Summary
Un dispositivo integrado, la incorporación de una célula y triplete-triplete aniquilación solar de conversión ascendente unidad sensibilizada por colorante fue producido, proporcionando una mayor cosecha de la luz, de una sección más amplia del espectro solar. Con los niveles de irradiación modestos se demostró una respuesta mejorada de manera significativa a los fotones de baja energía, produciendo una cifra récord de mérito para las células solares sensibilizadas por colorante.
Abstract
La escasa respuesta de las células solares sensibilizadas por colorante (DSCs) a la luz roja e infrarroja es un obstáculo importante para la consecución de mayores eficiencias fotocorrientes y por lo tanto mayores. Fotones de conversión ascendente a modo de aniquilación triplete-triplete (TTA-UC) es una técnica atractiva para el uso de estos fotones de baja energía desperdiciados de otro modo para producir fotocorriente, mientras que no interfiere con el desempeño photoanodic de una manera perjudicial. Además de esto, TTA-UC tiene un número de características, distintos de otros fotones de conversión ascendente tecnologías señaladas, lo que hace que sea especialmente adecuado para el acoplamiento con la tecnología DSC. En este trabajo, un sistema probado TTA-UC de alto rendimiento, que comprende un sensibilizador de porfirina paladio y el emisor rubreno, se combina con un DSC de alto rendimiento (D149 utilizando el tinte orgánico) en un dispositivo integrado. El dispositivo muestra una respuesta aumentada a la luz sub-banda prohibida en todo el rango de absorción de la sub-unidad de TTA-UC que resulta en la más alta fidelidadfigura de mérito para la conversión ascendente asistida rendimiento DSC hasta la fecha.
Introduction
Células solares sensibilizadas por colorante (DSCs) se han proclamado como un concepto prometedor en asequible de captación de energía solar 1-3. A pesar de este entusiasmo, comercialización generalizada aún tiene que ocurrir. Varias razones se han propuesto para este, con una cuestión apremiante es la relativamente alta energía de la aparición de absorción, lo que limita la eficiencia alcanzable recolección luz de estos dispositivos 4. Aunque esto se puede superar, la reducción de la aparición de absorción está típicamente acompañado por una caída en el voltaje de circuito abierto, que se erosiona de manera desproporcionada a cualquier ganancia en la densidad de corriente 5, 6.
El funcionamiento general de DSC implica la transferencia de electrones desde un colorante fotoexcitado a un semiconductor (normalmente TiO 2), seguido de la regeneración del colorante oxidado por un mediador redox. Ambos procesos parecen requerir fuerzas motrices importantes (potenciales) a fin de proceder con una alta eficiencia 7 4.
Con el fin de superar el problema de recolección de luz planteado anteriormente, se han adoptado una serie de enfoques. Esto incluye la "tercera generación" 8 enfoques de estructuras tándem 9, 10 y fotones conversión ascendente de 11-14.
Recientemente 11 se informó de un dispositivo integrado compuesto por un electrodo de trabajo DSC y mostrador, con una aniquilación triplete-triplete basado conversión ascendente (TTA-UC) sistema incorporado ena la estructura. Este elemento TTA-UC fue capaz de recoger la luz roja transmitida a través de la capa activa y químicamente convertir (como se describe en detalle a continuación) a mayores fotones de energía que podrían ser absorbidos por la capa activa de la DSC y generar fotocorriente. Hay dos puntos importantes a tener en cuenta acerca de este sistema. En primer lugar, TTA-UC tiene muchas ventajas potenciales sobre otros sistemas de conversión ascendente de fotones 11; en segundo lugar, demuestra una arquitectura viable (prueba de principio) para la incorporación de TTA-UC, que había estado ausente de la literatura hasta TTA-UC a ese punto.
El proceso de TTA-UC 15-24 implica la excitación de moléculas de sensibilizador '', en este caso porfirinas Pd, por la luz con energía por debajo de la energía de inicio del dispositivo. Los sensibilizadores-excitados simples experimentan un rápido cruce entre sistemas al estado triplete de menor energía. Desde allí, se puede transferir energía a un triplete-aceptar 'emisor y # del estado fundamental8217; especies como rubreno, siempre y cuando la transferencia está permitido por la energía libre 25. El primer estado triplete de rubreno (T 1) es mayor que la mitad de la energía de su primer estado excitado singlete (S 1), pero menos de la mitad de la energía de T 2, lo que significa que un complejo de encuentro de dos rubrenes-triplete excitado puede aniquilar a dar una molécula singlete excitado emisor (y el otro en el estado fundamental) con una probabilidad bastante alta. Otros estados, estadísticamente predijo, es más probable energéticamente inaccesible para rubreno 26. La molécula de singlete excitado rubreno entonces puede emitir un fotón (como por fluorescencia) con suficiente energía para excitar el tinte en el electrodo de trabajo de la DSC. Este proceso se muestra en la Animación 1.
