Summary
Un dispositivo integrato, che incorpora una cella e tripletta-tripletta annientamento solare unità dye-sensibilizzate up-conversione è stato prodotto, offrendo una maggiore luce raccolta, da una parte più ampia dello spettro solare. Sotto i livelli di irraggiamento modesti una risposta notevolmente migliorato ai fotoni di bassa energia è stata dimostrata, ottenendo una cifra record di merito per le celle solari a tinta sensibilizzata.
Abstract
La scarsa risposta delle celle solari sensibilizzate con colorante (DSC) a luce rossa e infrarossa è un ostacolo significativo alla realizzazione di fotocorrenti più elevate e quindi efficienze più elevate. Photon up-conversion attraverso tripletta-tripletta annientamento (TTA-UC) è una tecnica interessante per l'utilizzo di questi fotoni di bassa energia che altrimenti andrebbe perduta per la produzione di fotocorrente, pur non interferendo con le prestazioni photoanodic in modo deleterio. Oltre a questo, TTA-UC ha un certo numero di caratteristiche, distinto da altri up-conversione tecnologie fotoni rilevati, che lo rende particolarmente adatto per l'accoppiamento con la tecnologia DSC. In questo lavoro, un sistema TTA-UC alte prestazioni comprovate, comprendente un sensibilizzante palladio porfirina ed emettitore Rubrene, è combinata con una DSC ad alte prestazioni (utilizzando il colorante organico D149) in un dispositivo integrato. Il dispositivo mostra una risposta migliore alla luce sub-bandgap nel range di assorbimento del sub-unità TTA-UC con conseguente più alto fifigura di merito per up-conversione assistito prestazioni DSC fino ad oggi.
Introduction
Celle solari sensibilizzate con colorante (DSC) sono stati proclamati come un concetto promettente conveniente raccolta di energia solare 1-3. Nonostante questo entusiasmo, commercializzazione diffusa deve ancora accadere. Un certo numero di ragioni sono state avanzate per questo, con un problema urgente è la relativamente alta energia di insorgenza di assorbimento, limitando l'efficienza ottenibile raccolta luce di questi dispositivi 4. Anche se questo può essere superato, riducendo l'insorgenza di assorbimento è in genere accompagnata da un calo di tensione a circuito aperto, che erode in modo sproporzionato le plusvalenze di densità di corrente 5, 6.
Il funzionamento generale della DSC comporta il trasferimento di elettroni da un colorante photoexcited di un semiconduttore (tipicamente TiO 2), seguita dalla rigenerazione del colorante ossidato da un mediatore redox. Entrambi questi processi sembrano richiedere forze trainanti sostanziali (potenziali) al fine di procedere con alta efficienza 7 4.
Per superare il problema di raccolta luce sollevata sopra, un certo numero di approcci sono stati presi. Questo include la 'terza generazione' 8 approcci di strutture tandem 9, 10 e fotone upconversion 11-14.
Recentemente 11 abbiamo riportato un dispositivo integrato composto da un elettrodo di DSC lavoro e contro, con un annientamento tripletta-triplet basata up-conversion (TTA-UC) system integrato nellaalla struttura. Questo elemento TTA-UC è stato in grado di raccogliere la luce rossa trasmessa attraverso lo strato attivo e chimicamente convertirlo (come descritto in dettaglio nel seguito) per fotoni di energia superiore che possono essere assorbiti dallo strato attivo del DSC e generare fotocorrente. Ci sono due punti importanti da notare su questo sistema. In primo luogo, TTA-UC ha molti potenziali vantaggi rispetto ad altri sistemi di fotoni upconversion 11; in secondo luogo dimostra un'architettura fattibile (proof-of-linea di principio) per l'incorporazione di TTA-UC, che era stato assente dalla TTA-UC letteratura fino a quel punto.
