
תאים רגישים, צבע שמש (DSCs) כבר הכריזו כמושג מבטיח באוסף אנרגיה סולארית זול 1-3. למרות התלהבות זו, מסחור נרחב טרם להתרחש. מספר הסיבות היה לשים קדימה לזה, עם נושא לחיצה על אחד להיות גבוהה יחסית האנרגיה של תחילת הקליטה, המגביל את יעילות קצירת אור ההשגה של מכשירים אלה 4. למרות שזה יכול להיות להתגבר, הורדת תחילת הקליטה מלווה בדרך כלל על ידי ירידה במתח במעגל פתוח, אשר באופן לא פרופורציונאלי שוחקת את רווחים כלשהם בצפיפות 5 נוכחית, 6.
הפעולה הכללית של DSCs כרוך העברת אלקטרונים מצבע photoexcited למוליכים למחצה (בדרך כלל Tio 2), ואחריו את ההתחדשות של צבע חמצון על ידי מתווך חיזור. שני תהליכים אלה מופיעים לדורשים כוחות משמעותיים נהיגה (פוטנציאלי) על מנת להתקדם עם יעילות גבוהה 7 4.
על מנת להתגבר על הבעיה קצירת האור שהועלתה לעיל, מספר גישות ננקטו. זה כולל את 'הדור השלישי' 8 גישות של מבני טנדם 9, 10 והעלאת תדר פוטון 11-14.
לאחרונה 11 דיווחנו מכשיר משולב מורכב מהאלקטרודה העבודה DSC ודלפק, עם השמדת שלישייה שלישייה מבוססת עד המרה (TTA-UC) מערכת משולבת בלמבנה. אלמנט TTA-UC זה היה מסוגל לקצור אור אדום מועבר דרך השכבה הפעילה וכימי להמיר אותו (כפי שמתואר בפירוט בהמשך) לפוטוני אנרגיה גבוהים יותר אשר יכולים להיקלט על ידי השכבה הפעילה של DSC וליצור פוטוני. ישנן שתי נקודות חשובות לציין על מערכת זו. ראשית, יש TTA-UC יתרונות רבים פוטנציאליים על פני מערכות העלאת תדר פוטון אחרות 11; שנית הוא מדגים ארכיטקטורה אפשרית (הוכחה של עיקרון) להתאגדות של TTA-UC, שהיה חסרים בספרות עד TTA-UC לנקודה ש.
התהליך של TTA-UC 15-24 כרוך העירור של מולקולות "sensitizer ', במקרה זה פורפירינים Pd, על ידי אור עם אנרגיה מתחת לאנרגית תחילת ההתקן. הרגישות לגופייה-נרגשת לעבור מעבר intersystem מהיר למדינת השלישייה הנמוכה ביותר באנרגיה. משם, הם יכולים להעביר אנרגיה ל'פולט לקבל שלישיית קרקע מדינה & #8217; מינים כגון rubrene, כל עוד ההעברה מותרת על ידי אנרגיה חופשית 25. מדינת השלישייה הראשונה של rubrene (T 1) היא גדולה יותר ממחצית האנרגיה של המדינה הראשונה שלה גופייה נרגשת (S 1), אך פחות ממחצית האנרגיה של T 2, כלומר מורכב מפגש של שתי rubrenes שלישייה-נרגשת יכול להשמיד ל לתת מולקולה אחת גופייה נרגשת פולט (ואחרת במצב היסוד) בהסתברות גבוהה למדי. מדינות אחרות, צפוי סטטיסטי, הן ככל הנראה במרץ נגישים לrubrene 26. מולקולת rubrene הנרגש הגופייה אז יכולה לפלוט פוטונים (כמו לכל הקרינה) עם מספיק כדי להלהיב את הצבע על האלקטרודה העבודה של DSC אנרגיה. תהליך זה מוצג ב1 אנימציה.
