Summary
Интегрированное устройство, включающее в сенсибилизированных красителем солнечные ячейки и триплет-триплет аннигиляции повышающего преобразования блока было произведено, предоставляя улучшенную светосбор, из более широкого части солнечного спектра. Под умеренным уровнем облучения значительно усовершенствована ответ на низких фотонов энергии было продемонстрировано, уступая рекордное добротности для сенсибилизированных красителем солнечных батарей.
Abstract
Плохой ответ сенсибилизированных красителем солнечных батарей (DSC) в красной и инфракрасного света является значительным препятствием на пути реализации высших фототоков и, следовательно, более высокой эффективностью. Фотон до преобразования путем триплет-триплетной аннигиляции (ТТА-UC) является привлекательным методом для использования этих противном случае впустую низкие энергетические фотоны для получения фототока, а не препятствующим протеканию photoanodic производительности в вредным образом. В дополнение к этому, TTA-UC имеет ряд особенностей, отличную от других зарегистрированных фотонов до преобразования технологий, что делает его особенно подходящим для соединения с технологией DSC. В этой работе, проверенной высокоэффективной системы TTA-UC, содержащей палладий порфирина сенсибилизатора и рубрен излучатель, в сочетании с высокой производительностью ДСК (используя D149 органический краситель) в комплексной устройства. Устройство показывает повышенную реакцию на суб-запрещенной света в диапазоне поглощения TTA-UC подразделения результате в высшей Fiфигура заслуг Для преобразования помощь производительность DSC на сегодняшний день.
Introduction
Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSC) были провозглашены в качестве перспективного концепции в доступной солнечной коллекции энергетической 1-3. Несмотря на это энтузиазм, широкой коммерциализации пока не произошло. Ряд причин были выдвинуты для этого, с одной насущной проблемой является относительно высокая энергия начала поглощения, ограничивая достижимую эффективность свет уборки этих устройств 4. Хотя это может быть преодолено, понижая начало поглощения, как правило, сопровождается падением напряжения холостого хода, который непропорционально подрывает любые успехи в плотности тока 5, 6.
Общее действие преобразователи цифровых сигналов включает в себя перенос электронов от фотовозбужденного красителя к полупроводника (обычно TiO 2), за которым следует восстановление окисленного красителя с помощью окислительно-восстановительного медиатора. Оба эти процесса, по всей видимости потребует существенных движущих сил (потенциальных), чтобы продолжить с высокой эффективностью 7 4.
Для того чтобы преодолеть световой вопрос уборки поднятый выше, были приняты ряд подходов. Это включает в себя 'третьего поколения' 8 подходов тандемных структур 9, 10 и фотонов масштабированию 11-14.
Недавно мы сообщали, 11 интегрированного устройства, состоящего из рабочего ДСК и противоположным электродом, с триплет-триплетной аннигиляции на основе до-преобразования (ТТА-UC) включены в системуструктуре. Этот элемент ТТА-UC смог собрать красный свет, прошедший через активный слой и химически преобразовать его (как подробно описано ниже) на более высокие энергии фотонов, которые могут быть покрыты активным слоем в ЦФК и генерируют фототок. Есть два важных моментов об этой системе. Во-первых, TTA-UC имеет много потенциальных преимуществ по сравнению с другими системами фотон Upconversion 11; во-вторых, демонстрирует свой посильный архитектуры (доказательством правильности принципа) для включения TTA-UC, который был не хватает от TTA-UC литературы до этого момента.
Процесс TTA-UC 15-24 включает в себя возбуждение сенсибилизатора "" молекул, в данном случае Pd порфиринов, светом с энергией ниже устройства началом энергии. Синглетное-возбужденных сенсибилизаторами подвергаются быстрому интеркомбинационной к триплетному наименьшей энергией. Оттуда они могут передавать энергию в основном состоянии триплет-приема 'излучателя & #8217; виды, такие как рубрена тех пор, пока передача разрешена путем свободной энергии 25. Первый триплет состояние рубрена (T 1) больше половины энергии его первом состоянии рады синглетного (S 1), но менее половины энергии T 2, это означает, что встреча комплекс из двух триплетных возбужденных rubrenes может уничтожить до дать один синглетный возбужденную молекулу эмиттер (а другой в основном состоянии) с довольно высокой вероятностью. Другие государства, статистически прогнозируемые, скорее всего энергетически недоступными для рубрена 26. Молекула синглет рады рубрен может испустить фотон (как за флуоресценции) с энергией, достаточной для возбуждения красителя на рабочем электроде ЦФК. Этот процесс показан на анимации 1.