TTA-UC ofrece una serie de ventajas en comparación con otros sistemas de comunicaciones unificadas, como una gama ancha de absorción y la naturaleza incoherente 27, 28, por lo que es una opción atractiva para couPling con DSC (así como OPV). TTA-UC se ha demostrado que funciona a intensidades de luz relativamente bajos y en condiciones de luz difusa. Tanto DSC y OPV son más eficientes en el régimen de baja intensidad de luz. Concentración solar es cara y sólo se justifica por su alta eficacia, los dispositivos de alto costo. El relativamente alto rendimiento de los sistemas TTA-UC en condiciones de baja iluminación intensidad es atribuible al proceso que implica cromóforos sensibilizador con bandas de absorción fuerte, ancha en concierto con de larga duración estados triplete que son capaces de difundir con el fin de entrar en contacto con especies que interactúan . Además, TTA-UC se ha encontrado que tienen una alta eficiencia intrínseca a partir de un estudio cinético 26.
Aunque TTA-UC funciona a baja intensidad de luz, todavía hay una relación cuadrática entre la intensidad de la luz incidente y la luz emitida (por lo menos en bajas intensidades de luz). Esto es debido a la naturaleza del proceso bimolecular. Para tener en cuentapara esto y las condiciones experimentales variadas (en particular de intensidad de luz) reportadas por los diferentes grupos, una figura de mérito del sistema (FOM) debe ser empleado para medir la mejora del rendimiento ofrecido por la conversión ascendente. Esta FoM se ha definido como d j SC / ʘ, donde d j SC es el aumento de la corriente de cortocircuito (por lo general determinada por la integración del fotón incidente para cargar Eficiencia Carrier, IPCE, con y sin el efecto de conversión ascendente) y ʘ es la solar eficaz concentración (basado en el flujo de fotones en la región relevante, que es la absorción Q-banda del sensibilizador) 2 29.
En este documento, se informa de un protocolo para la producción y correcta caracterización de un dispositivo DSC-TTA-UC integrada, prestando especial atención a las posibles trampas en las pruebas del dispositivo. Se espera que esto sirva como una base para seguir trabajando en este campo.
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Protocol
Fabricación 1. DSC
1.1. Trabajo de preparación de electrodos
- Limpiar un todo hoja de F: SnO2 vidrio recubierto (110 mm × 110 mm × 2,3 mm, <8 Ω / □) secuencialmente ultrasonidos en agua jabonosa, luego acetona y finalmente etanol (10 minutos cada uno).
- Deposita una densa capa de TiO2 siguiendo los pasos a continuación:
- Vidrio seco usando vidrio de aire comprimido y el calor a 450 ° C en placa calefactora (conductora hacia arriba).
- Diluir titanio diisopropóxido bis (acetilacetonato) (75% en peso en isopropanol) con etanol en una proporción de 1: 9.
- Pulverizar la solución diluida sobre vidrio calentado desde una distancia de 100 ~ mm, con cinco aerosoles a través de la hoja de vidrio.
- Rocíe una ronda por 10 seg a 12 asaltos.
- Mantenga vidrio a 450 ° C durante 5 min, antes de apagar la zona de cocción. Deja el vaso sobre placa caliente y deje que se enfríe lentamente a RT.
- Colocar el vaso enla mesa de la impresora de la pantalla (una vez más conductivo hacia arriba). Insertar pantalla y alinear el patrón de vidrio. Añadir TiO2 pegar a la pantalla e imprimir una o dos capas. Si el depósito de dos capas, retire la placa de cristal de la impresora entre impresiones, cubrir y dejar reposar durante ~ 5 min, luego caliente a 125 ° C durante 10 minutos antes de volver a la impresora para imprimir una capa posterior.