TTA-UC מציע מספר היתרונות בהשוואה למערכות UC אחרים, כגון: טווח קליטה רחב וטבע מבולבל 27, 28, מה שהופך אותו לאופציה אטרקטיבית עבור coupling עם DSC (כמו גם OPV). TTA-UC הודגם פועל בעוצמות אור נמוכות יחסית ובתנאי תאורה מפוזרים. DSC וOPV שניהם יעיל ביותר במשטר עוצמת האור הנמוך. ריכוז שמש הוא יקר ורק מוצדק ליעילות גבוהה, מכשירי עלות גבוהים. הביצועים גבוהים יחסית של מערכות TTA-UC בתנאי תאורה נמוכים עצימות ניתן לייחסו לתהליך הכרוך chromophores sensitizer עם להקות קליטה חזקות, רחבות בתיאום עם מדינות שלישייה חיים ארוכות אשר מסוגלים לשדר על מנת לבוא במגע עם מיני אינטראקציה . בנוסף, TTA-UC כבר מצא לי יעילות פנימית גבוהה ממחקר הקינטית 26.
למרות TTA-UC פועל בעוצמת אור נמוכה, יש עדיין מערכת יחסים ריבועית בין עוצמת אור האירוע ואור הנפלט (לפחות בעוצמות אור נמוכות). זאת בשל אופי bimolecular של התהליך. לתת דין וחשבוןלזה ותנאים המגוונים הניסיוניים (במיוחד עוצמת אור) שדווחו על ידי קבוצות שונות, דמותו של הכשרון מערכת (FOM) צריכה להיות מועסק למטר שיפור ביצועים המוצע על ידי העלאת תדר. FoM זה הוגדר כΔJ SC / ʘ, בי ΔJ SC הוא העלייה במזרם קצר (בדרך כלל נקבע על ידי שילוב של פוטון התקרית לטעינה יעיל Carrier, IPCE, עם ובלי השפעת העלאת התדר) וʘ הוא סולרי היעיל ריכוז (המבוסס על שטף הפוטונים באזור הרלוונטי, כי הוא קליטה Q-להקה של sensitizer) 2 29.
במסמך זה, פרוטוקול לייצור ואפיון נכון מכשיר DSC-TTA-UC משולב מדווח, תשומת לב מיוחדת לבעיות פוטנציאליות בבדיקת מכשיר. יש לקוות כי זה ישמש כבסיס לעבודה נוספת בתחום זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ייצור .1 DSC
1.1. העבודה אלקטרודה הכנה
- סדין נקי אחד שלם של F: Sno 2 זכוכית מצופה (110 מ"מ × 110 מ"מ × 2.3 מ"מ, <8 Ω / □) על ידי ברצף sonication במי סבון, אז אצטון ולבסוף אתנול (10 דקות כל אחד).
- להפקיד רובד צפוף של Tio 2 ביצוע השלבים הבאים:
- זכוכית יבש באמצעות זכוכית אוויר וחום דחוס ל450 ° C על פלטה חשמלית (בצד עד מוליך).
- לדלל טיטניום diisopropoxide bis (acetylacetonate) (75 wt% בisopropanol) עם אתנול ב1: יחס 9.
- תרסיס התמיסה מהולה על גבי זכוכית מחוממת ממרחק של ~ 100 מ"מ, עם חמישה תרסיסים על פני גיליון הזכוכית.
- תרסיס עגול לכל 10 שניות אחד לסיבובים 12.
- שמור זכוכית ב450 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות נוספות, לפני כיבוי פלטה חשמלית. להניח את הכוס על פלטה חשמלית ולאפשר לו להתקרר באיטיות לRT.
- מניחים את הכוס עלשולחן מדפסת מסך (שוב בצד את מוליך). הכנס מסך וליישר דפוס לזכוכית. הוספת Tio 2 דבק למסך ולהדפיס שכבה אחת או שתיים. אם הפקדת שתי שכבות, להסיר צלחת זכוכית מהמדפסת בין הדפסים, לכסות ולאפשר להסתפק ~ 5 דקות, ולאחר מכן חום ל125 ° C עבור 10 דקות לפני ההחזרה למדפסת להדפיס שכבה הבאה.