TTA-UC предлагает ряд преимуществ по сравнению с другими системами UC, таких как в широком диапазоне поглощения и некогерентного характера 27, 28, что делает его привлекательным вариантом для куPling с ДСК (а также ОПВ). TTA-UC была продемонстрирована работает при относительно низких интенсивностей света и в диффузных условиях освещения. Оба DSC и ОПВ являются наиболее эффективными в режиме низкой интенсивности света. Солнечная концентрация дорого и только оправданным для высокой эффективности, высокой устройств затрат. Относительно высокая производительность систем TTA-UC в условиях низкой освещенности интенсивность объясняется процесса с участием сенсибилизатора хромофоры с сильными, широких полос поглощения в концерте с долгоживущих триплетных состояний, которые способны диффундировать в целях вступают в контакт с взаимодействующих видов . Кроме того, ТТА-UC было установлено, обладают высокой характеристической эффективности от кинетической исследовании 26.
Несмотря на то, ТТА-UC работает при низкой интенсивности света, по-прежнему существует квадратичная зависимость между интенсивностью падающего света и света, излучаемого (по крайней мере при низких интенсивностей света). Это связано с бимолекулярного характера процесса. Для учетадля этого и разнообразных экспериментальных условиях (в частности, интенсивность света) данных различных групп, добротность системы (ФОМ) должны быть использованы для метр на улучшение производительности, предлагаемые преобразования частоты. Это FoM была определена как Æ-SC / ʘ, где Æ-SC является увеличение тока короткого замыкания (обычно определяется по интеграции падающего фотона, необходимую для зарядки Carrier эффективности, IPCE, с и без повышающего преобразования эффекта) и ʘ является эффективным солнечной концентрация (на основе фотонного потока в соответствующем регионе, то есть поглощение Q-полоса сенсибилизатора) 2 29.
При этом протокол по производству и правильно характеризующие комплексный устройство DSC-TTA-UC Сообщается, обращая особое внимание на потенциальные проблемы в тестировании устройств. Хочется надеяться, что это будет служить в качестве основы для дальнейшей работы в этой области.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1 DSC Изготовление
1.1. Рабочий электрод Подготовка
- Чистый одно целое лист F: SnO 2 стекла с покрытием (110 мм × 110 мм × 2,3 мм, <8 Ω / □) с помощью ультразвука последовательно в мыльной воде, затем ацетоном и, наконец, этанол (10 мин каждый).
- Депозит плотный слой TiO 2 приведена ниже:
- Сухой стекло с помощью сжатого воздуха и тепла стакан до 450 ° С на конфорки (проводящей стороной вверх).
- Развести титана diisopropoxide бис (ацетилацетонат) (75 мас% в изопропаноле) с этанолом в соотношении 1: 9.
- Спрей разбавленного раствора на нагретую стекла с расстояния ~ 100 мм, с пятью спреи всей стеклянного листа.
- Спрей один раунд за 10 сек в течение 12 раундов.
- Хранить стакан на 450 ° С в течение еще 5 мин, перед выключением конфорки. Оставьте стакан на электрической плитке и позволить ему медленно остыть до комнатной температуры.
- Поместите стакан наВ таблице принтер экрана (еще раз проводящий стороной вверх). Вставьте экран и выровняйте рисунок на стекло. Добавить TiO 2 пасты на экране и напечатать один или два слоя. Если хранение двух слоев, удаления стеклянную пластину от принтера между отпечатков, накрыть крышкой и дают отстояться в течение ~ 5 мин, затем огонь до 125 ° С в течение 10 мин, прежде чем вернуться к принтеру для печати последующий слой.