- Una vez que la impresión final se hace correr un programa de sinterización completa. Calentar los electrodos a 150 ° C a 12,5 ° / min, mantener 10 min, luego a 325 ° C a 11,7 ° / min, mantener 5 min, luego a 375 ° C a 10 ° / min, mantener 5 min, luego a 450 ° C a 10,7 ° / min, mantenido 30 min y finalmente a 500 ° C a 10 ° / min, mantener 15 min. Poco a poco se enfría hasta TA después de esto.
- Cortar la placa maestra en electrodos individuales asegurándose de que hay suficiente espacio alrededor de la película impresa por la junta que se aplicará después. Retire todos los fragmentos de vidrio utilizando aire comprimido.
- Sumergir los electrodos en una mM TiCl4 20
- Una vez enfriada hasta por debajo de 100 ° C, sumergiendo los electrodos en una solución de colorante 0,5 mM. En este caso de uso, D149 en acetonitrilo: tertbutanol (1: 1).
- Después del teñido O / N remover los electrodos y enjuague vigorosamente en acetonitrilo durante ~ 30 seg luego deje reposar por 30 segundos más. Retirar los electrodos del baño de aclarado y secar con aire comprimido.
1.2. Contador Preparación de electrodos
- Cortar otra hoja de 2,3 mm F: SnO2 vidrio en 18.3 mm × 27.5 mm pedazos.
- Sumergir electrodo contador en agua y perfore un agujero pequeño en la esquina (φ = 1 mm, 2,5 mm desde cada esquina) para utilizar como un puerto de llenado, utilizando una fresa dental con punta de diamante montada en un pequeño taladro de banco.
- Limpiar electrodo contador según la sección 1.10.1
- Dry electrodo contador y el lugar en un azulejo con conductor hacia arriba. Aplicar una gota de solución de ácido platınico (H 2 PtCl 6, 10 mM en etanol) y se extendió con el extremo de una pipeta. Coloque las losetas sobre precalentado (400 ° C) placa durante 15 minutos. Después de esto, quite el vidrio y azulejo y dejar enfriar en un banco.
1.3. Reflector
- Corte un pedazo de vidrio no conductor 2 mm a 18,3 mm × 27,5 mm y perforar dos agujeros en las esquinas adyacentes a lo largo del borde largo, utilizando la misma técnica que para el electrodo contador (sección 1.2.2).
- Limpie el vidrio, una vez utilizando el mismo protocolo que el anterior (1.1.1)
- Tape el vaso limpio y seco para la banca en tres lados, usando cinta de bajo residuo. Aplique una gota de Al 2 O 3 pasta (2,0 g de 0,3 micras de Al 2 O 3 partículas, 2 ml coloidales Al 2 O 3 + 1 ml de etanol) y dibuja hacia abajo con una varilla de vidrio.
- Permita que la película se seque, retire la cinta y sinter vidrio a 500 ° C durante 30 min.
1.4. Conjunto de dispositivo
- Cortar dos lotes de juntas adhesivas de fusión en caliente.
NOTA: La primera, para el DSC, es de 25 m de espesor y tiene unas dimensiones internas de 17 mm × 8 mm y las dimensiones externas de 21 mm × 12 mm. El segundo, por la cámara de conversión ascendente, utiliza material de la junta 60 micras duplicado en dar 120 m de espesor. Cuando está plegado, esta junta tiene dimensiones internas de 17 mm × 21 mm y las dimensiones externas de 21 mm × 25 mm. - Coloque la primera junta en la esquina de la contra-electrodo, asegurando el puerto de llenado es accesible. Coloque el electrodo de trabajo sobre este, de tal manera que el área impresa es enteramente dentro de la junta, y obtener un buen sello.
- Mueva esta asamblea a una placa caliente (120 ° C) y aplique presión hasta que se ablanda y derrite la junta, lo que puede observarse a simple vista como los moja junta las superficies de vidrio. Retire el conjunto y dejar enfriar.
- Lugarsegunda junta en el reflector, lo que garantiza una vez más puertos de llenado no están cubiertos. Coloque DSC en la parte superior de tal manera que el área impresa es directamente delante del reflector de alúmina impreso. Una vez más el calor del dispositivo durante la aplicación de presión, hasta que el empaque se ablanda y se adhiere, como en la sección 1.4.3. Este conjunto se muestra en la Figura 1.
