Summary
En integrert enhet, som omfatter en dye-sensitivisert solcelle og triplet-triplet utslettelse up-konvertering enhet ble produsert, affording forbedret lys høsting, fra et bredere delen av solspekteret. Under beskjedne bestrålingsnivå en betydelig forbedret respons på lavenergi fotoner ble demonstrert, noe som gir en rekord figur av fortjeneste for dye-sensibiliserte solceller.
Abstract
Den dårlig respons av dye-sensitivisert solceller (DSCS) til rødt og infrarødt lys er en betydelig hindring for realisering av høyere photocurrents og dermed høyere effektivitet. Photon up-konvertering ved hjelp av triplett-trip utslettelse (TTA-UC) er en attraktiv teknikk for å bruke disse ellers bortkastet lavenergi fotoner å produsere photo, mens ikke forstyrrer photoanodic ytelse i en skadelig måte. Videre til dette, har TTA-UC en rekke funksjoner, skiller seg fra andre rapporterte foton up-konvertering teknologier, som gjør den spesielt egnet for kopling med DSC-teknologi. I dette arbeidet, et vist høyytelses TTA-UC-system, omfattende en palladium porfyrin sensibilisator og rubren emitter, er kombinert med en høy ytelse DSC (anvendelse av det organiske fargestoff D149) i en integrert enhet. Enheten viser en forbedret respons på sub-bandgap lys over absorpsjonsområdet på TTA-UC underenhet som resulterer i den høyeste figur of Merit for opp-konvertering assistert DSC ytelse til dato.
Introduction
Dye-sensibiliserte solceller (DSCS) har blitt kunngjort som en lovende konsept i rimelig solenergi samling 1-3. Til tross for dette entusiasme, har utbredt kommersialisering ennå ikke forekomme. En rekke årsaker har det blitt fremsatt for dette, med en trykke problemet blir den relativt høye energien fra absorpsjonen innsettende, begrenser oppnåe lys høsting effektiviteten av disse enhetene 4. Selv om dette kan overvinnes, senke absorpsjonen utbruddet blir vanligvis ledsaget av et fall i spenning ved åpen krets, som uforholdsmessig eroderer eventuelle gevinster i strømtetthet 5, 6.
Den generelle drift av DSCs omfatter elektronoverføring fra en photoexcited fargestoff til en halvleder (typisk TiO 2), fulgt av regenerering av den oksiderte fargestoffet av en redoks-mediator. Begge disse prosessene ser ut til å kreve betydelige drivkrefter (potensielle) for å fortsette med høy effektivitet 7 fire hullene.
For å overvinne den lette høsting problemet hevet ovenfor, har en rekke tilnærminger blitt tatt. Dette inkluderer den "tredje generasjon" 8 tilnærminger av tandem strukturer 9, 10 og fotonet oppskalering 11-14.
Nylig 11 vi rapporterte en integrert enhet bestående av en DSC arbeids-og motelektroden, med en triplett-trip utslettelse basert up-konvertering (TTA-UC) system tatt itil strukturen. Dette TTA-UC elementet var i stand til å høste rødt lys som overføres gjennom det aktive laget og kjemisk omdanne den (som beskrevet i detalj nedenfor) til høyere energi fotoner som kan bli absorbert av det aktive laget av DSC og generere photo. Det er to viktige punkter å merke seg om dette systemet. For det første har TTA-UC mange potensielle fordeler fremfor andre fotonet oppskalering systemer 11; for det andre viser en mulig arkitektur (proof-of-prinsippet) for inkorporering av TTA-UC, som hadde vært mangler fra TTA-UC litteratur opp til det punktet.
Prosessen med TTA-UC 15-24 innebærer eksitering av "sensibiliserende" molekyler, i dette tilfellet Pd porfyriner, av lys med energi under apparatets utbruddet energi. Singlet-excited sensibilisatorer gjennomgå raske intersystem krysset til lavest energi triplet tilstand. Derfra kan de overføre energi til en bakke-state triplet-akseptere 'emitter & #8217; arter som for eksempel rubren, så lenge overføringen tillates av fri energi 25. Den første triplet tilstand av rubren (T 1) er større enn halvparten av energien i den første spent singtilstand (S 1), men mindre enn halvparten av energien i T 2, noe som betyr at et møte kompleks av to triplet-spent rubrenes kan utslette å gir en singlett-ekssitert emitter molekylet (og den andre i grunntilstanden) med en ganske stor sannsynlighet. Andre stater, statistisk spådd, er mest sannsynlig energisk utilgjengelige for rubren 26. Singlett-ekssitert rubren molekyl kan deretter avgi et foton (fluorescens som per) med energi tilstrekkelig til å eksitere fargestoffet på arbeids-elektrode av DSC. Denne prosess er vist i en animasjon.