- После заключительной печати производится запуск полной программе агломерата. Тепло электродов до 150 ° С при 12,5 ° / мин, выдерживали в течение 10 мин, затем до 325 ° С при 11,7 ° / мин, выдержка 5 мин, затем до 375 ° С со скоростью 10 ° / мин, выдержка 5 мин, затем 450 ° С при 10,7 ° / мин, удерживая 30 мин и, наконец, до 500 ° С со скоростью 10 ° / мин, удерживая 15 мин. Медленно охлаждаться до комнатной температуры, после этого.
- Разрежьте мастер пластины в отдельных электродов, обеспечивающих имеется достаточно места вокруг печатной пленки для прокладки, которые должны применяться после. Удалите все осколки стекла, используя сжатый воздух.
- Погрузите электроды в 20 мМ TiCl 4
- После охлаждения до температуры ниже 100 ° С, погружают электроды в растворе 0,5 мМ красителя. В этом случае использование, D149 в смеси ацетонитрил: трет-бутанол (1: 1).
- После окрашивания O / N снять электроды и промыть энергично в ацетонитриле для ~ 30 сек, то позвольте сидеть в течение еще 30 сек. Вывод электроды от промывки ванны и насухо сжатым воздухом.
1.2. Счетчик электрода Подготовка
- Вырезать другой лист 2,3 мм F: SnO 2 стакана в 18,3 мм × 27,5 мм штук.
- Погрузитесь противоположный электрод в воде и просверлить маленькое отверстие в углу (φ = 1 мм, 2,5 мм от каждого угла) для использования в качестве заправочного устройства, используя алмазную наконечником зубной заусенцев, установленный в небольшом скамейке сверла.
- Чистый Противоэлектрод как указано в разделе 1.10,1
- Сухой Противоэлектрод и место на плитку с проводящей стороной вверх. Применение одну каплю раствора платинохлористоводородной кислоты (H 2 PtCl 6, 10 мМ) в этаноле и распространение с конца пипетки. Место плитки на предварительно нагретую (400 ° C) плитке в течение 15 мин. После этого, снимите стекло и плитку и дать остыть на скамейке.
1.3. Отражатель
- Отрежьте кусок непроводящую 2 мм стекла до 18,3 мм × 27,5 мм и два отверстия в смежных углах вдоль длинной стороны, используя ту же технику, что и для противоположного электрода (раздел 1.2.2).
- Чистый стекла, один раз, используя тот же протокол, что и выше (1.1.1)
- Лента чистую, сухую стекло к скамейке с трех сторон, используя низкую ленту остатков. Нанесите каплю Al 2 O 3 пасты (2,0 г 0,3 мкм Al 2 O 3 частиц, 2 мл коллоидных Al 2 O 3 + 1 мл этанола) и перенести стеклянной палочкой.
- Разрешить фильм высохнуть, удалить ленту и сиГюнтер стекла при 500 ° С в течение 30 мин.
1.4. Ассамблея устройства
- Вырезать две партии термоклея прокладок.
Примечание: Первый, для ДСК, толстая 25 мкм и имеет внутренние размеры 17 мм × 8 мм и внешние размеры 21 мм × 12 мм. Сек, для преобразования с повышением камеры, использует 60 мкм материала прокладки в два раза, чтобы дать 120 мкм толщины. В сложенном состоянии это прокладка имеет внутренние размеры 17 мм × 21 мм и внешние размеры 21 мм × 25 мм. - Поместите первый прокладку в углу противоположного электрода, обеспечение наполнения порт доступен. Поместите рабочий электрод над этим, таким образом, что площадь печати полностью внутри прокладки, и получить хорошее уплотнение.
- Переместить эту сборку в плитке (120 ° C) и не оказывать давление до тех пор, прокладка смягчает и расплавов, которые можно наблюдать визуально, как прокладка смачивает поверхности стекла. Удалить сборку и дайте ему остыть.
- Местовторую прокладку на отражатель, еще раз, обеспечивающие наполнение порты не распространяется. Поместите DSC сверху такой, что печатная площадь прямо перед печатной отражателя алюминия. Еще раз нагреть устройство, прилагая давление, пока прокладка не смягчает и придерживается, как и в разделе 1.4.3. Эта сборка показана на рисунке 1.