1.5. El relleno de cavidades
- Preparar una solución de electrolito de 0,1 M LiI, 0,6 M de yoduro de 1,2-dimetil-3-propilimidazolio y 0,05 M de yodo en metoxipropionitrilo.
- Coloque el dispositivo en un pequeño recipiente de plástico con tubo de vacío unida, con el electrodo contador hacia arriba.
- Ponga una gota de la solución de electrolito sobre el agujero y un pedazo de vidrio en la parte superior. Aplicar vacío durante unos pocos segundos para extraer aire de la cavidad DSC, antes de la liberación, que se basará electrolito dentro de la cavidad.
- Preparar los sellos por laminación de material de la junta de fusión en caliente sobre papel de aluminio. Deja éstos sobre una placa caliente, gasket lado material arriba. Limpiar la parte posterior de la contra-electrodo a fondo, a continuación, sellar pulsando dispositivo contra el material de junta de ~ 5 seg.
- Prepare la solución TTA-UC disolviendo 0,6 mM de tinte 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) paladio (II)) y 22 mM de rubreno en benceno. Purgar esta solución a fondo usando tres ciclos de congelación-bombeo-descongelación de nitrógeno líquido.
- Dentro de una caja de guantes, introducir la solución TTA-UC en la cavidad trasera, permitiendo que las fuerzas capilares para dibujar a través de. Una vez lleno, una vez más, limpiar bien la superficie y sellar usando otra pieza de aluminio respaldo material de la junta.
2. Medición
2.1. Contactos eléctricos
- Aplicarle soldadura expuesta F: SnO2 de electrodos de trabajo y contador utilizando soldador sónico y soldadura adecuada. Conecte los cables de ánodo y cátodo mediante soldadura normal.
- Aplicar epoxi curable UV para abrir bordes.
NOTA: Esto se hace para servir como una encapsulación secundaria del dispositivo contra la entrada de oxígeno y evaporación del disolvente, así como aumentar la robustez del dispositivo, en particular la fijación del cable. - Conecte el ánodo y el cátodo de alambre a un cable BNC de composición abierta a través de un bloque de terminales.
2.2. Configuración IPCE Medición
- Uso de la configuración que se muestra esquemáticamente en la Figura 2, montar el dispositivo integrado en un soporte de la celda.
- Iluminar una sección del dispositivo integrado (~ 2 mm x 1 mm) con un haz de 670 nm de láser de onda continua (el "haz de bomba ') a través de un espejo en una montura ajustable.
- Ilumine la integrada TTA-UC DSC con luz cuasi monocromática (el "haz de prueba ') incoherente generado usando una lámpara de Xe, pasa primero a través de un filtro de paso largo de 405 nm, a continuación, un Chopper rueda que funciona a 29 Hz, un monocromador, un portaobjetos de vidrio en ángulo (utilizado aquí como un divisor de haz ~ 4%) y un espejo parabólico. Generar una población de fondo triplete en la capa de TTA-UC excitando la capa UC con el haz de la bomba, que es incidente en un ángulo tal que no se ilumina la capa activa DSC palpada pero sólo la capa UC.
- Alinear la bomba y el haz de prueba en la capa TTA-UC usa un soporte de espejo ajustable. Mida la corriente de cortocircuito generado por la sonda a medida que se explora a través del espectro visible en incrementos de 5 nm usando un dispositivo de adquisición de señales dinámicas, amplificador de corriente y el software de control interno.
- Simultáneamente registrar la variación de la potencia del haz de sonda reflejada desde el portaobjetos de vidrio con un medidor de potencia y un fotodiodo con salida analógica alimentada al dispositivo de adquisición de señal. Corregir el J SC desde el dispositivo por la variación de la sonda en el software.
- Plegar el haz de bombeo ligeramente usando el espejo ajustable montaje, de tal manera que golpea la capa activa del dispositivo adyacente al haz de la sonda. Repita la medición con el haz de la bomba y la sonda desalineado.
- Registre seis conjuntos de mediciones con la alineación y desalineación en las mismas posiciones para una mejor relación de señal a ruido.
- Reducir la intensidad del haz de la bomba por la puesta en el haz de bombeo diferentes filtros de densidad neutra con transmisiones conocidas a 670 nm, y repita los pasos 2.2.4 al 2.2.7 para una gama de intensidades.
- Mida la SC J dispositivo integrado sin la fuente de haz de bombeo activo.