Il processo di TTA-UC 15-24 comporta l'eccitazione di molecole "sensibilizzanti", in questo caso porfirine Pd, da luce con energia sotto l'energia insorgenza dispositivo. I sensibilizzatori di singoletto eccitato subiscono una rapida traversata intersystem allo stato di tripletto più basso di energia. Da lì, si può trasferire energia ad un tripletta accettando stato fondamentale 'emettitore & #8217; specie come Rubrene, a condizione che il trasferimento sia ammessa dal energia libera 25. Il primo stato tripletta di Rubrene (T 1) è maggiore della metà dell'energia del suo primo stato eccitato di singoletto (S 1), ma meno della metà dell'energia di T 2, il che significa che un complesso incontro di due rubrenes tripletto eccitato può annientare a dare una molecola di singoletto eccitato emettitore (e l'altro nello stato fondamentale) con un abbastanza alta probabilità. Altri stati, statisticamente previsti, è più probabile energicamente inaccessibili per Rubrene 26. La molecola di singoletto eccitato Rubrene può emettere un fotone (come da fluorescenza) con energia sufficiente per eccitare il colorante sull'elettrodo di lavoro del DSC. Questo processo è mostrato nella Animazione 1.
TTA-UC offre una serie di vantaggi rispetto ad altri sistemi di UC, come ad esempio una gamma ampia di assorbimento e la natura incoerenti 27, 28, il che rende un'opzione attraente per coupling con DSC (così come OPV). TTA-UC è stato dimostrato che operano a relativamente bassa intensità di luce e in condizioni di luce diffusa. Sia la DSC e OPV sono più efficienti in regime di bassa intensità luminosa. Concentrazione solare è costosa e giustificabile solo per l'alta efficienza, dispositivi ad alto costo. La relativamente alta prestazioni dei sistemi TTA-UC in condizioni di luce bassa intensità è attribuibile al processo che coinvolge cromofori sensibilizzante con forti bande di assorbimento larghe in concerto con gli stati longevi terzina che sono in grado di diffondere, al fine di entrare in contatto con specie interagenti . Inoltre, TTA-UC è stato trovato per avere elevata efficienza intrinseca da uno studio cinetico 26.
Anche se TTA-UC funziona a bassa intensità luminosa, c'è ancora una relazione quadratica tra l'intensità della luce incidente e luce emessa (almeno a basse intensità di luce). Ciò è dovuto alla natura bimolecolare del processo. Per tenere contoper questo e per le varie condizioni sperimentali (in particolare intensità della luce) riportati da diversi gruppi, una figura di sistema meritocratico (UFM) deve essere impiegato per metro il miglioramento delle prestazioni offerto da upconversion. Questo FoM è stato definito come ΔJ SC / ʘ, dove ΔJ SC è l'aumento della corrente di corto circuito (solitamente determinata mediante integrazione del fotone incidente di carica Carrier efficienza, IPCE, con e senza l'effetto upconversion) e ʘ è il solare efficace concentrazione (in base al flusso di fotoni nella regione in questione, che è l'assorbimento Q-banda del sensibilizzatore) 2 29.
Qui, un protocollo per la produzione e la corretta caratterizzazione di un dispositivo DSC-TTA-UC integrato è segnalato, prestando particolare attenzione alle potenziali insidie di test del dispositivo. Si spera che ciò possa servire come base per un ulteriore lavoro in questo campo.
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Protocol
1. DSC Fabrication
1.1. Lavorare elettrodi Preparazione
- Pulire un intero foglio di F: SnO 2 vetro rivestito (110 mm × 110 millimetri × 2,3 millimetri, <8 Ω / □) mediante ultrasuoni in sequenza in acqua e sapone, poi acetone e infine l'etanolo (10 minuti ciascuno).
- Depositare un denso strato di TiO 2 seguendo la procedura riportata di seguito:
- Vetro a secco utilizzando il vetro di aria compressa e calore a 450 ° C sulla piastra (conduttore rivolto verso l'alto).
- Diluire Titanium diisopropoxide bis (acetilacetonato) (75% in peso in isopropanolo) con etanolo in un rapporto di 1: 9.