1.5. Заполнения полостей
- Готовят раствор электролита 0,1 М LiI, 0,6 М 1,2-диметил-3-propylimidazolium йодида и 0,05 М йода в метоксипропионитрил.
- Поместите устройство в небольшой пластиковый контейнер с вакуумной трубкой, прикрепленной, с противоположным электродом вверх.
- Поместите каплю раствора электролита над отверстием и кусочек стекла на вершине. Применение вакуума в течение нескольких секунд, чтобы извлечь воздух из полости DSC, перед выпуском, которая будет опираться электролита в полости.
- Подготовьте уплотнения путем ламинирования горячего расплава материала прокладки на алюминиевую фольгу. Оставьте это на электрической плитке, ГАСКET материальная сторона до. Очистите заднюю часть противоположного электрода тщательно и плотно закройте, нажав устройство от материала прокладки для ~ 5 сек.
- Приготовьте раствор TTA-UC растворением 0.6 мм Pd красителя (tetrakis(3,5-di-tert-butylphenyl)-6'-amino-7'-nitro-tetrakisquinoxalino[2,3-b'7,8-b''12,13-b'''17,18-b''''-porphyrinato) палладия (II)) и 22 мМ рубрена в бензоле. Удалить воздух это решение тщательно, используя три жидкий азот циклов замораживания-насос-оттаивания.
- Внутри бардачке, представляем решение, TTA-UC в задней полости, что позволяет капиллярные силы, чтобы привлечь его до конца. После того, как полный, еще раз поверхность следует промыть и запечатать, используя другой кусок алюминиевой поддержал материала прокладки.
2 Измерение
2.1. Электрические контакты
- Применить припой на открытые участки F: SnO 2 работы и противоположные электроды с помощью звуковой паяльник и соответствующий припой. Присоединить провода к аноду и катоду, используя обычный припой.
- Применить УФ-отверждаемые эпоксидные, чтобы открыть края.
Примечание: Это сделано, чтобы служить в качестве вторичного инкапсуляции устройства от проникновения кислорода и испарения растворителя, а также повышение надежности устройства, в частности крепления провода. - Прикрепите анодом и катодом провод к открытого состава кабеля BNC через терминальный блок.
2.2. Настройка IPCE Измерение
- Установка, схематически показанную на рисунке 2, смонтировать интегрированное устройство на держатель клеток.
- Осветить разделы комплексной устройства (~ 2 мм × 1 мм) с 670 нм непрерывного волна лазерного луча ('луча накачки') через зеркало на регулируемой горе.
- Освещать интегрированный TTA-UC DSC с некогерентного (в "пробного луча ') квазимонохроматического света генерируется с помощью Xe лампы, прошло сначала через Длинноволновый фильтр 405 нм, то Choppeг а колесо работает на 29 Гц, монохроматора, угловая стекло (используется здесь как ~ 4% светоделителем) и параболического зеркала. Генерирование население фон триплет в слое ТТА-UC возбуждая слоя UC с пучка накачки, который падает под таким углом, чтобы он не освещают активный слой зондируемой DSC, а только слой UC.
- Выровнять насос и пробного луча на слой TTA-UC используя регулируемые зеркала смонтировать. Измерьте ток короткого замыкания, порожденную зонда, как это отсканированного во всем видимом спектре с шагом 5 нм с использованием динамического устройство сбора сигналов, усилитель тока и в доме управляющее программное обеспечение.
- Одновременно регистрировать изменение мощности зондирующего луча, отраженного от предметное стекло с помощью измерителя мощности и фотодиод с аналоговым выходом, подаваемого в устройство сбора сигналов. Исправьте J SC от устройства изменением зонда в программном обеспечении.
- Свернуть пучок накачки немного используя регулируемые зеркала Крепление, таким образом, что она попадает в активный слой устройства, прилегающей к зондирующего пучка. Повторите измерение с насосом и пробного луча Разрегулированные.
- Запишите шесть наборов измерений с выравнивания и смещения в тех же позициях для лучшего сигнала к шуму.
- Снизить интенсивность пучка накачки путем размещения на пучка накачки различные фильтры нейтральной плотности с известными передач при 670 нм, и повторите шаги 2.2.4 для 2.2.7 для диапазона интенсивностей.