- Medir la potencia incidente sonda en el DSC en términos de corriente generada por el fotodiodo colocando el fotodiodo en la posición de la muestra.
- Medir la transmisión del dispositivo estudiado con la cámara de UC eliminado utilizando un espectrofotómetro UV visible para obtener el espectro de transmisión, T DSC.
NOTA: Esto puede ser hecho en forma alterna entre los pasos 1.4 y 1.5.
- Medir la potencia del haz de la bomba en la posición de DSC para cada condición de filtrado utilizado, utilizando el fotodiodo y el poder metros (como se describe en la sección 2.2.10).
- Tome una fotografía de la viga de la bomba que se proyecta sobre un trozo de papel de la red en una posición equivalente a la que la capa era TTA durante el experimento. Muy atenuar el haz si es necesario para evitar la saturación del detector de la cámara. Utilice esta imagen y análisis de imágenes de software para determinar el tamaño del punto de la bomba.
3. procesamiento de datos
3.1. Interpolar todos los datos en incrementos de 1 nm.
3.2. IPCE Determinación
- Calcular el flujo de fotones (φ) que alcanza el dispositivo integrado de la fuente de sonda de medida como corriente generada por el fotodiodo (I) y carga eléctrica (q):
- Calcular el fotón incidente celular a la eficiencia de electrones convertido (IPCE 0) de la Device de la medición SC J sin iluminación de la bomba y el flujo de la sonda.
- Tome las relaciones entre las mediciones con la bomba y la sonda alineadas y desalineadas para obtener las mejoras relativas de la activación de la UP-convertidor.
- Determinación factor de concentración solar
- Convertir el coeficiente de extinción del sensibilizador en sección transversal de absorción, σ.
- Obtener la tasa de excitación del sensibilizador según la norma espectro solar AM1.5G, (k φ) mediante la adopción de los productos de la densidad de flujo de fotones del espectro solar, la transmitancia de la DSC y el sensibilizador (σ) en cada longitud de onda y luego sumando los productos en todo el sensibilizador absorción Q-banda, típicamente 600 nm a 750 nm.
- Calcule, desde el punto de poderes y el tamaño de la fuente de la bomba, las densidades de flujo de fotones de la bomba con diferentes filtros de densidad neutra. Luego tomar los productos de las densidades de flujo, la transmitancia de la DSC y el sensibilizador en670 nm para obtener las tasas de excitación de la bomba.
- Calcular el factor de concentración solar (ʘ) a partir de la relación de la tasa de excitación de la bomba a la tasa de excitación en condiciones AM1.5G.
3.3. Modelo de montaje y Figuras de Determinación Mérito
- Ajuste un modelo de la mejora relativa = 1 + x constante (T DSC / 0 IPCE) × [(σ bomba × sonda σ) / (bomba σ σ + sonda)], en los resultados experimentales de mejora, donde la sonda de la bomba σ y σ son secciones transversales con respecto a las longitudes de onda de la bomba y de la sonda; bomba σ es fijo para cada intensidad de la bomba y la sonda σ varía con la longitud de onda.
- Estimar la mejora en J SC obtenido por el efecto de conversión ascendente (d j SC) de las diferencias entre la UC y IPCE IPCE 0 y la cons flujo solary.
- Calcular el FoM normalizando d j SC por el cuadrado del factor de concentración solar, desde TTA-UC tiene una dependencia cuadrática en la entrada de energía en baja intensidad de la excitación.
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Representative Results
Figuras 3A - D respuestas de mejora de pantalla midieron bajo diferentes condiciones de medición, con los efectos discuten en más detalle a continuación. De las mejoras de densidad de corriente primas debe quedar claro que los resultados en la Figura 4A y 4B son atribuibles a conversión ascendente, con la mejora de corriente de pico y la mejora IPCE juego bien con el espectro de absorción del sensibilizador, atenuada por la transmisión a través de la capa activa de la DSC.
Con el fin de evitar los artefactos de medición introducidos por láser desviar el haz de la bomba ha sido ajustada para llegar a la capa UC en un ángulo mayor que el haz de la sonda, que se muestra esquemáticamente en la Figura 2. Figura 4A muestra un realce sin efecto de polarización significativa, mientras que tanto las figuras 4C y 4D se ven afectados por este problema. La consecuencia de alignme correctant en mediciones se muestra en la figura 4A, donde la diferencia en J SC refleja la propiedad de absorción del sensibilizador que tiene un pico de absorción a 675 nm. Aparte de la región de absorción del sensibilizador y la región transparente del dispositivo, la diferencia en J SC está incrustado en ruido.