TTA-UC tilbyr en rekke fordeler sammenlignet med andre UC-systemer, slik som en bred absorpsjon rekkevidde og inkoherent natur 27, 28, noe som gjør det til et attraktivt alternativ for coupling med DSC (samt OPV). TTA-UC har blitt demonstrert i drift ved relativt lave lysintensitet og i diffuse lysforhold. Både DSC og OPV er mest effektive i lav lysintensitet regime. Solar konsentrasjon er kostbare og bare forsvarlig for høy effektivitet, høye kostnader enheter. Den relativt høye ytelsen til TTA-UC-systemer i lav intensitet lysforhold skyldes prosessen involverer Allergi chromophores med sterke, brede absorpsjonsspor i konsert med langlivede triplet stater som er i stand til å spre for å komme i kontakt med samhandlende arter . I tillegg har TTA-UC blitt funnet å ha høy iboende effektivitet fra en kinetisk studie 26.
Selv om TTA-UC opererer med lav lysintensitet, er det fortsatt en kvadratisk sammenheng mellom hendelsen lysintensitet og lyset (minst ved lave lysintensitet). Dette er på grunn av den bimolekylære naturen av prosessen. Til kontofor dette, og de varierte eksperimentelle forhold (spesielt lysintensitet) rapportert av ulike grupper, bør en figur av fortjeneste (FOM) systemet benyttes til å måle ytelsen ekstrautstyr tilbys av oppskalering. Denne FOM har blitt definert som ΔJ SC / ʘ, hvor ΔJ SC er økningen i kortslutningsstrøm (vanligvis bestemt av integrering av Incident Photon Lade Carrier Effektivitet, IPCE, med og uten oppskalering effekt) og ʘ er den effektive solenergi konsentrasjon (basert på foton fluks i vedkommende region, det vil si Q-bånd absorpsjon av sensibilisator) 2 29.
Heri, er en protokoll for å produsere og riktig å karakterisere en integrert DSC-TTA-UC-enhet rapportert, betaler spesiell oppmerksomhet til potensielle fallgruver i enhetstesting. Det er å håpe at dette vil tjene som et grunnlag for videre arbeid på dette feltet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. DSC Fabrication
1.1. Working elektrode Forberedelse
- Rent en hel plate av F: SnO 2 belagt glass (110 mm x 110 mm x 2,3 mm, <8 Ω / □) ved sonikering i rekkefølge i såpevann, deretter med aceton og til slutt etanol (10 min hver).
- Deponere et tett lag av TiO 2 å følge trinnene nedenfor:
- Tørr glass med trykkluft og varme glass til 450 ° C på varmeplaten (ledende siden opp).
- Fortynn diisopropoxide titan-bis (acetylacetonat) (75 vekt% i isopropanol) med etanol i en 1: 9-forhold.
- Spray fortynnet oppløsning på oppvarmet glass fra en avstand av ~ 100 mm, med fem spray på tvers av glassarket.
- Spray én runde per 10 sek i 12 runder.
- Hold glass ved 450 ° C i ytterligere 5 min, før du slår av kokeplaten. La glasset på varmeplaten og la den sakte avkjøles til RT.
- Sett glasset påskjermen skrivebordet (igjen ledende siden opp). Sett skjermen og justere mønster til glass. Legg TiO 2 lime til skjerm og skrive ut ett eller to lag. Hvis innskudds to lag, fjerne glassplate fra skriveren mellom utskrifter, dekker og la det bosette for ~ 5 min, deretter varmen til 125 ° C i 10 min før du går tilbake til skriveren for å skrive ut en påfølgende lag.
- Når den endelige utskriften er gjort kjøre en full sinter program. Varm elektrodene til 150 ° C ved 12,5 ° / min, hold i 10 min, deretter til 325 ° C ved 11.7 ° / min, hold 5 min, deretter til 375 ° C ved 10 ° / min, hold 5 min, deretter til 450 ° C ved 10.7 ° / min, hold i 30 minutter, og til slutt til 500 ° C ved 10 ° / min, hold 15 min. Langsomt avkjøles til RT etter dette.
- Skjær master plate i individuelle elektroder som sikrer at der er nok plass rundt den trykte film for pakningen for å brukes etter. Fjern eventuelle glasskår ved hjelp av trykkluft.
- Fordyp elektroder i en 20 mM TiCli 4
- Etter avkjøling til under 100 ° C, dyppes elektrodene i en 0,5 mM fargeløsning. I dette tilfelle brukes, D149 i acetonitril: tertbutanol (1: 1).
- Etter farging O / N fjerne elektrodene og skyll kraftig i acetonitril for ~ 30 sek deretter la den sitte i ytterligere 30 sek. Uttak elektroder fra skylle bad og tørr med trykkluft.
1.2. Counter elektrode Forberedelse
- Skjær et annet ark på 2,3 mm F: Snø 2 glass til 18.3 mm × 27.5 mm brikker.
- Fordyp motelektroden i vann og bore et lite hull i hjørnet (φ = 1 mm, 2,5 mm fra hver sone) til bruk som en fylle-porten, ved hjelp av en diamantkantete tann burr montert i en liten benk drill.
- Ren teller elektrode som angitt i del 1.10,1
- Tørr lektroden og sted på en brikke med ledende siden opp. Påfør en dråpe av platinaklorid syreløsning (2 H PtCl 6, 10 mM i etanol) og spres med enden av en pipette. Plass flis inn forvarmet (400 ° C) kokeplate i 15 minutter. Etter dette, fjerne glass og fliser og la den avkjøles på en benk.