- Измерьте интегрированное устройство J SC без насоса источника активного луча.
- Измерьте инцидент питания зонда на ДСК с точки зрения ток, генерируемый фотодиодом, поместив фотодиод в положении образца.
- Измерьте передачу изучаемого прибора с камерой UC удалены с помощью УФ-видимый спектрофотометр для получения спектра передачи, T DSC.
Примечание: Это может быть сделано в поочередно между шагами 1,4 и 1,5.
- Измерьте силу насос луча в положении DSC для каждого условия фильтрации используется, с помощью фотодиодов и измеритель мощности (как описано в разделе 2.2.10).
- Сфотографировать пучка накачки проецируется на кусок клетчатой бумаге в положение, соответствующее где слой TTA было во время эксперимента. Сильно ослабления пучка, если это необходимо, чтобы предотвратить насыщение детектора камеры. Используйте это изображение и анализа изображений программное обеспечение, чтобы определить размер пятна насос.
Обработка 3 данных
3.1. Интерполировать все данные 1 нм приращений.
3.2. IPCE Определение
- Вычислить поток фотонов (φ), достигающего интегрированный устройство от электросети зонда измеряется как ток, генерируемый фотодиод (I) и электрического заряда (Q):
- Рассчитайте клеток падающий фотон к преобразованного электронного КПД (IPCE 0) Девив.п. от измерения SC J без подсветки насоса и потоком зонда.
- Возьмите отношения между измерениями с насосом и датчиком выровненной и Перекошенная получить относительные улучшения от активации до-конвертер.
- Определение фактором солнечной концентрация
- Преобразование коэффициента экстинкции сенсибилизатора в сечении поглощения, σ.
- Получить скорость возбуждения сенсибилизатора по стандартной AM1.5G солнечного спектра, (к φ), принимая продукцию плотности потока фотонов от солнечного спектра, пропускания DSC и сенсибилизатора (σ) на каждой длине волны, а затем суммируя продукты по всей сенсибилизатора поглощения Q-диапазона, как правило, 600 нм до 750 нм.
- Рассчитать, от полномочий и спот размера источника накачки, плотностей потока фотонов насоса с различными фильтры нейтральной плотности. Затем возьмите продукты плотностей потоков, пропускания DSC и сенсибилизатора в670 нм для получения скорости возбуждения насоса.
- Рассчитайте солнечный фактор концентрации (ʘ) от соотношения скорости возбуждения насоса к скорости возбуждения в условиях AM1.5G.
3.3. Модель Место и Фигуры определения Merit
- Установите модель относительного усиления = 1 + х константа (Т ДСК / IPCE 0) × [(σ насос × σ зонда) / (σ + σ насоса зонд)], на экспериментальных результатов по повышению, где σ насос и σ зонда поперечные сечения относительно накачки и пробного длин волн; σ насос устанавливается для каждого интенсивности накачки и σ зонда зависит от длины волны.
- Оцените повышение в J SC полученную от преобразования с повышением эффекта (Æ-SC) от различий между ИФХЭ UC и IPCE 0 и солнечной Densit потокау.
- Рассчитайте FOM по нормализации Æ-SC на квадрат солнечного коэффициента концентрации, так как TTA-UC имеет квадратичную зависимость от потребляемой мощности в низкой интенсивностью возбуждения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Фиг.3А - D реакции повышение дисплей измеренное при различных условиях измерений с эффекты обсуждаются более подробно ниже. Из сырьевых усовершенствований плотности тока должно быть ясно, что результаты в рисунке 4А и 4В относятся к масштабированию, с пикового тока укрепления и повышения ИФХЭ сопоставления также со спектром поглощения сенсибилизатора, ослабляется передачи посредством активного слоя DSC.
Для того чтобы избежать артефактов измерения, введенные с помощью лазера смещающим пучка накачки была скорректирована, чтобы прибыть на уровне UC на больший угол к пробного луча, схематически изображенной на рисунке 2. 4А показывает усиление без существенного эффекта смещения, при этом оба показателя 4C и 4D страдают от этой проблемы. Следствием правильной alignmeNT на измерениях показано на фиг.4А, где разница в J SC отражает свойство поглощения сенсибилизатора, который имеет пик поглощения при 675 нм. Помимо области поглощения сенсибилизатора и прозрачной области устройства, разница в J SC встроен в шуме.