Una mejora significativa de IPCE relativa del dispositivo integrado en el extremo rojo del espectro visible se puede observar en la Figura 4C. Sin embargo, el inserto de la figura 4C que muestra la diferencia entre las mediciones SC J alineadas y desalineadas, no refleja la propiedad espectral de la sensibilizador. La alineación de la bomba y la sonda parece mejorar el rendimiento de la célula a través de todo el espectro visible y sugiere que la mejora proviene de trampa de llenado que mejora el rendimiento global del dispositivo, debido a la polarización del láser 30.
Para Verify la sospecha, el dispositivo integrado fue sustituido por un dispositivo análogo excepto que la cámara de la UC se deja vacío (Figura 4D). Bajo las condiciones experimentales idénticas, la mejora se ha encontrado en todo el espectro visible. Se confirma el efecto de aumento anterior proviene de láser de polarización en lugar de TTA-UC. En el caso del dispositivo sin solución TTA-UC, ya que la mayoría del láser es dispersada de vuelta al dispositivo, el efecto de empuje es aún más significativo.
Figura 5 amplía los resultados mostrados en las Figuras 4A y 4B. En este caso, la intensidad de luz del haz de bombeo se ajustó 6-27 ʘ. D j SC es vista a escala con el cuadrado de la intensidad de la luz, como por expectativa (ley de potencia encaja 2,02). Como tal, el FoM se ve que es independiente de la intensidad de luz, lo que sugiere que el sistema de TTA-UC está limitada por procesos bimoleculares.
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Animación 1:. Operación esquemática de triplete-triplete aniquilación de fotones de conversión ascendente con PQ4PdNA sensibilizador y emisor rubreno, lo que resulta en una iluminación de tinte D149 y la inyección electrónica subsiguiente en TiO2 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 1. configuración del dispositivo, antes de la introducción de los componentes líquidos. Capas se colocan juntos y sellados por aplicación de calor para ablandar las capas de junta."> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. de configuración para la medición de mejora. El dispositivo integrado es irradiada por luz monocromática incoherente modulada a partir de una fuente de luz blanca (lámpara de láser impulsado) pasa a través de un monocromador, y acromáticamente enfoca sobre la muestra por un espejo parabólico fuera de eje. La luz de la sonda se divide con un filtro de vidrio (cortadora haz) y se detecta la luz reflejada de la sonda por un fotodiodo conectado a un medidor de potencia. La capa TTA-UC del dispositivo integrado es de excitación continua por un 670 nm láser de onda continua (bomba) para generar trillizos fondo para permitir el efecto de mejora TTA-UC a palpar con el haz monocromático débil. La corriente de salida desde el dispositivo se alimenta a través de un amplificador y measu actualrojo por el lock-in de amplificación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3. Los datos representativos que muestran (A) la mejora relativa IPCE (col (Alineados) / col (desalineados) y la diferencia de respuesta (col (Alineados) -COL (desalineados) alcanzó un promedio de seis alineados y seis mediciones desalineados. La diferencia respuesta confirma la forma espectral de la mejora es IPCE de la luz de sub-banda prohibida cosechada por el sensibilizador de la UP-convertidor, como la forma espectral coincide con la mejora de la absorción Q-banda del sensibilizador y (B) el modelo de mejora relativa de módulos (31 descrito previamente) sobre una curva de aumento IPCE experimental por Least-plazas de ajuste. El modelo incluye transmitancia célula, la célula original IPCE (sin bomba) y la sección transversal de absorción sensibilizador correspondiente a la sonda y fuente de bombeo. La curva de mejora modelado se utiliza para el cálculo de la corriente de cortocircuito adicionales generados por TTA-UC y así FoM. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. mejora IPCE (menores de 27 ʘ) traza para (A) con un dispositivo integrado de medición corregir la desalineación (recuadro que muestra la ganancia en respuesta crudo), (B) modelado IPCE relativa traza mejora para los datos en (A) con la inserción que muestra el curvas de respuesta actuales primas de la wi dispositivola bomba y la sonda º haz alineado y desalineado (C) el mismo dispositivo que en (A) excepto que la bomba y la sonda están alineados en el mismo sitio en el electrodo activo, dando lugar a un artefacto de medición, que se describe en el texto (D) un dispositivo idéntico con una cámara UC vacío, medida de acuerdo con (C), destacando aún más este problema de medición, con la inserción que muestra la ganancia en respuesta cruda. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5. dependencia FoM del dispositivo integrado en el factor de concentración solar. Recuadro muestra la dependencia de la ganancia de corriente calculado (d j SC) de TTA-UC con los dos ejes sobreuna escala logarítmica.
