Summary
En inbyggd anordning, som innehåller ett färgämne-sensibiliserade solcell och triplett-triplett förintelse uppkonvertering enhet producerades, vilket gav förbättrad ljus skörd, från en bredare del av solens spektrum. Under blygsam bestrålning nivåer en avsevärt förbättrad respons på låga fotoner visades, vilket gav ett rekordgodhetstalet för färgämnes solceller.
Abstract
Den dåligt svar färgämnes solceller (DSCs) till rött och infrarött ljus är ett betydande hinder för förverkligandet av högre fotoströmmar och därmed högre effektivitet. Photon uppkonvertering genom triplett-triplett förintelse (TTA-UC) är en attraktiv teknik för att använda dessa annars bortkastade låg energi fotoner för att producera foto, utan att störa den photoanodic prestanda i ett skadligt sätt. Utöver detta har TTA-UC ett antal funktioner, som skiljer sig från andra rapporterade foton uppkonvertering teknik, vilket gör den speciellt lämplig för koppling med DSC-teknik. I detta arbete, en beprövad högpresterande TTA-UC-systemet, som består av en palladium porfyrin sensibiliserande och rubren emitter, kombineras med en högpresterande DSC (utnyttja organiskt färgämne D149) i en integrerad enhet. Enheten visar ett förbättrat svar på under bandgap ljus över absorptionen området för TTA-UC underenhet som resulterar i den högsta figur av meriter för uppkonvertering assisterad DSC prestation hittills.
Introduction
Dye solceller (DSCs) har proklamerat som ett lovande koncept på prisvärda solenergisamling 1-3. Trots denna entusiasm, har utbredd kommersialisering ännu förekomma. Flera skäl har framförts för detta, med en angelägen fråga är den relativt höga energin i absorption debut, begränsar uppnåe ljuset skörd effektiviteten i dessa enheter 4. Även om detta kan övervinnas, sänka absorptionen debut vanligen åtföljs av en minskning av tomgångsspänningen, vilket oproportionerligt eroderar eventuella vinster i strömtätheten 5, 6.
Den allmänna driften av DSCs involverar elektronöverföring från en fotoexciteras färgämne till en halvledare (typiskt TiO 2), följt av regenerering av den oxiderade färgämnet med redoxmediator. Båda dessa processer verkar krävas betydande drivkrafter (potentiella) för att fortsätta med hög verkningsgrad 7 4.
För att övervinna ljuset skörd fråga som togs upp ovan, har ett antal metoder tagits. Detta omfattar "tredje generationens" 8 strategier för tandemstrukturer 9, 10 och foton uppkonvertering 11-14.
Nyligen 11 vi rapporterade en integrerad enhet bestående av ett DSC arbetande och motelektrod, med en triplett-triplett förintelse baserad uppkonvertering (TTA-UC)-system som ingår itill strukturen. Detta TTA-UC elementet kunde skörda rött ljus sänds genom det aktiva lagret och kemiskt konvertera den (som beskrivs i detalj nedan) för att högre energi fotoner som kan absorberas av det aktiva lagret av DSC och generera foto. Det finns två viktiga punkter att notera om det här systemet. För det första har TTA-UC många presumtiva fördelar jämfört med andra foton uppkonvertering system 11; för det andra det visar en möjlig arkitektur (proof-of-principle) för inkorporering av TTA-UC, som hade saknats från TTA-UC litteraturen fram till den punkten.
Processen för TTA-UC 15-24 innebär excitation av "sensibiliserande" molekyler, i detta fall Pd porfyriner, av ljus med energi under enheten debut energi. De singlet-glada sensibilisatorer genomgår snabba intersystemövergången till den lägsta energi triplettillstånd. Därifrån kan de överföra energi till jord-state triplett-acceptera 'emitter & #8217; arter som rubren, så länge överföringen är tillåten enligt fri energi 25. Den första triplettillstånd av rubren (T 1) är större än hälften av den energi som det första exciterade singlettillstånd (S 1), men mindre än hälften så mycket energi av T 2, vilket innebär att ett möte komplex av två triplettexcite rubrenes kan förinta till ger en sing glada emitter molekyl (och den andra i grundtillståndet) med en ganska hög sannolikhet. Andra stater, statistiskt förutspådde, är mest sannolikt energiskt otillgänglig för rubren 26. Den sing glada rubren molekyl kan sedan emittera en foton (enligt fluorescens) med energi är tillräcklig för att excitera färgämnet på arbetselektrod på DSC. Denna process visas i Animation 1.
