Summary
Um dispositivo integrado, incorporando uma célula e tripleto-tripleto aniquilação solares up-conversion unidade sensibilizadas por corante foi produzida, obtendo-se a colheita de luz melhorada, a partir de uma secção mais larga do espectro solar. De acordo com os níveis de irradiação modestos foi demonstrada uma resposta melhorada significativamente para fótons de baixa energia, produzindo um número recorde de mérito para células solares sensibilizadas por corante.
Abstract
A fraca resposta das células solares sensibilizadas por corante (DSCs) a luz vermelha e infravermelha é um entrave significativo para a realização de fotocorrentes mais elevados e, consequentemente, a eficiência mais elevados. Photon-se a conversão por meio de tripleto-tripleto aniquilação (TTA-UC) é uma técnica atraente para a utilização desses fotões de baixa energia desperdiçados para produzir fotocorrente, sem interferir com o desempenho photoanodic de um modo prejudicial. Para além disso, o TTA-UC tem um número de características, distinto de outros fotões up-conversion tecnologias relatados, o que o torna particularmente adequado para o acoplamento com a tecnologia de DSC. Neste trabalho, um sistema de alto desempenho comprovado TTA-UC, que compreende um sensibilizador de porfirina e paládio emissor rubreno, é combinada com uma DSC de alto desempenho (utilizando o corante orgânico D149) em um dispositivo integrado. O dispositivo apresenta uma resposta melhorada à luz sub-banda proibida em toda a gama de absorção da sub-unidade TTA-UC resultando na maior fifigura de mérito para up-conversion assistida desempenho DSC até o momento.
Introduction
Células solares sensibilizadas por corante (DSCs) tem sido proclamado como um conceito promissor na coleta de energia solar acessível 1-3. Apesar deste entusiasmo, a comercialização generalizada ainda está para ocorrer. Uma série de razões foram apresentadas para isso, com uma questão premente sendo relativamente alta energia do início absorção, limitando a eficiência alcançável coleta de luz desses dispositivos 4. Embora isto pode ser superado, reduzindo o aparecimento de absorção é normalmente acompanhado por uma queda na tensão de circuito aberto, o que corrói desproporcionalmente quaisquer ganhos em densidade de corrente 5, 6.
A operação geral de DSCs envolve a transferência de electrões a partir de um corante fotoexcitada para um semicondutor (tipicamente TiO 2), seguido pela regeneração do corante oxidado com um mediador redox. Ambos estes processos parecem exigir forças substanciais (potenciais) de modo a prosseguir com alta eficiência 7 4.
A fim de superar o problema da colheita luz levantada acima, foram tomadas uma série de abordagens. Isso inclui a 'terceira geração' 8 abordagens de estruturas em tandem 9, 10 e fóton upconversion 11-14.
Recentemente 11 informamos um dispositivo integrado composto por um eletrodo de DSC de trabalho e contra, com uma aniquilação triplete-triplete baseado up-conversion (TTA-UC) sistema incorporada empara a estrutura. Este elemento TTA-UC foi capaz de colher luz vermelha transmitida através da camada activa e convertê-lo quimicamente (tal como descrito em detalhe abaixo) aos fotões de energia mais elevada, que poderia ser absorvida pela camada activa do DSC e gerar fotocorrente. Há dois pontos importantes a serem observados sobre este sistema. Em primeiro lugar, TTA-UC tem muitas vantagens potenciais em relação a outros sistemas de fótons de conversão ascendente 11; em segundo lugar, demonstra uma arquitetura viável (prova de princípio) para a incorporação de TTA-UC, o qual tinha sido falta do TTA-UC literatura até este ponto.
O processo de TTA-UC 15-24 envolve a excitação de moléculas de "sensibilizador", neste caso, porfirinas de Pd, por uma luz com uma energia inferior à energia aparecimento dispositivo. Os sensibilizadores singlet-animado sofrer rápida passagem inter para o estado triplete de mais baixa energia. De lá, eles podem transferir energia para um trio aceitar 'emissor & # estado fundamental8217; espécies, tais como rubreno, enquanto a transferência está permitida pela energia livre 25. O primeiro estado tripleto de rubreno (T 1) é maior do que metade da energia do seu primeiro estado de singuleto animado (S 1), mas menos do que a metade da energia de T 2, o que significa que um complexo de encontro de dois tripletos rubrenes-animado pode aniquilar a dar uma molécula singuleto animado emissor (e a outra no estado de terra), com uma elevada probabilidade. Outros estados, previstos estatisticamente, é mais provável energicamente inacessível para rubreno 26. A molécula singuleto rubreno animado pode então emitir um fotão (como por fluorescência) com energia suficiente para excitar o corante sobre o eléctrodo de trabalho da DSC. Este processo é mostrado na animação 1.