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Discussion
Este protocolo proporciona un medio para lograr fotón up-conversión mejorada DSC y el detalle sobre cómo medir correctamente un dispositivo de este tipo. El FoM permite el simple cálculo de mejoras d j SC anticipados que se espera en diferentes intensidades de luz, incluso a 1 sol. Los valores que se muestran aquí son invariantes con la intensidad de luz (inserción de la figura 4), como por la expectativa cuando el sistema está por debajo de su umbral de saturación 33. Con el FoM, podemos normalizar el efecto de aumento de otros procesos de la UC no lineal TTA-UC o para permitir una fácil comparación.
Aunque los valores FOM obtenidos en este estudio son los más altos entre los FOMS reportados para DSC, que todavía están lejos de interés comercial (~ 1 mA ∙ cm -2 ʘ -2). Además de esto, las mejoras de esta escala pueden ser problemáticas para medir. En este informe (en concreto en las figuras 3C y 3D) ºe peligros de la técnica de medición incorrectos se muestran, en el que el haz de bombeo provoca un (poco) problema inesperado. Este problema puede ser único para DSC, sin embargo, si hay alguna duda, es crucial que se llevan a cabo experimentos de control (tal como se muestra en la Figura 3D) y de las condiciones modificadas en consecuencia.
Hay algunos factores limitantes que restringen el desempeño de TTA-UC. En primer lugar es la tasa de decaimiento triplete del emisor, rubreno (~ 8000 seg -1 34), que es mucho más rápido que la tasa de excitación del sensibilizador bajo 1 ʘ de iluminación (6,8 seg -1), mientras que la tasa de TTA rubreno trillizos es sólo ~ 1 × 10 8 M -1 s -1, tres órdenes de magnitud por debajo del límite de difusión de rubreno en disolventes orgánicos comunes 35. La consecuencia de esto es que la mayoría de rubreno triplete decae al estado fundamental antes de realizar TTA.
A fin de quereducir la cantidad de tripletes rubrene se someten a descomposición unimolecular antes de TTA se puede intentar aumentar la concentración triplete, aumentando la concentración de sensibilizador. Desafortunadamente, las porfirinas en solución tienden a agregarse en altas concentraciones, y sensibilizador-sensibilizador TTA pueden tener lugar. Una solución potencial de superar estos problemas es unir sensibilizadores sobre superficies de nanopartículas inorgánicas 36. Como tales altas concentraciones de (relativamente) sensibilizador inmovilizada, se pueden acomodar con la reducción de auto-enfriamiento rápido, y puede aumentar la concentración local de trillizos disponibles para una eficiente TTA.
El sensibilizador utilizado en este estudio no es ideal para el DSC acoplada, como la absorción Q-banda de la porfirina se superpone con el inicio de absorción de la DSC (: 600 - 700 nm). Así, hay pérdidas en luz transmitida disponibles para TTA-UC, la eficiencia de los cuales depende de la concentración triplete y el flujo de fotones de este modo. Esperamos que para medir una más significativamejora sig- con un sensibilizador que absorbe más profundamente en el infrarrojo cercano con una eficiencia cruce entre sistemas similares a la utilizada en este estudio. El dispositivo FOM ofrece una métrica conveniente de comparación, si y cuando tal sistema se caracteriza.
El tinte utilizado aquí, D149, es uno de los tintes con mejores resultados orgánicos disponibles para DSC, sin embargo otros, como el N719 o "tinte negro" tienen mayor absorción desplazada al rojo inicios 3. Para que TTA-UC para mejorar estos dispositivos, porfirinas adecuados con absorciones Q de banda en longitudes de onda superior a 900 nm necesitan creado. Por otro lado, la eficiencia más alta DSC reportado hasta la fecha tiene un inicio absorción de ~ 730 nm 37, sólo marginalmente más allá de la aparición para el colorante usado aquí.
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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
- 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).