- Spruzzare la soluzione diluita su vetro riscaldato da una distanza di circa 100 mm, con cinque spray attraverso la lastra di vetro.
- Spruzzare un round per 10 sec per 12 giri.
- Mantenere vetro a 450 ° C per altri 5 minuti, prima di spegnere il fornello. Lasciare il bicchiere sul piano di cottura e lasciarlo raffreddare lentamente a RT.
- Posizionare il vetro supiano della stampante schermo (ancora una volta conduttore rivolto verso l'alto). Inserire schermo e allineare modello di vetro. Aggiungi TiO 2 pasta di schermo e stampare uno o due strati. Se il deposito di due strati, rimuovere la piastra di vetro da stampante tra le stampe, coprire e lasciare riposare per ~ 5 min, poi il calore a 125 ° C per 10 minuti prima di tornare alla stampante per stampare un livello successivo.
- Una volta che la stampa finale è fatto di esecuzione di un programma completo di sinterizzazione. Riscaldare gli elettrodi a 150 ° C a 12,5 ° / min, tenere 10 minuti, poi a 325 ° C a 11,7 ° / min, tenere 5 minuti, poi a 375 ° C a 10 ° / min, tenere 5 minuti, poi a 450 ° C a 10,7 ° / min, tenere 30 minuti e infine a 500 ° C a 10 ° / min, tenere 15 min. Lentamente fresco di RT dopo questo.
- Tagliare il piatto principale in singoli elettrodi di garantire che vi sia spazio sufficiente attorno al film stampato per la guarnizione da applicare dopo. Rimuovere eventuali frammenti di vetro con aria compressa.
- Immergere gli elettrodi in un TiCl 4 20 mM
- Una volta raffreddato al di sotto di 100 ° C, immergere gli elettrodi in una soluzione colorante 0,5 mM. In questo caso l'uso, D149 in acetonitrile: tertbutanol (1: 1).
- Dopo la tintura O / N rimuovere gli elettrodi e sciacquare vigorosamente in acetonitrile per ~ 30 secondi quindi lasciare riposare per altri 30 sec. Estrarre gli elettrodi dal bagno di risciacquo e asciugare con aria compressa.
1.2. Contatore elettrodi Preparazione
- Tagliare un altro foglio di 2,3 mm F: SnO 2 bicchiere in 18,3 millimetri x 27,5 millimetri pezzi.
- Immergere contatore elettrodo in acqua e praticare un piccolo foro in un angolo (φ = 1 mm, 2,5 millimetri da ogni angolo) da utilizzare come porta di riempimento, con una punta di diamante bava dentale montato in un piccolo banco trapano.
- Pulire controelettrodo di cui al punto 1.1.1
- Controelettrodo secco e posto su una tessera con conduttivo verso l'alto. Applicare una goccia di soluzione di acido platinico (H 2 PtCl 6, 10 mM in etanolo) e si sviluppa con l'estremità di una pipetta. Tegola sul posto già caldo (400 ° C) piastra per 15 minuti. Dopo questo, rimuovere il vetro e piastrelle e lasciare raffreddare su una panchina.
1.3. Riflettore
- Tagliare un pezzo di non conduttivo 2 millimetri di vetro a 18,3 mm × 27,5 millimetri e due fori negli angoli adiacenti lungo il lato lungo, con la stessa tecnica come per l'elettrodo contatore (punto 1.2.2).
- Vetro pulito, una volta utilizzando lo stesso protocollo di cui sopra (1.1.1)
- Nastro il vetro pulito e asciutto per la panchina su tre lati, con del nastro residuo basso. Applicare una goccia di Al 2 O 3 pasta (2,0 g di 0,3 micron Al 2 O 3 particelle colloidali, 2 ml di Al 2 O 3 + 1 ml di etanolo) e disegnare giù con una bacchetta di vetro.
- Lasciare pellicola asciugare, rimuovere il nastro e SIvetro nter a 500 ° C per 30 min.