1.3. Reflektor
- Klipp et stykke nonconductive 2 mm glass til 18,3 mm × 27,5 mm og bore to hull i tilstøtende hjørner langs langsiden, ved hjelp av samme teknikk som for disken elektroden (avsnitt 1.2.2).
- Rent glass, en gang ved hjelp av den samme protokoll som beskrevet ovenfor (1.1.1)
- Tape den rene, tørre glass til benken på tre sider, ved hjelp av lav rester tape. Påfør en dråpe Al 2 O 3 lime (2,0 g 0,3 mikrometer Al 2 O 3 partikler, 2 ml kolloidale Al 2 O 3 + 1 ml etanol) og trekke ned med en glasstav.
- Tillat film tørke, fjerne tape og sinter glass ved 500 ° C i 30 min.
1.4. Enhets Assembly
- Klipp to grupper av varmt smelter pakninger.
MERK: Den første, for DSC, er 25 mikrometer tykk og har innvendige dimensjoner 17 mm × 8 mm og ytre dimensjoner på 21 mm × 12 mm. SEC, for oppskalering kammeret, bruker 60 mikrometer pakningsmateriale doblet seg for å gi 120 mikrometer tykkelse. Når brettet, har denne pakningen innvendige dimensjoner 17 mm × 21 mm og ytre dimensjoner på 21 mm × 25 mm. - Plasser den første pakning i hjørnet av motelektroden, slik at den mettende port er tilgjengelig. Plasser arbeidselektrode i løpet av dette, slik at det trykte området er fullstendig inne i pakningen, og skaffe en god tetning.
- Flytt denne forsamlingen til en kokeplate (120 ° C) og press til paknings mykner og smelter, som kan observeres visuelt som paknings tisser glassflatene. Fjern montering og avkjøl.
- Stedandre pakningen på reflektor, er nok en gang sikrer fylle havner ikke dekket. Plasser DSC på toppen slik at den trykte området er rett foran den trykte alumina reflektor. Igjen varme enhet samtidig som du presser, til pakningen myker og fester seg, som i avsnitt 1.4.3. Denne sammenstillingen er vist i figur 1.
1.5. Fylle Hulrom
- Tilbered en elektrolytt-løsning av 0,1 M LiI, 0,6 M 1,2-dimetyl-3-propylimidazolium jodid og 0,05 M jod i methoxypropionitrile.
- Plasser enheten i en liten plastbeholder med vakuumrør festet, med motelektroden som vender oppover.
- Sette en dråpe av elektrolytten løsning over hullet og et stykke glass på toppen. Påfør vakuum for noen sek for å trekke luft fra DSC hulrom, før du slipper, som vil trekke elektrolytt inn i hulrommet.
- Forbered tetningene ved å laminere smeltelim eller pakningsmateriale på aluminiumfolie. La disse på en kokeplate, gasket materiale siden opp. Rens på baksiden av motelektroden grundig, deretter forsegle ved å trykke enheten mot pakningsmaterialet for ~ 5 sek.
- Forbered TTA-UC-løsning ved å løse opp 0,6 mM av Pd fargestoff (tetrakis(3,5-di-tert-butylphenyl)-6'-amino-7'-nitro-tetrakisquinoxalino[2,3-b'7,8-b''12,13-b'''17,18-b''''-porphyrinato) palladium (II)) og 22 mM rubren i benzen. Lufte denne løsningen grundig med tre flytende nitrogen fryse-pumpe-tinesykluser.
- Inne i en hanskerommet, introdusere TTA-UC-løsning i ryggen hulrom, slik at kapillære krefter til å trekke den gjennom. Når full, nok en gang rengjøre overflaten grundig og forsegle med et annet stykke aluminium støttet pakningsmateriale.
2. Måling
2.1. Elektriske kontakter
- Loddetinn på utsatt F: Snø 2 av arbeider og benke elektroder ved hjelp av Sonic loddebolt og passende loddetinn. Feste ledningene til anoden og katoden ved hjelp av vanlig loddetinn.
- Påfør UV kureres epoxy å åpne kanter.
MERK: Dette er gjort for å tjene som en sekundær innkapsling av innretningen mot inntrengning av oxygen og inndampning løsningsmiddel, så vel som å øke robustheten i enheten, særlig trådutstyret. - Fest anoden og katoden ledningen til et åpent BNC kabelen gjennom en koblingsklemme.
2.2. Oppsett IPCE Måling
- Ved å bruke oppsettet vist skjematisk i figur 2, monteres integrert enhet på en celleholder.
- Belyse en del av den integrerte enhet (~ 2 mm x 1 mm) med et 670 nm kontinuerlig bølgelaserstråle (den "pumpe stråle") via et speil på en justerbar montering.
- Belyse den integrerte TTA-UC DSC med usammenhengende kvasi-monokromatisk lys (den "probe stråle") genereres ved hjelp av en Xe lampe, gikk først gjennom en 405 nm longpass filter, deretter en Chopper wheel opererer på 29 Hz, en monokromator, en vinklet glass-slide (her brukt som et ~ 4% stråledeler) og en parabolsk speil. Generer et bakgrunnslett befolkningen i TTA-UC lag ved å eksitere UC sjikt med pumpestråle som faller inn på en slik vinkel at den ikke lyser opp probet DSC aktive laget, men UC sjikt kun.