TTA-UC oferece uma série de vantagens em comparação com outros sistemas, tais como UC, uma gama ampla de absorção e natureza incoerente 27, 28, tornando-se uma opção atraente para coupling com DSC (bem como a OPV). TTA-UC foi demonstrada operando a relativamente baixas intensidades de luz e em condições de iluminação difusa. Ambos DSC e OPV são mais eficientes no regime de baixa intensidade de luz. Concentração solar é caro e só se justifica pela alta eficiência, os dispositivos de alto custo. O desempenho relativamente alto de sistemas TTA-UC em baixas condições de iluminação intensidade é atribuível ao processo que envolve cromóforos sensibilizador com, bandas de absorção largas fortes em conjunto com estados triplete de longa duração, que são capazes de difundir, de modo a entrar em contacto com espécies que interagem . Além disso, o TTA-UC foi encontrada para ter alta eficiência intrínseca de um estudo cinético 26.
Embora TTA-UC opera em baixa intensidade de luz, ainda existe uma relação quadrática entre a intensidade da luz incidente e a luz emitida (pelo menos em baixas intensidades de luz). Isto é devido à natureza do processo bimolecular. Para dar contapara isso e as condições experimentais variados (particularmente intensidade de luz) relatados por diferentes grupos, uma figura de mérito do sistema (FOM) deve ser empregado para medir a melhoria de desempenho oferecido por upconversion. Este FOM tem sido definida como ΔJ SC / ʘ, onde ΔJ SC é o aumento da corrente de curto-circuito (geralmente determinada pela integração do Incidente Photon para carregar Eficiência Carrier, IPCE, com e sem o efeito de upconversion) e ʘ é a energia solar eficaz concentração (com base no fluxo de fotões na região em questão, isto é a absorção da banda Q de sensibilizador) 2 29.
Nisto, um protocolo para produzir e caracterizar corretamente um dispositivo DSC-TTA-UC integrada é relatado, com especial atenção para possíveis armadilhas em teste do dispositivo. Espera-se que isso vai servir como uma base para futuros trabalhos nesta área.
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Protocol
1. DSC Fabrication
1.1. Trabalho Eletrodo Preparação
- Limpo toda uma folha de F: SnO2 de vidro revestido (110 mm x 110 milímetros x 2,3 mm, <8 Ω / □) por ultra-sons sequencial em água com sabão, depois com acetona e finalmente etanol (10 min cada).
- Deposite uma densa camada de TiO 2, seguindo os passos abaixo:
- Vidro seco com vidro ar e calor comprimido a 450 ° C em fogão (condutora lateral para cima).
- Diluir titânio diisopropoxide bis (acetilacetonato) (75% em peso em isopropanol) com etanol numa proporção de 1: 9.
- Pulverizar a solução diluída em vidro aquecido a uma distância de ~ 100 mm, com cinco pulverizadores de toda a chapa de vidro.
- Pulverize uma rodada por 10 seg por 12 rodadas.
- Manter vidro a 450 ° C durante mais 5 minutos, antes de desligar a placa de aquecimento. Deixe o vidro em chapa quente e deixe-o esfriar lentamente para RT.
- Coloque o copo sobremesa de impressora da tela (mais uma vez condutora lateral para cima). Insira a tela e alinhar padrão de vidro. Adicionar TiO 2 pasta para a tela e imprimir uma ou duas camadas. Se depositar duas camadas, remover placa de vidro de impressora entre gravuras, cubra e deixe de se contentar com a 5 min, então o calor a 125 ° C por 10 minutos antes de voltar para a impressora para imprimir uma camada posterior.