1.4. Montaggio del dispositivo
- Tagliate due lotti di hot melt guarnizioni adesive.
NOTA: la prima, per la DSC, è di 25 micron di spessore e ha dimensioni interne del 17 mm × 8 mm dimensioni esterne del 21 mm × 12 mm. La SEC, per la camera upconversion, utilizza 60 micron materiale della guarnizione raddoppiato negli dare 120 micron di spessore. Una volta piegato, questa guarnizione ha dimensioni interne di 17 millimetri × 21 mm e le dimensioni esterne del 21 mm × 25 mm. - Posizionare la prima guarnizione nell'angolo del contro elettrodo, assicurando la porta di riempimento è accessibile. Inserire l'elettrodo di lavoro su questo, tali che la superficie stampata è interamente all'interno della guarnizione, ed ottenere una buona tenuta.
- Spostare questa assemblea ad una piastra (120 ° C) e applicare una pressione fino a quando si ammorbidisce e si scioglie guarnizioni, che possono essere osservati visivamente le guarnizioni bagna le superfici di vetro. Rimuovere il gruppo e lasciare raffreddare.
- Postoseconda guarnizione su riflettore, ancora una volta, assicurando orifizi di riempimento non sono coperti. Inserire DSC sopra tali che la superficie stampata è direttamente di fronte al riflettore allumina stampata. Ancora una volta riscaldare dispositivo mentre applicando una pressione, fino a quando la guarnizione ammorbidisce e aderisce, come nella sezione 1.4.3. Questo montaggio è rappresentato nella Figura 1.
1.5. Riempimento di cavità
- Preparare una soluzione elettrolitica di 0.1 M LiI, 0,6 M 1,2-dimetil-3-propylimidazolium ioduro e 0,05 M di iodio in methoxypropionitrile.
- Posizionare il dispositivo in un piccolo contenitore di plastica con tubo a vuoto attaccato, con il controelettrodo rivolta verso l'alto.
- Mettere una goccia della soluzione elettrolitica sul foro e un pezzo di vetro sulla parte superiore. Applicare il vuoto per un paio di secondi per estrarre l'aria dalla cavità DSC, prima del rilascio, che si avvarrà elettrolita nella cavità.
- Preparare i sigilli accoppiando materiale della guarnizione hot melt su un foglio di alluminio. Lascia questi su una piastra, Gasket lato materiale fino. Pulire la parte posteriore del controelettrodo accuratamente, quindi sigillare premendo dispositivo contro il materiale della guarnizione per ~ 5 sec.
- Preparare la soluzione TTA-UC sciogliendo 0,6 mM di Pd colorante (tetrakis(3,5-di-tert-butylphenyl)-6'-amino-7'-nitro-tetrakisquinoxalino[2,3-b'7,8-b''12,13-b'''17,18-b''''-porphyrinato) di palladio (II)) e 22 mm di Rubrene in benzene. Sfiatare questa soluzione accuratamente con tre azoto liquido cicli di gelo-disgelo-pompa.
- All'interno di un vano portaoggetti, introdurre la soluzione TTA-UC nella cavità posteriore, permettendo forze capillari per disegnare attraverso. Una volta pieno, ancora una volta, pulire accuratamente la superficie e sigillare utilizzando un altro pezzo di alluminio di appoggio materiale della guarnizione.
2 Misura
2.1. Contatti elettrici
- Applicare saldatura a F esposti: SnO 2 di elettrodi contatore di lavoro e con Sonic saldatore e saldatura appropriata. Collegare i fili di anodo e catodo tramite saldatura normale.
- Applicare epossidica UV curabile per aprire bordi.
NOTA: Questo viene fatto per servire come incapsulamento secondaria del dispositivo contro l'ingresso di ossigeno ed evaporazione del solvente, oltre ad aumentare la robustezza del dispositivo, in particolare l'allegato filo. - Fissare l'anodo e catodo filo di un cavo BNC aperto attraverso una morsettiera.