TTA-UC erbjuder ett antal fördelar jämfört med andra UC-system, till exempel ett brett sortiment absorption och osammanhängande natur 27, 28, vilket gör det till ett attraktivt alternativ för coupling med DSC (liksom OPV). TTA-UC har visats i drift vid relativt låga ljusintensiteter och diffusa ljusförhållanden. Både DSC och OPV är mest effektiva i låg ljusintensitet regim. Solar koncentrationen är dyrt och endast motiverat för hög effektivitet, hög kostnads enheter. Den relativt höga prestanda TTA-UC-system i lågintensiva ljusförhållanden är hänförlig till den process som involverar Sensibiliserande kromoforer med starka, breda absorptionsband i samförstånd med långlivade triplettillstånd vilka kan diffundera för att komma i kontakt med samverkande arter . Dessutom har TTA-UC visat sig ha hög inre effektivitet från en kinetisk studie 26.
Även TTA-UC verkar vid låg ljusintensitet, finns det fortfarande en kvadratisk relation mellan infallande ljusintensitet och emitterat ljus (åtminstone vid låga Ijusintensiteter). Detta beror på den bimolekylära beskaffenhet av processen. För att ta hänsynför detta och de olika experimentella förhållanden (speciellt ljusintensitet) rapporteras av olika grupper bör ett godhetstal (FOM) systemet användas för att dosera prestandaförbättringar som erbjuds av uppkonvertering. Denna FoM har definierats som ΔJ SC / ʘ där ΔJ SC är ökningen av kortslutningsström (oftast bestäms genom integration av Incident Photon att ladda Carrier Effektivitet, IPCE, med och utan uppkonvertering effekt) och ʘ är den effektiva sol koncentration (baserat på fotonflödet i den relevanta regionen, är att Q-band absorption av sensibilisator) 2 29.
Häri är ett protokoll för att producera och korrekt karakterisera ett integrerat DSC-TTA-UC enhet rapporteras, med särskild hänsyn till potentiella fallgropar i test av enheten. Förhoppningen är att detta kommer att ligga till grund för fortsatt arbete på detta område.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. DSC Fabrication
1,1. Arbetselektrod Framställning
- Clean en hel ark av F: SnOa 2 belagt glas (110 mm × 110 mm × 2,3 mm, <8 Ω / □) genom ultraljudsbehandling följd i tvålvatten, sedan aceton och slutligen etanol (10 min vardera).
- Sätt in ett tätt lager av TiO 2 följa stegen nedan:
- Torr glas med tryckluft och värmeglas till 450 ° C på värmeplattan (ledande uppåt).
- Späd Titanium diisopropoxid bis (acetylacetonat) (75 vikt% i isopropanol) med etanol i en 1: 9.
- Spraya den utspädda lösningen på upphettas glas från ett avstånd av ~ 100 mm, med fem sprejer över hela glasskivan.
- Spraya en runda per 10 sek i 12 omgångar.
- Håll glaset vid 450 ° C i ytterligare 5 minuter, innan du stänger av plattan. Lämna glaset på kokplattan och låt den långsamt kylas till RT.
- Placera glaset påskärmskrivare tabellen (återigen ledande sidan uppåt). Sätt i skärmen och rikta mönster på glas. Lägg TiO 2 pasta till skärmen och skriva ut ett eller två lager. Om deponera två lager, ta bort glasskiva från skrivare mellan utskrifter, täcker och låt nöja sig med ~ 5 min, sedan värmen till 125 ° C i 10 minuter innan han återvände till skrivaren för att skriva ut ett efterföljande skikt.