- Uma vez que a impressão final é feito correr um programa de sinterização completa. Aquecer os eléctrodos a 150 ° C a 12,5 ° / min, manter 10 min, em seguida, a 325 ° C a 11,7 ° / min, manter 5 min, em seguida, a 375 ° C a 10 ° / min, manter 5 min, em seguida, para 450 ° C a 10,7 ° / min, manter 30 min e, finalmente, a 500 ° C a 10 ° / min, manter 15 min. Se arrefecer lentamente até à temperatura ambiente, após este.
- Corte a placa mestre em eletrodos individuais, garantindo que há espaço suficiente em torno do filme impresso para a junta a ser aplicado depois. Remova todos os cacos de vidro que utilizam ar comprimido.
- Mergulhe os eletrodos em uma mM TiCl 20 4
- Depois de arrefecida abaixo de 100 ° C, mergulhar os eléctrodos numa solução de corante de 0,5 mM. Neste caso de uso, D149 em acetonitrila: tertbutanol (1: 1).
- Após o tingimento O / N remover os eletrodos e lave vigorosamente em acetonitrila para ~ 30 segundos, em seguida, deixe descansar por mais 30 segundos. Retirar os eléctrodos do banho de lavagem e seca com ar comprimido.
1.2. Contador Eletrodo Preparação
- Corte outra folha de 2,3 milímetros F: SnO 2 vidro em 18,3 milímetros × 27,5 milímetros pedaços.
- Mergulhe contra eletrodo na água e faça um pequeno furo no canto (φ = 1 mm, 2,5 milímetros de cada canto) para usar como uma porta de enchimento, usando uma ponta de diamante rebarba dental montado em uma pequena broca banco.
- Contra eletrodo limpo conforme a secção 1.10,1
- Contra eletrodo seco e coloque em uma telha com condutor para cima. Aplicar uma gota de solução de ácido platinic (H 2 PtCl 6, 10 mM em etanol), e espalhado com o fim de uma pipeta. Local telha para pré-aquecido (400 ° C), placa de aquecimento durante 15 min. Depois disso, retire de vidro e azulejo e deixe esfriar em um banco.
1.3. Refletor
- Corte um pedaço de nonconductive 2 milímetros de vidro para 18,3 mm x 27,5 milímetros e dois furos em cantos adjacentes ao longo da borda longa, usando a mesma técnica para o contra eletrodo (seção 1.2.2).
- De vidro limpo, uma vez utilizando o mesmo protocolo, como acima (1.1.1)
- Tape o vidro limpo e seco, para o banco de três lados, usando fita de baixo resíduo. Aplicar uma gota de Al 2 O 3 de pasta (2,0 g de 0,3 pm de Al 2 O 3, 2 ml de partículas coloidais de Al 2 O 3 + 1 ml de etanol) e extrair-se com uma vareta de vidro.
- Permitir filme para secar, retire a fita e sinter de vidro a 500 ° C durante 30 min.
1.4. Montagem do dispositivo
- Corte dois lotes de juntas de adesivo hot melt.
NOTA: A primeira, para o DSC, é de 25 mm de espessura e tem dimensões internas de 17 mm x 8 mm e dimensões externas de 21 mm x 12 mm. O segundo, para a câmara de upconversion, usa material da junta de 60 um dobrou para dar 120 m de espessura. Quando dobrado, esta junta tem dimensões internas de 17 mm x 21 mm e dimensões externas de 21 mm x 25 mm. - Colocar a primeira junta no canto do eléctrodo contador, assegurando a abertura de enchimento é acessível. Inserir o eléctrodo de trabalho ao longo deste, de tal modo que a área impressa é inteiramente dentro da junta, e obter uma boa vedação.
- Mova esta montagem para uma placa de aquecimento (120 ° C) e aplicar pressão até que amoleça junta e derrete, que podem ser observados visualmente como as molha junta as superfícies de vidro. Remova o conjunto e deixe esfriar.
- Lugarsegundo a junta no refletor, mais uma vez, garantindo orifícios de enchimento não são cobertos. Coloque DSC no início de tal forma que a área impressa é directamente em frente do reflector alumina impresso. Mais uma vez aquecer dispositivo ao aplicar pressão, até que junta amacia e adere, como no ponto 1.4.3. Este conjunto é mostrado na Figura 1.
1.5. Enchimento de cavidades
- Prepara-se uma solução de electrólito de 0,1 M LiI, 0,6 M de iodeto de 1,2-dimetil-3-propylimidazolium e 0,05 M de iodo em methoxypropionitrile.