- Juster pumpen og sonden strålen på TTA-UC lag med det justerbare speil montere. Mål kortslutningsstrøm generert av sonden som det er skannet over det synlige spekteret i 5 nm trinn ved hjelp av en dynamisk signal oppkjøpet enhet, strømforsterker og in-house kontrollprogramvare.
- Samtidig registrerer strømvariasjon av sondestråle reflektert fra glass-slide med en kraftmåler og en fotodiode med analog utgang mates til signalinnhentingsenhet. Korriger J SC fra enheten ved sonden variasjon i programvaren.
- Forskyving pumpestråle svakt med det justerbare speil montering, slik at den treffer det aktive laget av anordningen i tilknytning til sonden trålen. Gjenta målingen med pumpen og sonden strålen forskjøvet.
- Spill seks sett med målinger med justering og forskyvning på samme posisjoner for bedre signal til støyforhold.
- Reduser pumpestrålens intensitet ved å plassere på pumpestråle forskjellige nøytral tetthet filter med kjente transmisjoner på 670 nm, og gjenta trinnene 2.2.4 til 2.2.7 for en rekke intensiteter.
- Mål integrert enhet J SC uten pumpetrålen aktiv.
- Mål sonden strøm som faller inn på DSC i form av strøm som genereres av fotodiode ved å plassere den fotodiode ved prøveposisjon.
- Mål overføring av den studerte enheten med UC kammeret fjernes ved hjelp av et UV-synlig spektrofotometer for å oppnå transmisjonsspektret T DSC.
MERK: Dette kan bli vekselvis gjort i mellom trinn 1.4 og 1.5.
- Mål pumpestråleeffekt ved DSC posisjon for hver filtreringsbetingelse som anvendes, ved hjelp av fotodiode og kraftmåler (som beskrevet i avsnitt 2.2.10).
- Ta et fotografi av pumpestråle som rager inn et stykke nett papir ved en posisjon ekvivalent til hvor TTA lag var under forsøket. Tungt attenuere strålen om nødvendig for å forhindre metning av kameradetektoren. Bruk av dette bilde og bildeanalyse-programvare for å bestemme pumpe spot størrelse.
3. Databehandling
3.1. Interpolere alle dataene til en nm intervaller.
3.2. IPCE Bestemmelse
- Beregn foton fluks (φ) nådde den integrerte enheten fra sonden strømmen målt som strøm generert av fotodioden (I) og elektrisk ladning (q):
- Beregn celle hendelsen foton til konverterte elektron effektivitet (IPCE 0) av device fra J SC måling uten pumpebelysningen og sonden fluks.
- Ta forholdene mellom målingene med pumpe og sonde justert og forskjøvet for å få de relative forbedringene fra aktivering av opp-omformer.
- Solar konsentrasjonsfaktor besluttsomhet
- Konverter ekstinksjonskoeffisient av allergifremkallende i absorpsjon tverrsnitt, σ.
- Skaff eksitasjon rate av sensibilisator under standard AM1.5G solspekteret, (k φ) ved å ta produktet av foton flukstetthet fra solspekteret, transmisjon av DSC og sensibilisator (σ) ved hver bølgelengde, og deretter å summere produkter over hele allergen Q-band absorpsjon, typisk 600 nm til 750 nm.
- Beregn, fra de krefter og flekk størrelser av pumpekilden, de foton fluks tetthet av pumpen med forskjellige nøytrale tetthetsfilter. Så produktene av fluksen tettheter, transmisjon av DSC og en sensibilisator i670 nm for å få pumpen eksitasjon priser.
- Beregn solar konsentrasjonsfaktor (ʘ) fra forholdet mellom pumpe eksitasjon sats til eksitasjon kurs under AM1.5G forhold.
3.3. Modell Montering og Tallene Merit Bestemmelse
- Monter en modell av den relative forsterkning = 1 + konstant x (T DSC / IPCE 0) x [(σ pumpe x σ probe) / (σ pumpe + σ probe)], på de eksperimentelle resultater forsterkning, hvor σ pumpe og σ probe er tverrsnitt med hensyn til pumpe og probe-bølgelengder; σ pumpen er fast for hvert pumpeintensitet og σ sonden varierer med bølgelengden.
- Anslå forbedring i J SC hentet fra oppskalering effekt (ΔJ SC) fra forskjellene mellom IPCE UC og IPCE 0 og solar flux Polyetyleny.
- Beregn FOM ved å normal ΔJ SC med kvadratet av solenergi konsentrasjonsfaktor, siden TTA-UC har en kvadratisk avhengighet av strøminntaket på lav eksitasjon intensitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figurer 3A - D skjerm enhancement responser målt under forskjellige måleforholdene, med effekten diskutert i mer detalj nedenfor. Fra de rå strømtetthet forbedringer bør det være klart at resultatene i figur 4A og 4B er tilordnet oppskalering, med toppspenningen ekstrautstyr og IPCE forsterkning stemte godt med absorbsjons-spekteret av sensibilisator, dempes ved overføring gjennom det aktive sjikt av DSC.