- ברגע שההדפסה הסופית מתקבלת ריצת תכנית דבקוק מלאה. מחממים את האלקטרודות ל150 ° C ב12.5 ° / דקה, להחזיק 10 דקות, ולאחר מכן ל325 ° C ב11.7 ° / דקה, להחזיק 5 דקות, ולאחר מכן ל375 ° C ב10 ° / דקה, להחזיק 5 דקות, ולאחר מכן ל450 מעלות צלזיוס ב10.7 ° / דקה, להחזיק 30 דקות ולבסוף ל500 ° C ב10 ° / דקה, להחזיק 15 דקות. מגניב לאט לRT אחרי זה.
- חותך את צלחת האב לאלקטרודות בודדות הבטחה שיש מספיק מקום סביב הסרט המודפס לאטם שיחול לאחר. הסר את כל שברי זכוכית באמצעות אוויר דחוס.
- לטבול את האלקטרודות ב20 מ"מ 4 TiCl
- ברגע שהתקררתי אל מתחת ל 100 ° C, לטבול את האלקטרודות בתמיסת צבע 0.5 מ"מ. במקרה זה שימוש, D149 באצטוניטריל: tertbutanol (1: 1).
- לאחר צביעת O / N להסיר את האלקטרודות ולשטוף במרץ באצטוניטריל ל~ 30 שניות לאחר מכן לאפשר לשבת במשך 30 שניות נוספות. לסגת אלקטרודות מאמבטית השטיפה ויבשות עם אוויר דחוס.
1.2. דלפק אלקטרודה הכנה
- חותך גיליון אחר של F 2.3 מ"מ: Sno 2 כוס לתוך 18.3 מ"מ × 27.5 מ"מ חתיכות.
- לטבול את האלקטרודה נגדית במים ולקדוח חור קטן בפינה (φ = 1 מ"מ, 2.5 מ"מ מכל פינה) שישמש כנמל מילוי, באמצעות בר שיניים יהלומים הטו רכובים בתרגיל ספסל קטן.
- האלקטרודה נגדית נקייה כאמור בסעיף 1.1.1
- אלקטרודה יבש דלפק ומניחים על אריח עם צד עד מוליך. החל טיפה אחת של פתרון platinic חומצה (H 2 6 PTCL, 10 מ"מ באתנול), והתפשט בסופו של פיפטה. אריח מקום על גבי פלטה חמה שחומם מראש (400 מעלות צלזיוס) במשך 15 דקות. אחרי זה, להסיר את הזכוכית ואריחים ולהתקרר על ספסל.
1.3. רפלקטור
- לחתוך חתיכת זכוכית 2 מ"מ לא מוליכה ל18.3 מ"מ × 27.5 מ"מ ולקדוח שני חורים בפינות סמוכות לאורך הקצה הארוך, תוך שימוש באותה הטכניקה כמו לאלקטרודה הנגדית (הסעיף 1.2.2).
- זכוכית נקייה, באמצעות פעם אחת באותו הפרוטוקול כאמור לעיל (1.1.1)
- תדביק את הזכוכית נקיה והיבשה כדי הספסל משלושה צדדים, באמצעות קלטת שאריות נמוכה. החל ירידה של אל 2 רסק O 3 (2.0 גרם של 0.3 מיקרומטר אל 2 O 3 חלקיקים, 2 מ"ל colloidal אל 2 O 3 + 1 מ"ל אתנול) ולמשוך למטה עם מוט זכוכית.
- הרשה סרט לייבוש, להסיר קלטת וsiזכוכית nter בC ° 500 ל30 דקות.
1.4. עצרת מכשיר
- חותך שתי קבוצות של אטמי דבק חמים להמיס.
הערה: הראשונה, לDSC, היא 25 מיקרומטר עבה ובעל ממדים פנימיים של 17 מ"מ × 8 מ"מ וממדים חיצוניים של מ"מ 21 מ"מ × 12. שניות, לתא העלאת התדר, משתמשת בחומר אטם 60 מיקרומטר התקפל, כדי לתת 120 מיקרומטר עובי. לאחר הקיפול, יש אטם זה ממדים פנימיים של 17 מ"מ × 21 מ"מ וממדים חיצוניים של 21 מ"מ × 25 מ"מ. - מניחים את האטם הראשון בפינה של האלקטרודה הדלפק, להבטיח את יציאת המילוי נגיש. מניחים את האלקטרודה עובדת על זה, כך שהשטח המודפס הוא לגמרי בתוך האטם, ולקבל חותם טוב.