- När det slutliga trycket är gjort kör en full sinter program. Värm elektroderna till 150 ° C vid 12,5 ° / min, paus 10 min, därefter till 325 ° C vid 11,7 ° / min, håll 5 min, därefter till 375 ° C vid 10 ° / min, håll 5 min, därefter till 450 ° C vid 10,7 ° / min, paus 30 min och slutligen till 500 ° C vid 10 ° / min, paus 15 min. Kyldes långsamt till RT efter detta.
- Skär masterplattan i individuella elektroder som säkerställer att det finns tillräckligt utrymme runt tryckt film för packningen som skall tillämpas efter. Ta bort alla glasskärvor som använder tryckluft.
- Doppa elektroder i en 20 mM TiCl 4
- När kyls till under 100 ° C, sänk ned elektroderna i en 0,5 mM färglösning. Använd i så fall, D149 i acetonitril: tertbutanol (1: 1).
- Efter färgning O / N ta bort elektroderna och skölj kraftigt i acetonitril för ~ 30 sek tillåter sedan att sitta i ytterligare 30 sekunder. Dra elektroder från sköljbadet och torka med tryckluft.
1,2. Motelektroden Framställning
- Skär ett ark med 2,3 mm F: SnOa 2 glas till 18,3 mm × 27,5 mm bitar.
- Doppa motelektrod i vatten och borra ett litet hål i hörnet (φ = 1 mm, 2,5 mm från varje hörn) att använda som en påfyllningsöppning, med användning av en diamantspets dentala burr monterad i en liten bänk borr.
- Ren motelektrod enligt punkt 1.10,1
- Torr motelektrod och placera på en bricka med ledande sidan uppåt. Applicera en droppe platinasyralösning (H 2 PtCl 6, 10 mM i etanol) och sprids med slutet av en pipett. Placera brickan på förvärmd (400 ° C) värmeplatta i 15 min. Efter detta, ta bort glas och kakel och låt svalna på en bänk.
1.3. Reflektor
- Klipp en bit oled 2 mm glas till 18,3 mm x 27,5 mm och borra två hål i intilliggande hörn längs långsidan, med samma teknik som för motelektroden (avsnitt 1.2.2).
- Rena glas, en gång med användning av samma protokoll som ovan (1.1.1)
- Tape den rena, torra glas till bänken på tre sidor, med hjälp av låg rest tejp. Applicera en droppe Al 2 O 3 pasta (2,0 g 0.3 um Al 2 O 3 partiklar, 2 ml kolloidalt Al 2 O 3 + 1 ml etanol) och drar ner med en glasstav.
- Låt filmen torka, ta bort tejpen och sinter glas vid 500 ° C under 30 min.
1,4. Device Assembly
- Skär två satser av smältlim packningar.
OBS! Första, för DSC, är 25 pm tjock och har inre dimensioner 17 mm x 8 mm och yttermått 21 mm × 12 mm. Den sekund, för uppkonvertering kammaren, använder 60 pm packningsmaterial fördubblats för att ge 120 ìm tjocklek. Hopfälld har denna packning inre dimensioner 17 mm × 21 mm och yttermått 21 mm × 25 mm. - Placera den första packningen i hörnet av motelektroden, vilket garanterar fyllnings porten är åtkomlig. Placera arbetselektrod över detta, så att den tryckta ytan är helt inne i packningen, och erhålla en god tätning.
- Flytta denna enhet till en värmeplatta (120 ° C) och pressa tills packnings mjuknar och smälter, vilket kan observeras visuellt som packnings väter glasytor. Ta bort montering och låt svalna.
- Platsandra packningen på reflektorn, återigen säkerställer påfyllnings hamnar inte omfattas. Placera DSC på toppen så att det tryckta området är direkt framför den tryckta aluminium reflektorn. Än en gång värma enhet samtidigt som trycket tills packningen mjukgör och fastnar, som i avsnitt 1.4.3. Detta aggregat visas i figur 1.
1,5. Fyllning Håligheter
- Bered en elektrolytlösning av 0,1 M Lil, 0,6 M 1,2-dimetyl-3-propylimidazolium jodid och 0,05 M jod i methoxypropionitrile.
- Placera enheten i en liten plastbehållare med vakuumrör fäst, med motelektroden uppåt.