For å unngå måle gjenstander innført av laseren biasing pumpetrålen er blitt justert for å komme frem til UC laget ved en større vinkel i forhold til sonden bjelke, vist skjematisk i figur 2. Figur 4A viser forsterkning uten vesentlig avdriftsvirkningen, mens begge figurene 4C og 4D er berørt av dette problemet. Konsekvensen av korrekt alignment på målinger er vist i figur 4A, hvor forskjellen i J SC reflekterer absorpsjon egenskapen av sensibilisator som har en absorpsjonstopp ved 675 nm. Bortsett fra absorpsjon region av allergifremkallende og gjennomsiktig område på enheten, er forskjellen i J SC innebygd i støy.
En betydelig relativ IPCE forbedring av den integrerte enheten i den røde ende av det synlige spekteret kan observeres i figur 4C. Men innsatsen i figur 4C som viser forskjellen mellom justert og feiljustert J SC målinger, ikke gjenspeiler den spektrale eiendom allergen. Justeringen av pumpe og sonde synes å forbedre celle ytelse på tvers av hele synlige spekteret og antyder at forbedringen kommer fra trap-fylling som forbedrer den generelle ytelsen til enheten, på grunn av laservekting 30.
For å verify mistanke, ble den integrerte enheten erstattes av en analog enhet, bortsett fra at kammeret UC ble etterlatt tomme (figur 4D). Under identiske eksperimentelle tilstand, har blitt funnet forbedring over det synlige spektrum. Det bekrefter den tidligere forsterkningseffekten kommer fra laser-forspenning i stedet for TTA-UC. I tilfelle av enheten uten TTA-UC-løsning, siden de fleste av laseren blir spredt tilbake til enheten, er avdriftsvirkningen enda mer betydelige.
Figur 5 ekspanderer ved de resultater som er vist i figurene 4A og 4B. I dette tilfelle ble lysintensiteten av pumpestråle justert 6-27 ʘ. ΔJ SC er sett til å skalere med kvadratet av lysintensiteten, i henhold til forventning (power law passe 2.02). Som sådan er den FOM sett til å være lysintensitet uavhengig, noe som tyder på at TTA-UC-systemet er begrenset av bimolekylære prosesser.
: Keep-together.within-page = "alltid"> 
Animasjon 1:. Skjematisk drift av triplett-trip utslettelse foton opp-konvertering med PQ4PdNA allergen og rubren emitter, som resulterer i belysning av D149 fargestoff og påfølgende elektron injeksjon i TiO 2 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 1. Anordning konfigurasjon, før innføring av væskeformede komponenter. Lag er plassert sammen og forseglet ved påføring av varme for å mykne pakningslagene."> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Innstilling for ekstra måling. Den integrerte enheten bestråles med modulert inkoherent monokromatisk lys fra en hvit lyskilde (laser-drevet lampe) føres gjennom en monokromator, og achromatically fokusert på prøven ved en off-axis parabolske speil. Sonden lyset blir spaltet med et glassfilter (beam slisseren) og det reflekterte lys proben blir detektert av en fotodiode forbundet med en kraftmåler. Den TTA-UC lag av den integrerte enhet er kontinuerlig spent av en 670 nm kontinuerlig bølge laser (pumpe) for å generere bakgrunnstripletter for å tillate at TTA-UC forsterkningseffekten til å bli probet med den svake monokromatisk stråle. Utgangsstrømmen fra anordningen blir matet gjennom en strømforsterker og målered av lock-in forsterkning. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Representative data som viser (A) den relative IPCE ekstrautstyr (col (Aligned) / col (forskjøvet) og respons forskjell (col (Aligned) -col (forskjøvet) i gjennomsnitt fra seks justert og seks feiljustert målinger. Responsen forskjell bekrefter spektrale formen på IPCE forbedringen er fra sub-bandgap lys høstet ved sensibilisator for den opp-omformer, som forbedringen spektral form samsvarer til Q-bånd absorpsjon av allergen, og (B) den relative forsterkning modellen montert (beskrevet tidligere 31) på en eksperimentell IPCE ekstrautstyr kurve etter least-rutene montering. Modellen inkluderer celle transmittans, den opprinnelige cellen IPCE (ingen pumpe) og sensibilisator absorpsjon tverrsnitt svarende til sonden og pumpekilde. Modellert ekstrautstyr kurven blir så brukt til å beregne ekstra kortslutningsstrøm som genereres fra TTA-UC og dermed FOM. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. IPCE ekstrautstyr (under 27 ʘ) spor for (A) en integrert enhet med korrekt forskyvning måling (innfelt viser gevinsten i rå respons), (B) modellert relativ IPCE ekstrautstyr spor for data i (A) med innfelt viser rå aktuelle respons kurver av anordningen with pumpen og sonden strålen justert og forskjøvet (C) den samme enhet som i (A) med unntak av at pumpen og sonden blir justert på samme sted på den aktive elektroden, noe som resulterer i en måle gjenstand, er beskrevet i teksten (D) et identisk enhet med en tom UC kammer, målt i henhold til (C), videre fremhever denne målingen problem, med innfelt viser gevinsten i rå respons. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. fom avhengighet av den integrerte enheten på solenergi konsentrasjonsfaktor. Inset viser avhengighet av beregnet strømforsterkning (ΔJ SC) fra TTA-UC med begge akser påen logaritmisk skala.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne protokollen gir et middel for å oppnå foton opp-konvertering forbedret DSC og detaljer på hvordan du skal måle en slik enhet. FOM gir mulighet for enkel beregning av forventede ΔJ SC forbedringer som kan forventes på forskjellige lysintensitet, også på en søndag. Verdiene vist her er invariant med lysintensiteten (innfelt i figur 4), i henhold til forventning når systemet er under sitt metningsterskelen 33. Med FOM, kan vi standardisere forsterkningseffekten av TTA-UC eller andre ikke lineær UC prosesser for å tillate enkel sammenligning.