- Colocar o dispositivo em um pequeno recipiente plástico com tubo de vácuo ligada, com o contra-eléctrodo virado para cima.
- Coloque uma gota de solução de electrólito sobre o furo e uma peça de vidro na parte superior. Aplicar vácuo durante alguns segundos para extrair o ar da cavidade de DSC, antes de soltar, que vai chamar electrólito dentro da cavidade.
- Preparar os selos através da laminação de materiais de vedação de fusão a quente para uma folha de alumínio. Deixe estes numa placa de aquecimento, gasket lado material acima. Limpar a parte de trás do contra-eléctrodo completamente, em seguida, vedar pressionando dispositivo contra o material de empanque para a 5 segundos.
- Preparar a solução de TTA-UC dissolvendo 0,6 mM de corante 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) paládio (II)) e 22 mM de rubreno em benzeno. Desarejar esta solução, cuidadosamente, com três ciclos de congelamento e descongelamento bomba de nitrogênio líquido.
- Dentro de uma caixa de luvas, introduzir a solução TTA-UC para a cavidade para trás, permitindo que as forças capilares para desenhá-lo completamente. Uma vez cheia, mais uma vez, limpar completamente a superfície e selar usando outro pedaço de alumínio apoiado material de vedação.
2 Medição
2.1. Contatos elétricos
- Aplicar solda exposta F: SnO 2 de trabalhar e contra eletrodos utilizando ferro de solda e solda sonora adequada. Prenda os fios de ânodo e cátodo, utilizando solda normal.
- Aplicar UV epoxi curável para abrir as bordas.
Nota: Isto é feito para servir como um encapsulamento secundário do dispositivo contra a entrada de oxigénio e a evaporação do solvente, bem como aumentar a robustez do dispositivo, em particular o fio de ligação. - Prenda o ânodo e cátodo fio de um cabo BNC aberto através de um bloco terminal.
2.2. Setup IPCE Medição
- Utilizando a configuração representada esquematicamente na Figura 2, a montagem do dispositivo integrado em um suporte de célula.
- Iluminar uma secção do dispositivo integrado (~ de 2 mm × 1 mm), com um feixe de 670 nm do laser de onda contínua (a "feixe de bomba") por meio de um espelho sobre uma montagem ajustável.
- Iluminar o integrado TTA-UC DSC com luz quase monocromática (o "feixe de prova ') incoerente gerado usando uma lâmpada de Xe, passou primeiro por um filtro de longpass 405 nm, em seguida, um Chopper roda operando a 29 Hz, um monocromador, uma lâmina de vidro angular (usada aqui como um divisor de feixe de ~ 4%) e um espelho parabólico. Gerar uma população fundo tripleto na camada TTA-UC excitando a camada UC com o feixe de bombeamento, que é incidente em um ângulo tal que não ilumina a camada activa apalpada DSC mas apenas a camada de UC.
- Alinhe a bomba eo feixe de prova sobre a camada de TTA-UC utilizando o suporte de espelho ajustável. Medir a corrente de curto-circuito gerado pela sonda, uma vez que é digitalizado através do espectro visível, em incrementos de 5 nm, utilizando um dispositivo de aquisição de sinal dinâmico, amplificador de corrente e software de controlo interno.
- Gravar simultaneamente a variação de potência do feixe reflectida a partir da sonda a lâmina de vidro com um medidor de potência e um fotodíodo com a saída analógica para alimentar o dispositivo de aquisição de sinal. Corrigir o J SC a partir do dispositivo, pela variação da sonda no software.
- Deslocar o feixe ligeiramente bomba usando o espelho ajustável de montagem, de tal modo que ela atinge a camada activa do dispositivo adjacente à sonda de feixe. Repetir a medição com a sonda de feixe de bomba e desalinhadas.
- Grave seis conjuntos de medidas com o alinhamento e desalinhamento nas mesmas posições para uma melhor relação sinal-ruído.
- Reduza a intensidade do feixe de bomba, colocando no feixe de bombeamento diferentes filtros de densidade neutra com as transmissões conhecidas em 670 nm, e repita os passos 2.2.4 a 2.2.7 para uma gama de intensidades.
- Meça o dispositivo integrado J SC sem a fonte de feixe de bomba ativa.