- הזז הרכבה זה לפלטה חשמלית (120 ° C) והפעלת לחץ עד מתרכך אטם ונמס, אשר ניתן לצפות באופן חזותי כמרטיב אטם משטחי הזכוכית. להסיר את ההרכבה ולהתקרר.
- מקוםאטם שני ברפלקטור, יציאות מילוי הבטחה שוב אינן מכוסות. הנח DSC על גבי כך שהשטח המודפס הוא ישירות מול רפלקטור אלומינה המודפס. שוב לחמם מכשיר בזמן הפעלת לחץ, עד שאטם מתרכך ושומר, כאמור בסעיף 1.4.3. הרכבה זו מוצגת באיור 1.
1.5. מילוי חללים
- הכן תמיסת אלקטרוליט של 0.1 M Lii, 0.6 יודיד M 1,2-דימתיל-3-propylimidazolium ו0.05 M יוד בmethoxypropionitrile.
- מניחים את המכשיר במכל פלסטיק קטן עם צינור ואקום המצורף, עם האלקטרודה הנגדית כלפי מעלה.
- שים טיפה של תמיסת אלקטרוליט מעל החור וחתיכת הזכוכית על גבי. החל ואקום לכמה שניות כדי לחלץ אוויר מחלל DSC, לפני השחרור, שימשוך אלקטרוליט לתוך החלל.
- הכן את האטמים על ידי למינציה חומר אטם חם להמיס על רדיד אלומיניום. השאר אלה על פלטה חמה, Gaskצד חומר עד et. נקה את הגב של האלקטרודה הדלפק ביסודיות, ואז לאטום על ידי לחיצה על מכשיר נגד חומר האטם ל~ 5 שניות.
- הכן פתרון TTA-UC על ידי המסת 0.6 מ"מ של צבע Pd (tetrakis(3,5-di-tert-butylphenyl)-6'-amino-7'-nitro-tetrakisquinoxalino[2,3-b'7,8-b''12,13-b'''17,18-b''''-porphyrinato) פלדיום (II)) ו22 מ"מ של rubrene בבנזן. Deaerate פתרון זה ביסודיות באמצעות שלושה מחזורי הקפאת משאבה להפשיר חנקן נוזלי.
- בתוך תא הכפפות, להציג את פתרון TTA-UC לתוך החלל האחורי, המאפשר כוחות נימים לצייר את זה דרך. ברגע שמלא, שוב לנקות את פני השטח באופן יסודי ולאטום באמצעות פיסת חומר אטם אלומיניום מגובה אחרת.
2 מדידה
2.1. מגעים חשמליים
- החל הלחמה לF נחשף: Sno 2 של עבודה ואלקטרודות נגדיות באמצעות מלחם קולי והלחמה מתאימה. צרף חוטים להאנודה וקתודה באמצעות הלחמה רגילה.
- החל UV אפוקסי ריפוי לפתוח קצוות.
הערה: הדבר נעשה כדי לשמש כאנקפסולציה משנית של המכשיר נגד חדירת חמצן ואידוי ממס, כמו גם להגביר את החוסן של המכשיר, במיוחד את הקובץ המצורף התיל. - צרף את האנודה וקתודת חוט לכבל BNC פתוח דרך בלוק מסוף.
2.2. התקנת IPCE מדידה
- באמצעות ההתקנה מוצגת באופן סכמטי באיור 2, הר המכשיר המשולב על בעל תא.
- להאיר סעיף של המכשיר המשולב (~ 2 מ"מ מ"מ × 1) עם קרן 670 ננומטר רציפה לייזר גל ('קרן המשאבה') דרך ראי שעל הר להתאמה.
- להאיר את DSC TTA-UC המשולב עם אור מעין-מונוכרומטי ('קרן הבדיקה') המבולבלת שנוצר באמצעות מנורת Xe, עבר תחילה דרך מסנן longpass 405 ננומטר, אז Chopper הגלגל פועל ב29 הרץ, monochromator, שקופיות זכוכית בזווית (המשמשות כאן כמפצל קרן ~ 4%) ומראה פרבולית. צור אוכלוסיית שלישייה רקע בשכבת TTA-UC על ידי מרגשת שכבת UC עם קרן המשאבה, שהוא אירוע בזווית כזאת שזה לא להאיר את השכבה הפעילה DSC חקר אבל שכבת UC בלבד.