Selv FOM verdiene oppnådd i denne studien er den høyeste blant de rapporterte FoMs for DSCs, er de fortsatt langt fra kommersiell interesse (~ 1 mA ∙ cm -2 ʘ -2). I tillegg til dette, kan forbedringer av denne skalaen være problematisk å måle. I denne rapporten (spesielt i figur 3C og 3D) the farene ved feil målemetode vises, der pumpe strålen fører til en (litt) uventet problem. Dette problemet kan være unikt for DSCs, men hvis det er noen usikkerhet det er avgjørende at kontrolleksperimenter (som vist i Figur 3D) er foretatt og forholdene endret tilsvarende.
Det er noen begrensende faktorer som begrenser ytelsen til TTA-UC. Først av alt er tripletten dempehastighet emitter, rubren (~ 8000 sek -1 34), som er mye raskere enn den magnetisering rate av allergen i henhold til ett ʘ belysning (6,8 sek -1), mens frekvensen av TTA rubren trioler er bare 1 x 10 ~ 8 M -1 sek -1, tre størrelsesordener under diffusjonen grense rubren i vanlige organiske oppløsningsmidler 35. Konsekvensen av dette er de fleste av tripletten rubren desintegrerer til grunntilstanden før utføring av TTA.
For å kunneredusere mengden av rubren tripletter som gjennomgår unimolecular forråtnelse før TTA kan man forsøke å øke lett konsentrasjon, ved å øke konsentrasjonen sensibilisator. Uheldigvis porfyriner i oppløsningen har en tendens til å aggregere ved høye konsentrasjoner, og sensibilisator-sensibilisator TTA kan finne sted. En potensiell løsning vinne disse problemene er å feste allergifremkallende på uorganiske nanopartikkel flater 36. Som sådan, høye konsentrasjoner av (relativt) immobilisert allergen kan innpasses med redusert selvlukkende, og kan øke den lokale konsentrasjonen av trill tilgjengelige for effektiv TTA.
Den sensibilisator brukt i denne studien er ikke ideelt for den koplede DSC, som Q-bånd absorpsjon av porfyrin lapper med DSC absorpsjon utbruddet (600-700 nm). Således er det tap i overført lys er tilgjengelig for TTA-UC, effektiviteten som avhenger lett konsentrasjon og således foton fluks. Vi forventer å måle en mer signifikantlig forbedring med et allergen som absorberer dypere inn i nær infrarødt med lignende intersystem crossing effektiviteten til den som brukes i denne studien. FOM tilbyr en enkel beregning for sammenligning, hvis og når et slikt system er karakterisert.
Fargestoffet som er brukt her, D149, er blant de dyktigste organiske fargestoffer tilgjengelig for DSC, men andre, som for eksempel N719 eller "black dye" har videre rød-forskjøvet absorpsjon onsets tre. For at TTA-UC å forbedre disse enhetene, passende porfyriner med Q-band absorptions på bølgelengder større enn 900 nm må opprettes. På den annen side, den høyeste rapporterte DSC effektiviteten til dags dato har en absorpsjon utbruddet av ~ 730 nm 37, bare marginalt utenfor utbruddet for fargestoff som brukes her.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| (tetrakis(3,5-di-tert-butylphenyl)-6’-amino-7’-nitro-tetrakisquinoxalino[2,3-b'7,8-b''12,13-b'''17,18-b''''-porphyrinato) palladium(II)) | in house | in house | Chem. Commun., 4851–4853 (2007) |
| 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide | Solaronix | 33150 | Material warning: Irritant |
| 405 nm longpass filter | Semrock | BLP01-405R-25 | - |
| 670 nm laser | Thorlabs | LDS5 + CPS198 | - |
| Acetone | Chemsupply | AA008-20L-P | Material warning: Flammable |
| Acetonitrile | Sigma | 271004 | Material warning: Flammable |
| Alumina | Alfa Aesar | 12733 | |
| Alumina | Leeco | 810-782 | |
| Back filling chamber | Sistema | 1303 | Klip it round, modified |
| Benzene | Scharlau | BE0033 | Material warning: Toxic |
| BNC cable | Jaycar | RG- 59U | |
| Cerasolzer | MBR | CS186 | |
| Chopper wheel | Thorlabs | MC1000A | |
| Control software | in house | in house | Written in LabVIEW |
| Current Amplifier | Standford Research | SR 570 | |
| D149 dye | 1m | OSO149 | |
| Dental burr | Priority dental supplies | 835.104.008 | |