2.2. Setup IPCE misura
- Utilizzando la configurazione mostrata schematicamente in figura 2, montare il dispositivo integrato su un supporto cuvetta.
- Illuminare una sezione del dispositivo integrato (~ 2 mm × 1mm) con un raggio laser continuo nm onda 670 (il 'fascio di pompa') attraverso uno specchio su una montatura regolabile.
- Illuminare l'integrato TTA-UC DSC con luce incoerente quasi-monocromatica (il 'fascio sonda') generata utilizzando una lampada Xe, passata prima attraverso un filtro longpass 405 nm, poi un chopper ruota operante a 29 Hz, un monocromatore, un vetrino inclinato (qui usato come un beam splitter ~ 4%) e di uno specchio parabolico. Generare una popolazione di sfondo tripletta nello strato TTA-UC eccitando strato UC con il fascio di pompa, che è incidente ad un angolo tale che non si accende il livello attivo tastata DSC ma solo lo strato UC.
- Allineare la pompa e fascio sonda sullo strato TTA-UC utilizzando montare lo specchio regolabile. Misurare la corrente di corto circuito generato dalla sonda in quanto viene scansionato tutto lo spettro visibile in incrementi di 5 nm utilizzando un dispositivo di acquisizione di segnali dinamici, amplificatore di corrente e il software di controllo in-house.
- Contemporaneamente registrare la variazione della potenza del fascio sonda riflessa dal vetrino con un misuratore di potenza e un fotodiodo con uscita analogica alimentata al dispositivo di acquisizione del segnale. Correggere il J SC dal dispositivo dalla variazione sonda nel software.
- Spostare il fascio di pompa leggermente utilizzando lo specchio regolabile monte, tale che colpisce lo strato attivo del dispositivo adiacente al fascio sonda. Ripetere la misura con la pompa e la sonda fascio disallineato.
- Registrare sei serie di misure con allineamento e disallineamento nelle stesse posizioni per una migliore rapporto segnale-rumore.
- Ridurre l'intensità del fascio di pompa mettendo il fascio di pompa diversi filtri a densità neutra con trasmissioni noti a 670 nm, e ripetere i passaggi da 2.2.4 a 2.2.7 per una gamma di intensità.
- Misurare il dispositivo J SC integrato, senza la fonte fascio di pompa attiva.
- Misurare la potenza incidente sonda sulla DSC in termini di corrente generata dal fotodiodo posizionando il fotodiodo alla posizione del campione.
- Misurare la trasmissione del dispositivo studiato con la camera di UC rimosso utilizzando uno spettrofotometro visibile UV per ottenere lo spettro di trasmissione, T DSC.
NOTA: Questo può essere fatto alternativamente tra fasi 1.4 e 1.5.
- Misurare la potenza del fascio pompa nella posizione DSC per ogni condizione di filtro utilizzato, utilizzando il fotodiodo e potenza metro (come descritto nella sezione 2.2.10).
- Prendere una fotografia del fascio di pompa proiezione su un pezzo di carta griglia in una posizione equivalente a dove lo strato TTA stato durante l'esperimento. Fortemente attenuare il fascio se necessario per evitare la saturazione del rivelatore telecamera. Utilizzare questo software immagine e di analisi dell'immagine per determinare la dimensione del punto della pompa.
Trattamento dei dati 3
3.1. Interpolazione Tutti i dati a incrementi di 1 nm.
3.2. IPCE Determinazione
- Calcolare il flusso di fotoni (φ) raggiungendo il dispositivo integrato dal potere sonda misurata come corrente generata dal fotodiodo (I) e carica elettrica (q):
- Calcolare il fotone incidente cella convertito efficienza elettroni (IPCE 0) della DeviCé dalla misurazione SC J senza illuminazione pompa e il flusso della sonda.
- Prendete i rapporti tra misure con pompa e sonda allineati e non allineati per ottenere i relativi miglioramenti di attivare l'up-convertitore.
- Concentrazione solare determinazione fattore
- Convertire il coefficiente di estinzione del sensibilizzatore in sezione trasversale di assorbimento, σ.