- יישר את המשאבה וקרן בדיקה על שכבת TTA-UC באמצעות המראה מתכווננת הר. למדוד את הזרם במעגל הקצר שנוצר על ידי החללית בעת סריקתו על פני הספקטרום הנראה בקפיצות של 5 ננומטר באמצעות מכשיר דינמי רכישת אות, מגבר נוכחי ותוכנת שליטה בבית.
- במקביל להקליט כוח הווריאציה של קורה הבדיקה משתקף משקופיות הזכוכית עם מד כוח ודיודת אור עם יציאה אנלוגית המוזנת למכשיר רכישת אות. תקן את SC J מהמכשיר על ידי הווריאציה הבדיקה בתוכנה.
- לעקור את קרן המשאבה מעט באמצעות המראה מתכווננת הר, כך שהוא פוגע בשכבה הפעילה של המכשיר בסמוך לקורה הבדיקה. חזור על המדידה עם קרן המשאבה ובדיקה המקולקלת.
- להקליט שישה סטים של מדידות עם יישור וחוסר תיאום באותו עמדות לאות טובה יותר יחס רעש.
- להפחית את עוצמת אלומת משאבה על ידי הנחת על קורה משאבת מסנני צפיפות ניטרליים שונים עם שידורים ידועים ב670 ננומטר, וחזור על שלבי 2.2.4 ל2.2.7 למגוון רחב של עוצמות.
- מדוד את SC J המכשיר המשולב ללא מקור קורה המשאבה פעיל.
- מדוד את כוח הבדיקה האירוע על DSC במונחים של זרם שנוצר על ידי דיודת האור על ידי הצבת דיודת האור במיקום המדגם.
- מדוד את השידור של המכשיר למד עם תא UC להסיר באמצעות ספקטרופוטומטר גלוי UV כדי לקבל את ספקטרום השידור, T DSC.
הערה: ניתן לעשות זאת בלסירוגין בין הצעדים 1.4 ו1.5.
- מדוד את כוח קרן משאבה בעמדת DSC עבור כל מצב סינון בשימוש, שימוש בדיודת האור ומד כוח (כפי שתואר בסעיף 2.2.10).
- קח תצלום של קרן המשאבה מקרינה על גבי פיסת נייר רשת בעמדה שווה ערך למקום שבי שכבת TTA הייתה במהלך הניסוי. בכבדות להחליש את הקרן במידת צורך כדי למנוע הרוויה של גלאי המצלמה. השתמש בתוכנת תמונה וניתוח תמונה זו כדי לקבוע את גודל נקודת משאבה.
עיבוד .3 נתונים
3.1. לשרבב את כל הנתונים למרווחי 1 ננומטר.
3.2. קביעת IPCE
- לחשב את שטף הפוטונים (φ) שהגיע למכשיר המשולב מכוח הבדיקה נמדד כנוכחי שנוצר על ידי דיודת האור (I) והמטען חשמלי (q):
- לחשב את פוטון תא האירוע ליעילות אלקטרונים מומר (IPCE 0) של דוויCe ממדידת SC J ללא תאורת משאבה ושטף הבדיקה.
- קח את היחסים בין מדידות עם משאבה ובדיקה מיושרת ומיושר כדי להשיג את השיפורים יחסי מהפעלת up-הממיר.
- קביעת גורם ריכוז שמש
- להמיר את מקדם ההכחדה של sensitizer לחתך קליטה, σ.
- השג את קצב העירור של sensitizer תחת הספקטרום, (φ k) השמש הסטנדרטי AM1.5G על ידי לקיחת המוצרים של צפיפות שטף פוטונים מספקטרום השמש, העברה של DSC וsensitizer (σ) בכל אורך גל ולאחר מכן הסיכום מוצרים על פני קליטת Q-להקת sensitizer, בדרך כלל 600 ננומטר 750 ננומטר.