| Detergent | Palmolive | Original | |
| Diamond wheel | Frameco | 14220 | |
| Drill | Dremmel | 220 | |
| Dynamic dignal acquisition device | National Instruments | USB-4431 | Analog to Digital |
| Ethanol | Univar | 214 | Material warning: Flammable |
| Glovebox | IT systems | ||
| H2PtCl6 | Sigma | 334472 | Material warning: corrosive |
| Hot melt adhesive gasket | Solaronix | Meltronic 1170-25 | Surlyn |
| Hot melt adhesive gasket | Solaronix | Meltronix 1170-60 | Surlyn |
| Hotplate | Harry Gestigkeit | PR 5 3T / PZ28-3T | |
| Hotplate | IKA | RCT basic | |
| Image analysis software | National Institutes for Health | Image-J | |
| Iodine | Sigma | 326143 | Material warning: corrosive |
| Laser engraver | Universal Laser Systems | PLS6WM | |
| Liquid Nitrogen | Air Liquide | ||
| Lithium Iodide | Aldrich | 518018 | Material warning: toxic |
| Methoxypropionitrile | Sigma | 65290 | Material warning: Flammable |
| Mirror | Thorlabs | PF10-03-P01 | |
| Mirror mount | Thorlabs | KM100 | |
| Monochromator | Spectral Products | CM110 | |
| Neutral density filters | Edmund Industrial Optics | 64-352 | |
| Parabolic mirror | Newport | 50329AL, 50338AL | |
| Photodiode | Newport | 918D-UV-OD3 | |
| Power meter | Newport | 1936-C | |
| Rubrene | Sigma | 551112 | |
| Semi-automatic screen printer | Keywell | KY-500FH | |
| Spray pyrolyser | Glaskeller | ||
| Tape | 3M | Magic Tape | |
| Terminal block | Jaycar | HM3194 | |
| tert-Butanol | Sigma | 360538 | Material warning: Flammable |
| TiCl4 | Sigma | 89545 | Material warning: corrosive |
| Tile | Johnson tiles | ||
| Tile cutter | DTA | DTA-310 | |
| TiO2 paste | Dyesol | NR18-T | - |
| Titanium diisopropoxide bis(acetylacetonate) (75% in isopropanol) | Aldrich | 325252 | Material warning: Flammable |
| Ultrasonic soldering iron | MBR | USS-9200 | |
| UV cure epoxy | Dymax | 425 | Material warning: Irritant |
| UV cure system | Dymax | BlueWave 50 | |
| UV Visible Spectrophotometer | Varian Cary | 1E | |
| Vacuum cuvette | Custom made | Custom made | |
| Vacuum pump | Rotary backed diffusion pump | ||
| Wipes | Kimtech | 34120KC | Kimwipes |
| Xe lamp | Energetiq | LDLSTM EQ-1500 | White light source |
References
- O'Regan, B., Grätzel, M. A low-cost, high-efficiency solar-cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature. 353, 737-740 (1991).
- Grätzel, M.
- Hagfeldt, A., Boschloo, G., Sun, L., Kloo, L., Pettersson, H.
- Tayebjee, M. J. Y., Hirst, L. C., Ekins-Daukes, N. J., Schmidt, T. W. The efficiency limit of solar cells with molecular absorbers: A master equation approach. J. Appl. Phys. 108, 124506 (2010).
- Daeneke, T., Gräf, K., Watkins, S. E., Thelakkat, M., Bach, U. Infrared Sensitizers in Titania-Based Dye-Sensitized Solar Cells using a Dimethylferrocene Electrolyte. ChemSusChem. 6, 2056-2060 (2013).
- Tian, H. N., Yang, X., Chen, R., Hagfelt, A., Sun, L. A metal-free "black dye" for panchromatic dye-sensitized solar cells. Energ. Environ. Sci. 2 (6), 674-677 (2009).
- Daeneke, T., et al. Dye Regeneration Kinetics in Dye-Sensitized Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 134 (41), 16925-16928 (2012).
- Green, M. A. Third Generation Photovoltaics: Advanced Solar Energy Conversion. , Springer. New York, NY. Series in Photonics (2003).
- He, J. J., Lindström, H., Hagfeldt, A., Lindquist, S. E. Dye-sensitized nanostructured p-type nickel oxide film as a photocathode for a solar cell. J. Phys. Chem. B. 103 (42), 8940-8943 (1999).
- Nattestad, A., et al. Highly efficient photocathodes for dye-sensitized tandem solar cells. Nat. Mater. 9 (1), 31-35 (2010).
- Nattestad, A., et al. Dye-Sensitized Solar Cell with Integrated Triplet-Triplet Annihilation Upconversion System. J. Phys. Chem. Lett. 4 (12), 2073-2078 (2013).
- Liu, M., Lu, Y., Xie, Z. B., Chow, G. M. Enhancing Near-Infrared Solar Cell Response Using Upconverting Transparent Ceramics. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 95, 800-803 (2011).