- Medir a potência incidente sonda na DSC, em termos de corrente gerada pelo fotodiodo ao colocar o fotodíodo na posição amostra.
- Medir a transmissão do dispositivo estudado com a câmara de UC removido usando um Espectrofotómetro visível UV para se obter o espectro de transmissão, T DSC.
NOTA: Isto pode ser feito alternadamente entre passos 1.4 e 1.5.
- Medir a potência do feixe de bomba na posição de DSC para cada condição de filtragem utilizado, utilizando o medidor de energia e fotodiodo (como descrito na secção 2.2.10).
- Tire uma foto do feixe de bomba projetando em um pedaço de papel quadriculado em uma posição equivalente a onde a camada de TTA foi durante o experimento. Atenuar fortemente o feixe se necessário, para impedir a saturação do detector de câmara. Use este software de imagem e análise de imagem para determinar o tamanho do local da bomba.
Processamento de dados 3
3.1. Interpolar todos os dados para incrementos de 1 nm.
3.2. IPCE Determinação
- Calcula-se o fluxo de fótons (φ) atingir o dispositivo integrado de poder sonda medido como corrente gerada pelo fotodíodo (I) e de carga eléctrica (q):
- Calcule o fóton incidente célula convertido eficiência de elétrons (IPCE 0) do device a partir da medição SC J sem iluminação da bomba e o fluxo de sonda.
- Tome as relações entre as medidas com bomba e sonda alinhados e desalinhados para obter as melhorias relativas à activação do up-conversor.
- Concentração Solar determinação do fator de
- Converter o coeficiente de extinção do sensibilizador em secção transversal de absorção, σ.
- Obter a taxa de excitação de sensibilizador segundo a norma AM1.5G espectro solar, (φ k), tendo os produtos de densidade de fluxo de fótons do espectro solar, a transmitância da DSC e o sensibilizador (σ) em cada comprimento de onda e em seguida a soma produtos através da absorção da banda Q sensibilizador, tipicamente 600 nm a 750 nm.
- Calcular, a partir do poder local e tamanho da fonte bomba, as densidades de fluxo de fótons da bomba com diferentes filtros de densidade neutra. Então, os produtos das densidades de fluxo, a transmitância da DSC e o sensibilizador em670 nm, para se obter as taxas de excitação da bomba.
- Calcula-se o factor de concentração de energia solar (ʘ) a partir da razão da taxa de excitação da bomba para a taxa de excitação sob condições AM1.5G.
3.3. Modelo de montagem e Figuras de Mérito Determinação
- Ajustar um modelo do aumento relativo = 1 + × constante (T DSC / IPCE 0) x [(σ bombear × sonda σ) / (bomba σ + sonda σ)], para os resultados de melhoria experimentais, onde sonda bomba σ e σ são secções transversais em relação aos comprimentos de onda da bomba e da sonda; bomba σ é fixo para cada intensidade bomba e sonda σ varia de acordo com o comprimento de onda.
- Estime o aumento na J SC obtido a partir do efeito upconversion (ΔJ SC) a partir das diferenças entre IPCE UC e IPCE 0 eo densit fluxo solary.
- Calcule o FOM normalizando ΔJ SC pelo quadrado do fator de concentração solar, desde TTA-UC tem uma dependência quadrática na entrada de energia em baixa intensidade de excitação.
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Representative Results
Figuras 3A - D respostas de melhoramento de medidas sob diferentes condições de medição, com os efeitos discutido em mais detalhe abaixo. A partir das melhorias de densidade de corrente-primas, deve ser evidente que os resultados na Figura 4A e 4B são atribuíveis a conversão ascendente, com o aumento da corrente de pico e aumento IPCE combinando bem com o espectro de absorção do sensibilizador, atenuada pela transmissão através da camada activa do DSC.
Para evitar artefactos de medição introduzidos por laser de polarização do feixe de bombeamento foram ajustadas para chegar à camada de UC em um ângulo maior com a sonda de feixe, mostrado esquematicamente na Figura 2. Figura 4A mostra melhoramento sem efeito significativo de polarização, enquanto que ambas as Figuras 4C e 4D são afetados por esse problema. A conseqüência alignme corretant em medições é mostrado na Figura 4A quando a diferença em J SC reflecte a propriedade de absorção do sensibilizador que possui um pico de absorção a 675 nm. Para além da região de absorção do sensibilizador e a região transparente do dispositivo, a diferença em J SC é incorporado no ruído.