- Placera en droppe av elektrolytlösningen över hålet och en glasbit ovanpå. Tillsätt vakuum för ett par sekunder för att extrahera luft från DSC hålighet, innan du släpper, vilket kommer att dra elektrolyt i håligheten.
- Förbered tätningarna genom lamine smältlim packningsmaterial på aluminiumfolie. Lämna dem på en värmeplatta, gasket materialsidan uppåt. Rengör baksidan av motelektroden noggrant, sedan försegla genom att trycka anordningen mot packningsmaterialet för ~ 5 sek.
- Förbered TTA-UC-lösning genom att lösa 0,6 mM Pd färgämne (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)) och 22 mM av rubren i bensen. Lufta denna lösning noggrant med tre flytande kväve frys-pump-upptiningscykler.
- Inuti ett handskfack, införa TTA-UC-lösning till baksidan hålan, vilket gör att kapillärkrafter för att dra igenom det. När full gång rengöra ytan noggrant och försegla med ett annat stycke aluminium backas packningsmaterial.
2. Mätning
2,1. Elektriska kontakter
- Applicera lod till utsatta F: SnOa 2 arbetssätt och motelektroder med Sonic lödkolv och lämpligt lod. Fäst kablarna till anoden och katoden med hjälp av vanlig lod.
- Applicera UV-härdande epoxi öppna kanter.
OBS: Detta görs för att fungera som en sekundär inkapsling av enheten mot syre inträngande och lösningsmedel avdunstning, samt att öka robustheten i anordningen, särskilt trådfäste. - Fäst anoden och katoden tråd till en öppen BNC-kabel via en kopplingsplint.
2.2. IPCE Mätning Setup
- Att använda konfigurations visas schematiskt i figur 2, montera den integrerade enheten på en cellhållare.
- Belysa en del av den integrerade enheten (~ 2 mm × 1 mm) med en 670 nm kontinuerlig våg laserstråle (den "pumpstrålen") via en spegel på ett justerbart fäste.
- Belysa integrerade TTA-UC DSC med inkoherent kvasi-monokromatiskt ljus (den "sond beam") genereras med en Xe lampa, passerade först genom ett 405 nm långpass filter, sedan en chopper hjulet arbetar vid 29 Hz, en monokromator, en vinklad glasskiva (används här som en ~ 4% stråldelare) och en parabolisk spegel. Generera en bakgrund triplett befolkningen i TTA-UC skikt av spännande UC lagret med pumpstråle, som infaller i en sådan vinkel att den inte belyser avkända DSC aktiva lagret men UC bara lagret.
- Rikta pumpen och sondstråle på TTA-UC skikt med hjälp av justerbar fäste. Mät kortslutningsström som genereras av sonden när den scannas över det synliga spektrumet i steg om 5 nm med hjälp av en dynamisk signal ackvisitionsanordningen, strömförstärkare och egen styrprogram.
- Samtidigt spela in strömvariation av sondtrålen reflekteras från glasskiva med en effektmätare och en fotodiod med analog utgång matas till signal ackvisitionsanordningen. Korrigera J SC från enheten av sonden variationen i programmet.
- Förskjutning pumpstrålen något med hjälp av justerbar fäste, så att den träffar det aktiva skiktet i anordningen intill sondstrålen. Upprepa mätningen med pumpen och sondstråle feljusterad.
- Spela sex uppsättningar av mätningar med inriktning och felaktig inriktning på samma positioner för bättre signalbrusförhållande.
- Minska pumpstrålens intensitet genom att placera på pumpstråle olika neutrala täthetsfilter med kända sändningar vid 670 nm, och upprepa stegen 2.2.4 till 2.2.7 för en rad intensiteter.
- Mät integrerad enhet J SC utan pumpstrålen källan aktiv.
- Mät sondström incidenten på DSC när det gäller ström som genereras av fotodioden genom att placera fotodioden vid provposition.
- Mät överföringen av den studerade enheten med UC kammaren avlägsnas med hjälp av en UV-Synligt spektrofotometer för att få sändningsspektrum, T DSC.
NOTERA: Detta kan växelvis ske i mellan stegen 1,4 och 1,5.