- לחשב, מגודל הכוחות ומקום של מקור המשאבה, צפיפות שטף פוטונים של המשאבה עם מסנני צפיפות ניטרליים שונים. אז קח את המוצרים של צפיפות השטף, העברה של DSC וsensitizer ב670 ננומטר כדי להשיג את שיעורי עירור המשאבה.
- חשב את גורם שמש ריכוז (ʘ) מהיחס של שיעור עירור משאבה לשיעור העירור בתנאי AM1.5G.
3.3. מודל התאמה ומספרים של קביעת הצטיינות
- להתאים מודל של השיפור היחסי = 1 + × הקבוע שבו הבדיקה משאבת σ וσ (T DSC / IPCE 0) × [(σ לשאוב × הבדיקה σ) / (משאבת σ + הבדיקה σ)], על תוצאות השיפור הניסיוניות, הם חתכים ביחס לאורכי גל המשאבה ובדיקה; משאבת σ הוא קבועה עבור כל עוצמת משאבה ובדיקת σ משתנה עם אורך גל.
- להעריך את השיפור בSC J מתקבל מהשפעת העלאת התדר (ΔJ SC) מההבדלים בין IPCE UC וIPCE 0 וdensit שטף השמשy.
- לחשב את FoM ידי נרמול SC ΔJ בריבוע של גורם ריכוז שמש, שכן יש TTA-UC תלות ריבועית על קלט כוח בעוצמה עירור נמוך.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
דמויות 3A - תגובות שיפור תצוגת D נמדדו בתנאי מדידה שונים, עם האפקטים שנדונו ביתר פירוט בהמשך. משיפורי צפיפות זרם הגלם בם היא צריכה להיות ברורה שאת התוצאות באיור 4 א ו -4 הן מיוחסות להעלאת תדר, עם שיפור השיא הנוכחי ושיפור IPCE התאמה טוב עם ספקטרום הספיגה של sensitizer, נחלש על ידי שידור באמצעות השכבה הפעילה של DSC.
על מנת להימנע מחפצי מדידה שהוצגו על ידי לייזר הטיית קרן המשאבה הותאם כדי להגיע לשכבת UC בזווית גדולה יותר לקורה הבדיקה, מוצגת באופן סכמטי באיור 2. איור 4 א מציג שיפור ללא השפעת הטיית משמעותית, ואילו שני 4C הדמויות ו4D מושפע מהבעיה זו. התוצאה של alignme הנכוןnt על מדידות מוצג באיור 4 א, כאשר פער SC J משקף את רכוש הקליטה של sensitizer שבה יש שיא ספיגה ב675 ננומטר. מלבד אזור הקליטה של sensitizer והאזור השקוף של המכשיר, ההבדל בSC J מוטבע ברעש.
שיפור משמעותי ביחס IPCE של המכשיר המשולב בקצה האדום של ספקטרום הנראה ניתן להבחין באיור 4C. עם זאת, ההכנסה של איור 4C שמראה את ההבדל בין מדידות SC J המיושרות ומיושרות, אינה משקפת את רכוש הרפאים של sensitizer. נראה היישור של משאבה ובדיקה כדי לשפר את ביצועי תא על פני הספקטרום הנראה כולו ומצביע על כך שהשיפור מגיע מהמלכודת מילוי אשר משפר את הביצועים הכוללים של המכשיר, עקב לייזר הטיית 30.
כדי Ver ify החשד, המכשיר המשולב הוחלף על ידי מכשיר דומה פרט לכך שחדר UC נותר ריק (איור 4D). תחת תנאי ניסוי הזהים, שיפור כבר מצא על פני הספקטרום הנראה. זה מאשר את השפעת השיפור הקודמת מגיעה ממקום TTA-UC הטיית הלייזר. במקרה של המכשיר בלי פתרון TTA-UC, מאחר ומרבית הלייזר מפוזר בחזרה להתקן, אפקט הטיית משמעותי עוד יותר.