Um aumento significativo em relação IPCE do dispositivo integrado na extremidade vermelha do espectro visível pode ser observado na Figura 4C. No entanto, a inserção da Figura 4C, que mostra a diferença entre as medidas alinhadas e desalinhadas SC J, não reflete a propriedade espectral do sensibilizador. O alinhamento da bomba e sonda parecem aumentar o desempenho da célula ao longo de todo o espectro visível e sugere que o reforço vem de armadilha de enchimento que melhora o desempenho global do dispositivo, devido ao laser de polarização 30.
De modo a verify a suspeita, o dispositivo integrado foi substituído por um dispositivo análogo, excepto que a câmara de UC foi deixado vazio (Figura 4D). Sob condições experimentais idênticas, aumento foi encontrado em todo o espectro visível. Ela confirma o efeito de aumento anterior vem em vez de TTA-UC-polarização laser. No caso de o dispositivo sem solução TTA-UC, uma vez que a maioria do laser é dispersa de volta para o dispositivo, o efeito de polarização é ainda mais significativa.
Figura 5 expande-se sobre os resultados apresentados nas Figuras 4A e 4B. Neste caso, a intensidade da luz do feixe de bomba foi ajustada 6-27 ʘ. ΔJ SC é visto à escala com o quadrado da intensidade da luz, como por expectativa (lei de potência encaixar 2,02). Como tal, a fom é visto como sendo a intensidade da luz independente, o que sugere que o sistema de TTA-UC é limitada por processos de biomoléculas.
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Animação 1.: Operação esquemática do triplete-triplete aniquilação de fótons up-conversion com PQ4PdNA sensibilizador e rubreno emissor, resultando em iluminação de corante D149 e injeção subseqüente de elétrons em TiO 2 Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 1 A configuração do dispositivo, antes da introdução de componentes líquidos. Camadas são colocadas em conjunto e vedado por aplicação de calor para suavizar as camadas de vedação."> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 para a medição de configuração reforço. O dispositivo integrado é irradiada por luz monocromática modulada incoerente a partir de uma fonte de luz branca (lâmpada dirigida por laser) passada através de um monocromador, e achromatically focalizada sobre a amostra por um espelho parabólico fora de eixo. A sonda de luz é dividida com um filtro de vidro (cortadora de feixe) e a luz reflectida da sonda é detectada por um fotodíodo ligado a um medidor de potência. A camada TTA-UC do dispositivo integrado é continuamente animado por um laser de 670 nm onda contínua (bomba) para gerar trigêmeos fundo para permitir o efeito de aumento do TTA-UC a ser sondado com o feixe monocromático fraco. A corrente a partir do dispositivo de saída é alimentada através de um amplificador de corrente e measuvermelho por lock-in de amplificação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 Dados representativos mostrando (A) o reforço IPCE relativa (col (alinhados) / col (desalinhado) e diferença de resposta (col (Alinhado) col (desalinhada), calculados a partir de seis alinhados e seis medições desalinhados. A diferença de resposta confirma a forma espectral de reforço é IPCE de luz sub-banda proibida colhidas por o sensibilizador do conversor-se, como a forma espectral corresponde a melhoria da absorção da banda Q do sensibilizador e (B) o modelo de aumento relativo equipada (anteriormente descrito 31) para uma curva de valorização IPCE experimental por least quadrados ajustados. O modelo inclui transmitância célula, o IPCE célula original (sem bomba) e a secção transversal de absorção correspondente sensibilizador para sondar e fonte de bomba. A curva de valorização modelado é então utilizado para o cálculo da corrente de curto-circuito adicionais geradas pela TTA-UC e, portanto, da FOM. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 valorização IPCE (com menos de 27 ʘ) traça para (A) um dispositivo integrado com medição de desalinhamento correto (no detalhe mostrando o ganho em resposta cru), (B) modelou IPCE relativa traço realce para os dados em (A) com inserir mostrando a curvas de resposta atuais matérias do dispositivo with bomba e sonda feixe alinhado e desalinhada (C) do mesmo dispositivo como em (A) com a excepção que a sonda de bomba e sendo alinhados no mesmo local, no eléctrodo activo, resultando num artefacto de medida, descrito no texto (D) um dispositivo idêntico com uma câmara de UC vazio, medido de acordo com (C), destacando ainda mais este problema de medição, com inserir mostrando o ganho em resposta cru. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5 FOM dependência do dispositivo integrado no fator de concentração solar. Inset mostra a dependência do ganho de corrente calculada (ΔJ SC) a partir de TTA-UC com ambos os eixos sobreuma escala logarítmica.