Значительное повышение относительной IPCE интегрированного устройства в красном конце видимого спектра можно наблюдать на фиг.4С. Тем не менее, вставка фигуры 4C, который показывает разницу между выровнены и смещенных измерений SC J, не отражает спектральные свойства сенсибилизатора. Выравнивание насоса и датчика, кажется, повысить производительность клеток по всей видимой области спектра и позволяет предположить, что повышение происходит от ловушки заполнения что повышает общую производительность устройства, в связи с лазерной смещения 30.
Для того, чтобы VerIFY подозрение, интегрированы устройства была заменена аналогичной устройства исключением того, что камера UC остался пустым (Рисунок 4D). В соответствии с идентичной экспериментальных условиях, повышение было обнаружено по всей видимой области спектра. Это подтверждает предыдущий эффект усиления происходит от лазера-смещающим вместо TTA-UC. В случае устройства без раствора ТТА-UC, так как большинство лазера рассеивается обратно на устройство, смещающий эффект еще более значительным.
Рисунок 5 расширяет результатов, показанных на фиг.4А и 4В. В этом случае интенсивность света пучка накачки в диапазоне от 6 до 27 ʘ. Æ-SC видно масштабировать пропорционально квадрату интенсивности света, в соответствии с ожиданием (степенной закон соответствовать 2,02). Таким образом, FoM Видно, что интенсивность света независимо, предполагая, что система ТТА-UC ограничено бимолекулярных процессов.
: Держите-together.within-страницу = "всегда"> 
Анимация 1:. Принципиальная работа триплет-триплетного аннигиляции фотона до преобразования с PQ4PdNA сенсибилизатора и рубрен излучателя, в результате освещения D149 красителя и последующей инжекции электронов в TiO 2 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рис.1 Конфигурация устройств, до введения жидких компонентов. Слои расположены вместе и печатью применения тепла смягчить прокладки слоев."> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2 Установка для измерения повышения. Интегрированное устройство облучается модулированного некогерентного монохроматического света от источника белого света (лазерного термоядерного лампы) прошел через монохроматор, и achromatically сосредоточены на образец по внеосевым параболического зеркала. Зондирующего света расщепляется с стеклянном фильтре (балки продольной резки) и отраженный свет зонда детектируется фотодиодом, прикрепленной к измерителю мощности. TTA-UC слой интегрированной устройства непрерывном возбуждении на 670 нм лазера непрерывного излучения (насос) для генерации фоновых тройни, чтобы позволить эффект усиления TTA-UC быть зондируют слабого монохроматического пучка. Выходной ток от устройства подается через усилитель тока и измерению концкрасный на замке-амплификации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3 Типичные данные, показывающие (А) относительное усиление IPCE (колонка (унифицированного) / Col (выровнены) и разницу отклика (колонка (с выравниванием) -col (выровнены) усредненный с шести выровненной и шести смещенных измерений. Разница ответ подтверждает спектральная форма усиления ИФХЭ от суб-запрещенной зоны света собирают путем сенсибилизатора в до-преобразователь, как повышение спектральной формы соответствует поглощению Q-полосе от сенсибилизатора и (В) относительного улучшения модели установлен (описано выше 31) на экспериментальной кривой повышения IPCE Леаул квадратов монтажу. Модель включает в себя сотовый пропускания, оригинальный мобильный IPCE (без насоса) и сечения поглощения сенсибилизатора, соответствующий зонд и источником накачки. Моделируется кривая повышение затем используется для расчета дополнительной ток короткого замыкания, полученные от TTA-UC и, таким образом FOM. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4 повышение IPCE (под 27 ʘ) прослеживает для (А) встроенное устройство с измерением исправить дефекты (вставка показывая прирост сырой ответ), (B) по образцу относительно IPCE повышение следов для данных в (А) с вставкой показывая сырые текущие кривые отклика на Wi устройстваго насоса и датчика света выровнены и смещаются (C) и то же устройство, что и в (А) кроме, что насос и датчик выровнена в том же месте на активного электрода, в результате чего измерения артефакта, описано в текстовом (г) идентичны устройство с пустой камере UC, измеряется в соответствии с (С), далее подчеркивая эту проблему измерения, со вставкой, показывая прирост сырой ответ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 5 FoM зависимость интегральной устройства на солнечной коэффициента концентрации. Вставке показана зависимость рассчитанного коэффициента усиления по току (Æ-SC) от TTA-UC с обеих осей налогарифмическая шкала.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Этот протокол обеспечивает средства для достижения фотон до-преобразования расширенной ДСК и подробно о том, как правильно измерить такое устройство. FoM позволяет простой подсчет ожидаемых улучшений Æ-SC и следовало ожидать при различной интенсивности света, в том числе на 1 Вс Значения, показанные здесь инвариантны интенсивности света (вставка на рис 4), в соответствии с ожиданием, когда система находится ниже порога насыщения 33. С ФОМ, мы можем стандартизировать усиления эффекта TTA-UC или других процессов нелинейной UC, что позволяет легко сравнивать.