איור 5 מרחיב את התוצאות שמוצגים באיורי 4 א ו -4 ב. במקרה זה, עוצמת האור של קרן המשאבה הותאמה 6-27 ʘ. ΔJ SC נראה בקנה מידה עם הכיכר של עוצמת אור, כמו לכל ציפייה (חוק הכח יתאים 2.02). ככזה, FoM נתפסים להיות עוצמת אור עצמאית, המצביע על כך במערכת TTA-UC היא מוגבלת על ידי תהליכי bimolecular.
לשמור-together.within-page = "תמיד">: 
אנימציה 1:. פעולה סכמטי של פוטון השמדת השלישייה שלישייה את המרה עם sensitizer PQ4PdNA ופולט rubrene, וכתוצאה מכך התאורה של צבע D149 והזרקת אלקטרונים שלאחר מכן לTio 2 אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 1 תצורת התקן, לפני כניסתה של רכיבים נוזליים. שכבות ממוקמות יחד ונחתמו על ידי יישום של חום כדי לרכך את שכבות האטם."> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2 התקנה למדידת השיפור. המכשיר המשולב מוקרן על ידי אור מונוכרומטי מבולבל מווסת ממקור אור לבן (מנורה המונע על ידי לייזר) עבר monochromator, והתמקד achromatically על המדגם על ידי מראה פרבולית מחוץ לציר. אור הבדיקה מפוצל עם מסנן זכוכית (גוזר קרן) ואור הבדיקה בא לידי ביטוי הוא זוהה על ידי דיודת אור המצורף למד כוח. שכבת TTA-UC של המכשיר המשולב היא נרגשת ברציפות על ידי 670 לייזר גל הרציף ננומטר (משאבה) כדי ליצור שלישיית רקע, כדי לאפשר את אפקט שיפור TTA-UC שמשש עם קרן מונוכרומטי החלש. התפוקה הנוכחית מהמכשיר מוזן דרך מגבר וצפחות נוכחיאדום על ידי נעילה בהגברה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3 נציגי נתונים המראים שיפור היחסי IPCE (col (/ col מזדהה) (מיושרת) והבדל בתגובה (col (מזדהה) -col (מיושר) בממוצע משש מיושרות ושש מדידות מיושרות. () הבדל התגובה מאשר צורת רפאים של שיפור IPCE היא ממשנה bandgap האור שנקטפו על ידי sensitizer של עד-הממיר, כצורת רפאים השיפור תואמת לקליטת Q-הלהקה של sensitizer ומצויד מודל השיפור היחסי (ב) (שתואר קודם לכן ביום 31 ב) על עקומת שיפור IPCE ניסיונית על ידי לאהst-ריבועים הולמים. המודל כולל העברת תא, IPCE התא המקורי (לא משאבה) וחתך קליטת sensitizer המתאים לחקור ומקור משאבה. עקומת שיפור המודל לאחר מכן נעשה שימוש לחישוב נוכחי לקצר נוסף שנוצרו מTTA-UC ובכך FoM. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
.4 שיפור איור IPCE (תחת 27 ʘ) עקבות ל() מכשיר משולב עם מדידת חוסר תיאום נכון (הבלעה מראה את הרווח בתגובה גלם), (ב) על פי דגם עקבות שיפור IPCE ביחס לנתונים ב() עם הבלעה מראה את עקומות תגובה נוכחי גלם של wi המכשירקרן ה משאבה ובדיקה מיושרת ומיושר (C) באותו המכשיר כמו ב() למעט שהמשאבה והבדיקה שמיושרת באותו האתר על האלקטרודה הפעילה, וכתוצאה מכך חפץ מדידה, המתוארים בטקסט (D) מכשיר זהה עם תא UC ריק, שנמדד בהתאם ל( C), נוסף הדגשת בעיית מדידה זו, עם הבלעה מראה את הרווח בתגובה גלם. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 5 תלות FoM של המכשיר המשולב בגורם ריכוז שמש. הבלעה מראה את התלות של רווח הנוכחי מחושב (ΔJ SC) מTTA-UC עם שני הצירים עלסקאלה לוגריתמית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
פרוטוקול זה מספק אמצעי להשגת פוטון את המרה DSC משופר ופירוט על איך למדוד את מכשיר כזה בצורה נכונה. FoM מאפשר חישוב הפשוט של שיפורי SC ΔJ צפויים להיות צפוי בעוצמות אור שונות, ובכלל זה בשמש 1. הערכים המוצגים כאן הם בלתי משתנה עם עוצמת אור (הבלעה של איור 4), כמו לכל ציפייה כאשר המערכת מתחת לסף הרוויה שלה 33. עם FoM, אנחנו יכולים לתקנן את אפקט השיפור של TTA-UC או תהליכי UC לא ליניארי אחרים כדי לאפשר השוואה קלה.