- Ottenere il tasso di eccitazione del sensibilizzatore sotto il AM1.5G spettro solare standard, (k φ), prendendo i prodotti della densità di flusso di fotoni dello spettro solare, trasmittanza del DSC e il sensibilizzante (σ) ad ogni lunghezza d'onda e poi sommando i prodotti in tutto il sensibilizzatore assorbimento Q-banda, tipicamente 600 nm a 750 nm.
- Calcolare, dalla dimensione poteri e punto della sorgente di pompa, la densità di flusso di fotoni di pompa con differenti filtri di densità neutri. Poi prendere i prodotti delle densità di flusso, trasmittanza del DSC e il sensibilizzatore a670 nm per ottenere i tassi di eccitazione della pompa.
- Calcolare il fattore di concentrazione solare (ʘ) dal rapporto della pompa tasso di eccitazione al tasso di eccitazione in condizioni AM1.5G.
3.3. Modello Montaggio e figure di merito Determinazione
- Montare un modello della relativa valorizzazione = 1 + × costante in cui la sonda pompa σ e σ (T DSC / IPCE 0) x [(σ pompa × sonda σ) / (pompa σ σ + sonda)], sui risultati sperimentali di valorizzazione, sono sezioni trasversali rispetto alle lunghezze d'onda di pompa e di sonda; pompa σ è fissata per ogni intensità di pompa e sonda σ varia con la lunghezza d'onda.
- Stimare la valorizzazione in J SC ottenuto dall'effetto upconversion (ΔJ SC) dalle differenze tra IPCE UC e IPCE 0 e la densit flusso solarey.
- Calcolare l'UFM normalizzando ΔJ SC per il quadrato del fattore di concentrazione solare, dal momento che TTA-UC ha una dipendenza quadratica sull'ingresso di alimentazione a bassa intensità di eccitazione.
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Representative Results
Figure 3A - D risposte valorizzazione visualizzazione misurati in diverse condizioni di misura, con gli effetti discussi in dettaglio più avanti. Dalle prime miglioramenti densità di corrente dovrebbe essere chiaro che i risultati della Figura 4A e 4B sono attribuibili a upconversion, con il miglioramento corrente di picco e IPCE valorizzazione abbinamento bene con lo spettro di assorbimento del sensibilizzatore, attenuato dalla trasmissione attraverso lo strato attivo del DSC.
Per evitare artefatti valutazione introdotte polarizzando il fascio di pompa laser è stato modificato per arrivare al livello UC ad un angolo maggiore fascio sonda, schematicamente illustrato in figura 2. Figura 4A mostra un enhancement senza significativo effetto di polarizzazione, mentre entrambe le figure 4C e 4D sono interessati da questo problema. La conseguenza di una corretta alignment su misurazioni è mostrato in Figura 4A in cui la differenza di J SC riflette la proprietà di assorbimento del sensibilizzatore che ha un picco di assorbimento a 675 nm. A parte la regione di assorbimento del sensibilizzatore e la zona trasparente del dispositivo, la differenza di J SC è incorporato nel rumore.
Un significativo miglioramento IPCE relativa del dispositivo integrato nella parte rossa dello spettro visibile può essere osservato nella Figura 4C. Tuttavia, l'inserto della figura 4C che mostra la differenza tra le misure SC J allineati e non allineati, non riflette la proprietà spettrale del sensibilizzatore. L'allineamento della pompa e sonda sembrano migliorare le prestazioni cella tutto lo spettro visibile e suggerisce che il miglioramento viene dalla trappola riempimento che migliora le prestazioni complessive del dispositivo, a causa del laser di polarizzazione 30.
Al fine di verficare il sospetto, il dispositivo integrato è stato sostituito da un dispositivo analogo, tranne che la camera di UC è stato lasciato vuoto (Figura 4D). Sotto la condizione sperimentale identico, la valorizzazione è stato trovato in tutto lo spettro visibile. Si conferma l'effetto di valorizzazione precedente deriva da invece di TTA-UC-polarizzazione del laser. Nel caso del dispositivo senza soluzione TTA-UC, poiché la maggior parte del laser viene dispersa al dispositivo, l'effetto di polarizzazione è ancora più significativo.