Хотя эти значения ФОМ, полученные в этом исследовании, являются самыми высокими среди зарегистрированных ФОМС для цифровых сигналов, они все еще далеки от коммерческого интереса (~ 1 мА ∙ см -2 ʘ -2). В дополнение к этому, усовершенствования такого масштаба может быть проблематичным для измерения. В этом докладе (специально в цифрах 3C и 3D)-гое Опасности неправильного метода измерения показаны, где пучок накачки вызывает (несколько) неожиданной проблемой. Эта проблема может быть уникальным для цифровых сигналов, однако, если есть любая неопределенность крайне важно, чтобы контрольные эксперименты (например, как показано на рисунке 3D) предпринимаются и условия внесены соответствующие изменения.
Есть несколько ограничивающие факторы, которые ограничивают производительность TTA-UC. Прежде всего это скорость распада триплет эмиттера, рубрен (~ 8000 с-1, 34), что намного быстрее, чем скорость возбуждения сенсибилизатора в 1 ʘ освещения (6,8 сек -1), в то время как скорость ТТА из рубрена тройни только ~ 1 × 10 8 М -1 с -1, на три порядка ниже диффузионного предела рубрена в обычных органических растворителях 35. Следствием этого является большинство триплетного рубрена распадается в основное состояние перед выполнением TTA.
Для того, чтобыуменьшить количество рубрена триплетов, проходящих мономолекулярного распада до ТТА можно попытаться увеличить концентрацию триплет, путем увеличения концентрации сенсибилизатора. К сожалению, порфирины в растворе имеет тенденцию собираться в высоких концентрациях, и сенсибилизирующим-сенсибилизатора TTA может состояться. Потенциальное решение преодолеть эти проблемы, чтобы прикрепить сенсибилизаторов на неорганических наночастиц поверхностей 36. Как таковые, высокие концентрации (относительно) иммобилизованным сенсибилизатора могут быть размещены с пониженным самотушения, и может увеличить локальную концентрацию триплетов, доступных для эффективного ТТА.
Сенсибилизатор использована в данном исследовании не является идеальным для спаренной ДСК, как поглощение Q-группа порфирина перекрывается с поглощения начала ДСК в (600 - 700 нм). Таким образом, существуют потери в проходящем свете, доступные для TTA-UC, эффективность которой зависит от концентрации триплетных и, таким образом, поток фотонов. Мы ожидаем, что для измерения более СИГВВПповышение ficant с сенсибилизатора, который поглощает глубже в ближней инфракрасной области с одинаковой эффективностью интеркомбинационной к использованному в данном исследовании. FoM предлагает удобный метрику сравнения, если и когда такая система характеризуется.
Краситель используется здесь, D149, является одним из самых эффективных органических красителей, доступных для ДСК, однако другие, например, N719 или «черного красителя" есть еще красное смещение поглощения приступы 3. Для того, чтобы TTA-UC повышения этих устройств, соответствующих порфиринов с Q-диапазона поглощения на длинах волн более 900 нм необходимо создана. С другой стороны, Максимальные эффективность ДСК на сегодняшний день имеет начало поглощения ~ 730 нм 37, лишь незначительно за началом для красителя, используемого здесь.
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).