- Mät pumpstrålen makten i DSC läge för varje filtrerings tillstånd används, med hjälp av fotodiod och strömmätare (som beskrivs i avsnitt 2.2.10).
- Ta ett fotografi av pumpstrålen projicerar på en bit av rutnät papper vid en position motsvarande till där TTA skiktet var under försöket. Kraftigt dämpa strålen om det behövs för att förhindra mättnad av kameradetektorn. Använd denna bild och bildanalys programvara för att bestämma pumppunktstorlek.
3 Databehandling
3,1. Interpolera alla data till en nm steg.
3,2. IPCE Bestämning
- Beräkna fotonflödet (φ) når den integrerade anordningen från sonden uppmätta effekten som ström som genereras av fotodioden (I), och elektrisk laddning (q):
- Beräkna cell incident fotonen till konverterade elektroneffektiviteten (IPCE 0) av device från SC mätningen J utan pump belysning och sonden flux.
- Ta förhållandena mellan mätningarna med pump och sond i linje och felriktade att erhålla de relativa förbättringarna från att aktivera upp-omvandlare.
- Solar koncentrationsfaktor bestämning
- Konvertera extinktionskoefficienten för sensibiliseraren i absorption tvärsnitt, σ.
- Skaffa excitation hastigheten för sensibiliserande enligt standarden AM1.5G solens spektrum, (k φ) genom att produkterna av fotonflödestäthet från solens spektrum, transmittans av DSC och sensibiliserande (σ) vid varje våglängd och sedan sammanräkning av produkter över sensibiliserings Q-band absorption, typiskt 600 nm till 750 nm.
- Beräkna, från krafter och fläckstorlek av pumpkällan, de fotonflödestäthet på pumpen med olika neutrala täthetsfilter. Ta sedan produkterna av flödestäthet, transmittans av DSC och sensibiliserande vid670 nm för att få pump excitation priser.
- Beräkna sol koncentrationsfaktor (ʘ) från förhållandet mellan pump excitation hastigheten till excitesatsen enligt AM1.5G betingelser.
3,3. Modell Montering och Figurer av Merit Fastställande
- Montera en modell av den relativa förbättringen = 1 + konstant × (T DSC / IPCE 0) × [(σ pump × σ sond) / (σ pump + σ sond)], på de experimentella förbättringsresultat, där σ pump och σ sond är tvärsnitt med avseende på pumpen och sond våglängder; σ pumpen är fast för varje pump intensitet och σ sond varierar med våglängden.
- Uppskatta förbättring i J SC erhållits från uppkonvertering effekten (ΔJ SC) från skillnaderna mellan IPCE UC och IPCE 0 och solstrålning density.
- Beräkna FoM genom att normalisera ΔJ SC med kvadraten på sol koncentrationsfaktor, eftersom TTA-UC har en kvadratisk beroende av ineffekt vid låg exciteringsintensitet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figurerna 3A - D svar display enhancement mätt under olika mätförhållanden, med effekter diskuteras mer i detalj nedan. Från de råa aktuella förbättringarna täthet bör det vara klart att resultaten i figur 4A och 4B är hänförliga till uppkonvertering, med toppen aktuella förbättringen och IPCE förbättring matchar väl med absorptionsspektrum sensibiliseraren, dämpas av transmission genom det aktiva lagret av DSC.
För att undvika mätnings artefakter som införs genom laser förspänner pumpstråle har justerats för att komma fram till den UC skiktet vid en större vinkel mot sondstrålen, som visas schematiskt i figur 2. Figur 4A visar förbättring utan signifikant förspännande verkan, medan båda figurerna 4C och 4D påverkas av det här problemet. Konsekvensen av korrekt alignment på mätningar visas i figur 4A, där skillnaden i J SC återspeglar absorptionen egendom sensibilisator som har en absorptionstopp vid 675 nm. Förutom absorptionen regionen av medlet och transparenta området på enheten, är skillnaden i J SC inbäddade i brus.