Figura 5 amplia i risultati mostrati nelle Figure 4A e 4B. In questo caso, l'intensità luminosa del fascio di pompa è regolata da 6 a 27 ʘ. ΔJ SC è visto in scala con il quadrato della intensità della luce, come da aspettativa (legge di potenza adatta 2.02). Come tale, il FoM è visto come l'intensità luminosa indipendente, suggerendo che il sistema TTA-UC è limitato da processi bimolecolari.
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Animazione 1:. Funzionamento schematica della tripletta-tripletta annientamento fotoni up-conversione con PQ4PdNA sensibilizzante e Rubrene emettitore, con conseguente illuminazione di D149 tintura e successiva iniezione di elettroni in TiO 2 Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 1 Configurazione dispositivi, prima dell'introduzione dei componenti liquidi. Livelli sono messi insieme e sigillati mediante l'applicazione di calore per ammorbidire gli strati della guarnizione."> Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 Configurazione per la misurazione valorizzazione. Il dispositivo integrato viene irradiato da luce monocromatica modulata incoerente da una sorgente di luce bianca (lampada guidato-laser) passa attraverso un monocromatore, e achromatically focalizzata sul campione da uno specchio parabolico fuori asse. La luce sonda è diviso con un filtro di vetro (fascio slitter) e viene rilevata la luce riflessa da una sonda fotodiodo collegato a un misuratore di potenza. Lo strato TTA-UC del dispositivo integrato è continuamente eccitato da un 670 nm laser ad onda continua (pompaggio) per generare triplette di fondo per consentire l'effetto di miglioramento TTA-UC da tastare con il fascio monocromatico debole. La corrente in uscita dal dispositivo è alimentato attraverso un amplificatore di corrente e misurosso da lock-in di amplificazione. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. dati rappresentativi che mostrano (A) la relativa valorizzazione IPCE (col (Aligned) / col (allineate) e la differenza di risposta (col (Aligned) -Col (allineate) in media da sei allineato e sei misurazioni non allineati. La differenza risposta conferma la forma spettrale di valorizzazione IPCE è dalla luce sub-bandgap raccolte dalla sensibilizzatore della su-convertitore, come la forma spettrale valorizzazione corrisponde all'assorbimento Q-banda del sensibilizzatore e (B) il modello di valorizzazione relativa montato (descritto in precedenza 31) su una curva di enhancement IPCE sperimentale least-piazze aderenti. Il modello comprende trasmittanza cella, la cella IPCE originale (senza pompa) e la sezione d'urto di assorbimento sensibilizzante corrispondente alla sonda e sorgente di pompa. La curva di enhancement modellato viene quindi utilizzato per il calcolo della corrente di cortocircuito supplementari derivanti da TTA-UC e quindi FoM. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4. valorizzazione IPCE (sotto 27 ʘ) tracce di (A) un dispositivo integrato con misurazione corretta disallineamento (riquadro che mostra il guadagno in risposta crudo), (B) modellato traccia miglioramento relativo IPCE per i dati in (A) con inserto mostra il prime curve di risposta correnti del dispositivo wipompa e sonda th fascio allineato e disallineato (C) lo stesso dispositivo come in (A), eccetto che la pompa e la sonda essendo allineate nello stesso sito sull'elettrodo attivo, causando un artefatto misurazione, descritto nel testo (D) un dispositivo identico con una camera UC vuoto, misurata secondo (C), evidenziando ulteriormente questo problema di misura, con inserto che mostra il guadagno in risposta grezzo. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5 FoM dipendenza del dispositivo integrato sul fattore di concentrazione solare. Inset mostra la dipendenza dei calcolata guadagno di corrente (ΔJ SC) da TTA-UC con entrambi gli assi suuna scala logaritmica.