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Discussion
Este protocolo fornece um meio para alcançar fóton up-conversion reforçada DSC e detalhes sobre como medir corretamente um tal dispositivo. O FOM permite o cálculo simples de melhorias ΔJ SC antecipadas de se esperar em diferentes intensidades de luz, incluindo a 1 sol. Os valores aqui apresentados são invariáveis com intensidade de luz (inserção da Figura 4), de acordo com a expectativa quando o sistema estiver abaixo do seu limite de saturação 33. Com a FOM, podemos padronizar o efeito de aumento de outros processos de UC não linear TTA-UC ou para permitir a comparação fácil.
Apesar de os valores FoM obtidos neste estudo são o maior entre os FOMS reportados para DSCs, eles ainda estão longe de interesse comercial (~ 1 mA ∙ cm -2 ʘ -2). Em adição a isto, melhoramentos desta escala pode ser problemática para medir. Neste relatório (especificamente nas Figuras 3C e 3D) the perigos da técnica de medição incorreta são mostrados, onde o feixe de bomba provoca uma (um pouco) problema inesperado. Esse problema pode ser exclusivo para DSCs, no entanto, se houver qualquer incerteza é crucial que experimentos de controle (como mostrado na Figura 3D) são realizados e as condições alteradas em conformidade.
Existem alguns fatores limitantes que restringem o desempenho de TTA-UC. Em primeiro lugar, é a taxa de decomposição do emissor tripleto, rubreno (8,000 seg ~ -1 34), que é muito mais rápida do que a taxa de excitação de sensibilizador sob uma iluminação ʘ (6,8 seg-1), enquanto a taxa de TTA de rubreno tripletos é apenas ~ 1 x 10 8 M -1 seg -1, três ordens de magnitude abaixo do limite de difusão de rubreno em solventes orgânicos comuns 35. A consequência disto é que a maioria dos tripleto rubreno decai para o estado fundamental, antes de executar o TTA.
A fim dereduzir a quantidade de tripletos rubreno submetidos a deterioração unimolecular antes TTA pode-se tentar aumentar a concentração de tripleto, por aumento da concentração de sensibilizador. Infelizmente, as porfirinas em solução tendem a agregar a elevadas concentrações, e sensibilizador-sensibilizador TTA pode ter lugar. Uma solução potencial superar esses problemas é unir sensibilizadores em superfícies de nanopartículas inorgânicas 36. Como tal, as concentrações elevadas de (relativamente) sensibilizador imobilizada pode ser acomodada com a diminuição da auto-extinção, e podem aumentar a concentração de locais disponíveis para tripleto eficiente TTA.
O sensibilizador usado neste estudo não é ideal para a DSC acoplado, como a absorção da banda Q da porfirina sobrepõe-se com o início da absorção de DSC (600-700 nm). Assim, existem perdas de luz transmitida disponíveis para ATT-UC, cuja eficiência depende da concentração de fluxo e, portanto, tripleto fotões. Esperamos que para medir a mais signirença reforço com um sensibilizador que absorve mais profundamente no infravermelho próximo com eficiência semelhante cruzamento intersistema para o utilizado no presente estudo. O FOM oferece uma métrica conveniente de comparação, se e quando tal sistema é caracterizado.
O corante utilizado aqui, D149, está entre os corantes orgânicos com melhor desempenho disponíveis para DSC, porém outros, como o N719 ou "tinta preta" tem ainda mais a absorção vermelho-mudou latências 3. A fim de que o TTA-UC para melhorar estes dispositivos apropriados, porfirinas com absorções da banda Q de comprimento de onda superior a 900 nm precisa criado. Por outro lado, a maior eficiência de DSC relatada até à data tem um início de absorção de 730 nm, ~ 37, apenas ligeiramente para além do início para o corante utilizado aqui.
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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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