- Shan, G. B., Demopolous, G. P. Near-Infrared Sunlight Harvesting in Dye-Sensitized Solar Cells Via the Insertion of an Upconverter-TiO2 Nanocomposite Layer. Adv. Mater. 22, 4374-4377 (2010).
- Yuan, C., et al. Use of Colloidal Upconversion Nanocrystals for Energy Relay Solar Cell Light Harvesting in the Near-Infrared Region. J. Mater. Chem. 22, 16709-16713 (2012).
- Cheng, Y. Y., et al. Molecular Approaches to Third Generation Photovoltaics: Photochemical Up-conversion. Next Generation (Nano) Photonic and Cell Technologies for Solar Energy Conversion. , 7772-7777 (2010).
- Parker, C. A., Hatchard, C. G. Delayed Fluorescence from solutions of Anthracene and Phenanthracene. P. R. Soc. London. 269, 574-584 (1962).
- Zhao, J., Ji, S., Guo, H. Triplet-Triplet Annihilation Based Upconversion: From Triplet Sensitizers and Triplet Acceptors to Upconversion Quantum Yields. RSC Adv. 1, 937-950 (2011).
- Singh-Rachford, T. N., Castellano, F. N. Photon Upconversion Based on Sensitized Triplet-Triplet Annihilation. Coordin. Chem. Rev. 254, 2560-2573 (2010).
- Baluschev, S., et al. Up-Conversion Fluorescence: Noncoherent Excitation by Sunlight. Phys. Rev. Lett. 97, 143903 (2006).
- Ceroni, P. Energy Up-Conversion by Low-Power Excitation: New Applications of an Old Concept. Chem. Eur. J. 17, 9560-9564 (2011).
- Penconi, M., Ortica, F., Elisei, F., Gentili, P. G. New Molecular Pairs for Low Power Non-Coherent Triplet-Triplet Annihilation Based Upconversion: Dependence on the Triplet Energies of Sensitizer and Emitter. J. Lumin. 135, 265-270 (2013).
- Liu, Q., Yang, T., Feng, F., Li, F. Blue-Emissive Upconversion Nanoparticles for Low-Power-Excited Bioimaging in Vivo. J. Am. Chem. Soc. 134, 5390-5397 (2012).
- Simon, Y. C., Weder, C. Low-Power Photon Upconversion through Triplet-Triplet Annihilation in Polymers. J. Mater. Chem. 22, 20817-20830 (2012).
- Jankus, V., et al. Energy Conversion via Triplet Fusion in Super Yellow PPV Films Doped with Palladium Tetraphenyltetrabenzoporphyrin: a Comprehensive Investigation of Exciton Dynamics. Adv. Funct. Mater. 23, 384-393 (2013).
- Cheng, Y. Y., et al.
- Cheng, Y. Y., et al. Kinetic Analysis of Photochemical Upconversion by Triplet-Triplet Annihilation: Beyond Any Spin Statistical Limit. J. Phys. Chem. Lett. 1 (12), 1795-1799 (2010).
- Baluschev, B., et al. Upconversion with ultrabroad excitation band: Simultaneous use of two sensitizers. Appl. Phys. Lett. 90, 181103 (2007).
- Borjesson, K., et al. Photon upconversion facilitated molecular solar energy storage. J. Mater. Chem. A. 1, 8521-8524 (2013).
- Cheng, Y. Y., et al. Improving the light-harvesting of amorphous silicon solar cells with photochemical upconversion. Energ. Environ. Sci. 5 (5), 6953-6959 (2012).
- Dominici, L. Dye-Sensitized Solar Cells: Basic Photon Management Strategies. Solar Cells - Dye-Sensitized Devices. Kosyachenko, L. A. , InTech. 291 (2011).
- Schulze, T. F., et al. Photochemical Upconversion Enhanced Solar Cells: Effect of a Back Reflector. Aust. J. Chem. 65 (5), 480-485 (2012).
- Schulze, T. F., et al. Efficiency Enhancement of Organic and Thin-Film Silicon Solar Cells with Photochemical Upconversion. J. Phys. Chem. C. 116 (43), 22794-22801 (2012).
- Haefele, A., Blumhoff, B., Khnayzer, R. S., Castellano, F. Getting to the (Square) Root of the Problem: How to Make Noncoherent Pumped Upconversion Linear. J. Phys. Chem. Lett. 3, 299-303 (2012).
- Lewitzka, F., Löhmannsröben, H. G. Investigation of Triplet Teracene and Triplet Rubrene in Solution. Z. Phys. Chem. 150, 69-86 (1986).
- Ventura, B., Esposti, A. D., Koszarna, B., Gryko, D. T., Flamigni, L. Photophysical characterization of free-base corroles, promising chromophores for light energy conversion and singlet oxygen generation. New J. Chem. 29, 1559-1566 (2005).
- MacQueen, R. W., et al. Nanostructured upconverters for improved solar cell performance. Proceedings SPIE. 8824, 882408-882409 (2013).
- Yella, A., et al. Porpyrin-sensitized Solar Cells with Cobalt (II/III)-based redox electrolyte exceed 12 percent efficiency. Science. 334, 629-634 (2011).