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Discussion
Questo protocollo fornisce un mezzo per raggiungere fotone up-conversion maggiore DSC e dettagli su come misurare correttamente tale dispositivo. L'UFM permette per il semplice calcolo dei previsti miglioramenti ΔJ SC da aspettarsi a diverse intensità di luce, anche a 1 sole. I valori qui indicati sono invarianti con intensità luminosa (riquadro di figura 4), come da aspettativa quando il sistema è sotto la soglia di saturazione 33. Con l'UFM, siamo in grado di uniformare l'effetto potenziamento della TTA-UC o altri processi UC non lineare per consentire un facile confronto.
Anche se i valori FOM ottenuti in questo studio sono la più alta tra le FOMS riportati per DSC, sono ancora lungi dall'essere interesse commerciale (~ 1 mA ∙ cm -2 ʘ -2). Oltre a questo, i miglioramenti di questa scala può essere problematico per misurare. In questa relazione (in particolare nelle figure 3C e 3D) °E pericoli della tecnica di misurazione non corretti sono riportati, in cui il fascio di pompa provoca una (un po ') problema imprevisto. Questo problema può essere unica per DSC, se c'è qualche incertezza è fondamentale che gli esperimenti di controllo (come mostrato in Figura 3D) sono intraprese e le condizioni modificate di conseguenza.
Ci sono alcuni fattori che limitano che limitano le prestazioni dei TTA-UC. Prima di tutto è il tasso di decadimento tripletta di emettitore, Rubrene (~ 8.000 sec -1 34), che è molto più veloce rispetto al tasso di eccitazione del sensibilizzatore sotto 1 ʘ illuminazione (6,8 sec -1), mentre il tasso di TTA Rubrene triplette è solo ~ 1 × 10 8 M -1 s -1, tre ordini di grandezza inferiore al limite diffusione di Rubrene in solventi organici comuni 35. La conseguenza di ciò è la maggior parte dei tripletta Rubrene decade allo stato fondamentale prima di eseguire TTA.
In modo daridurre la quantità di triplette Rubrene in fase di decadimento unimolecolare prima TTA si può tentare di aumentare la concentrazione tripletta, aumentando la concentrazione sensibilizzante. Purtroppo, porfirine in soluzione tendono ad aggregarsi ad alte concentrazioni, e sensibilizzante-sensibilizzante TTA possono aver luogo. Una possibile soluzione superare questi problemi è quello di collegare sensibilizzatori su superfici di nanoparticelle inorganiche 36. Come tale, elevate concentrazioni di (relativamente) sensibilizzante immobilizzato possono essere sistemati con ridotta auto-spegnimento, e possono aumentare la concentrazione locale di triplette disponibili per un efficiente TTA.
Il sensibilizzante utilizzato in questo studio non è l'ideale per il DSC accoppiata, come l'assorbimento Q-band della porfirina si sovrappone con insorgenza di assorbimento del DSC (600-700 nm). Così ci sono perdite di luce trasmessa disponibili per TTA-UC, la cui efficacia dipende dalla concentrazione tripletta e il flusso di fotoni così. Ci aspettiamo di misurare un più signivalorizzazione signifi- con un sensibilizzatore che assorbe più in profondità nel vicino infrarosso con simile efficienza traversata intersystem a quello utilizzato in questo studio. Il FoM offre una comoda metrica di confronto, se e quando tale sistema è caratterizzato.
Il colorante usato qui, D149, è tra i coloranti migliori risultati organici disponibili per la DSC, tuttavia altri, come N719 o "tintura nera" hanno un ulteriore assorbimento rosso-spostato insorge 3. Affinché TTA-UC per migliorare questi dispositivi, porfirine appropriati con assorbimenti Q-banda a lunghezze d'onda superiore a 900 nm devono creato. D'altra parte, la massima efficienza segnalato DSC ad oggi ha un esordio assorbimento di ~ 730 nm 37, solo marginalmente oltre l'insorgenza del colorante usato qui.
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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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