למרות ערכי FoM שהושגו במחקר זה הם הגבוה ביותר בקרב FoMs דיווח לDSCs, הם עדיין רחוקים מאינטרס מסחרי (~ mA 1 ∙ סנטימטר -2 ʘ -2). בנוסף לכך, שיפורים בקנה המידה כזה יכול להיות בעייתיים למדידה. בדוח זה (במיוחד ב3C דמויות ו3D) הסכנות דואר של טכניקת מדידה שגויה מוצגות, שבו קרן המשאבה גורמת (במידה מסוימת) בעיה בלתי צפויה. בעיה זו עלולה להיות ייחודית לDSCs, אולם במידה שקיימת חוסר ודאות זה קריטי, כי ניסויי שליטה (כמו שמוצג באיור 3D) נעשים ותנאים שונה בהתאם.
ישנם כמה גורמים מגבילים המגבילים את הביצועים של TTA-UC. קודם כל הוא קצב דעיכת השלישייה של הפולט, rubrene (~ 8,000 שניות -1 34), שהוא הרבה יותר מהר מאשר קצב העירור של sensitizer תחת 1 ʘ תאורה (6.8 שניות -1), בעוד ששיעור TTA של rubrene שלישייה היא שניות רק ~ 1 × 10 8 M -1 -1, שלושה סדרי הגודל מתחת לגבול דיפוזיה של rubrene בממסים אורגניים נפוצים 35. הפועל יוצא מכך הוא שרוב rubrene השלישייה דועך למצב היסוד לפני ביצוע TTA.
כדילהפחית את כמות שלשות rubrene עוברות ריקבון unimolecular לפני TTA אחד יכול לנסות להגדיל את ריכוז השלישייה, על ידי הגדלת ריכוז sensitizer. לרוע המזל, פורפירינים בפתרון נוטים לצבור בריכוזים גבוהים, וsensitizer-sensitizer TTA עשוי להתרחש. פתרון אפשרי להתגבר על הבעיות אלה הוא לצרף sensitizers על משטחי nanoparticle אורגניים 36. כריכוזים כאלה, גבוהים של (יחסית) sensitizer המשותק ניתן לאכלס עם מרווה עצמית מופחתת, ועלול להעלות את הריכוז המקומי של שלישייה זמינה עבור TTA יעיל.
Sensitizer שימש במחקר זה אינו אידיאלי עבור DSC בשילוב, כפי שקליטת Q-הלהקה של פורפירין חופף לתחילתו של DSC קליטה (600-700 ננומטר). לכן יש הפסדים באור מועבר זמינים עבור TTA-UC, את היעילות של אשר תלוי בריכוז שלישייה ושטף ובכך פוטון. אנו מצפים למדידת signi יותרשיפור ficant עם sensitizer שסופג עמוק יותר לתוך קרוב אינפרא אדום עם יעילות מעבר intersystem דומה לזה ששימש במחקר זה. FoM מציע מטרי נוחה של השוואה, אם וכאשר מערכת כזו מאופיינת.
הצבע משמש כאן, D149, הוא בין צבעי ביצועים הטובים ביותר האורגניים זמינים עבור DSC, אולם אחרים, כגון N719 או "צבע שחור" יש לי קליטת אדום העביר נוספת onsets 3. על מנת שTTA-UC כדי לשפר את המכשירים האלה, פורפירינים מתאימים עם ספיגות Q-להקה באורכי גל גדול יותר מאשר 900 ננומטר צריך נוצר. מצד השני, את יעילות DSC המדווחת הגבוהה ביותר עד כה יש תחילת קליטה של ~ 730 ננומטר 37, רק באופן שולי מעבר להופעה לצבע המשמש כאן.
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).