En betydande relativ IPCE förbättring av den integrerade enheten i den röda delen av det synliga spektrumet kan observeras i figur 4C. Men insatsen i Figur 4C, som visar skillnaden mellan inriktade och dåligt anpassade J SC mätningar, inte återspeglar den spektrala egendom sensibiliserande. Anpassningen av pump och sond tycks öka cell prestanda över hela det synliga spektrumet och föreslår att förbättringen kommer från trap-fyllning som förbättrar resultatet på enheten, på grund av laser polarisering 30.
För att verlikrikta misstanken var integrerad enhet ersätts av en analog enhet förutom att UC kammaren lämnades tomt (Figur 4D). Under samma experimentella skick, har förstärkning funnit över det synliga spektrumet. Det bekräftar den tidigare förstärkningseffekten kommer från laser förspänning istället för TTA-UC. I fallet med enheten utan TTA-UC-lösning, eftersom majoriteten av lasern sprids tillbaka till enheten, är den störande effekten ännu större.
Figur 5 expanderar vid de resultat som visas i figurerna 4A och 4B. I detta fall var ljusintensiteten hos pumpstrålen justeras 6-27 ʘ. ΔJ SC ses att skala med kvadraten på ljusintensitet, enligt förväntan (makt lag passar 2,02). Som sådan är FOM ses vara ljusintensiteten oberoende, vilket tyder på att TTA-UC-system är begränsad genom bimolekylära processer.
: Keep-together.within-page = "always"> 
Animation 1:. Schematisk drift av triplett-triplett annihilation foton uppkonvertering med PQ4PdNA medlet och rubren emitter, vilket resulterar i belysning av D149 färgämne och efterföljande elektron injektion i TiO 2 klicka gärna här för att se en större version av denna siffra.
Figur 1 Enhetskonfiguration, före införandet av flytande komponenter. Lager placeras tillsammans och förseglas genom applicering av värme för att mjuka packningsskikten."> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Setup för förbättring mätningen. Den integrerade anordnings bestrålas med modulerad inkoherent monokromatiskt ljus från en vit ljuskälla (laserdriven lampa) passera genom en monokromator, och achromatically fokuseras på provet genom en off-axis parabolisk spegel. Sonden ljuset delas med ett glasfilter (beam slitter) och det reflekterade sond ljus detekteras av en fotodiod ansluten till en kraftmätare. TTA-UC lager av den integrerade enheten är ständigt upphetsad av en 670 nm kontinuerlig våg laser (pump) för att generera bakgrunds trillingar så att TTA-UC förstärkningseffekten som ska sonderas med den svaga monokromatisk stråle. Utströmmen från anordningen matas genom en strömförstärkare och measured av inlåsnings förstärkning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Representativa data som visar (A) den relativa IPCE förbättring (col (anpassad) / col (Felinriktad) och svarsskillnad (col (anpassad) col (Felinriktad) i genomsnitt från sex linje och sex dåligt anpassade mätningar. Responsen skillnaden bekräftar spektral form IPCE förbättring är från under bandgap ljus skördas av sensibiliserings av de upp-omvandlare, eftersom förbättringen spektralform matcher till Q-band absorption av medlet och (B) den relativa förbättringen modellen monteras (beskrivits tidigare 31) på en experimentell IPCE förstärkningskurvan av least-rutor passande. I modellen ingår celltransmittans, den ursprungliga cellen IPCE (ingen pump) och tvärsnitt sensibiliserings absorption motsvarande sond och pumpkälla. Den modellerade förstärkningskurvan används sedan för att beräkna ytterligare kortslutningsström som genereras från TTA-UC och därmed FoM. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 IPCE förbättring (under 27 ʘ) spår för (A) en integrerad enhet med korrekt förskjutning mätning (infälld visar vinsten i raw svar), (B) modellerade relativt IPCE förbättring spår för data i (A) med infälld visar råa nuvarande svarskurvor för anordningen with pump och sondstråle i linje och feljusterade (C) i samma enhet som i (A) förutom att pumpen och sonden är inriktade på samma plats på den aktiva elektroden, vilket resulterar i en mätning artefakt, beskrivs i texten (D) en identisk produkt med en tom UC kammare, mätt enligt (C), ytterligare belysa detta mätproblem, med infälld visar vinsten i rå svar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5 FoM beroende av den integrerade enheten solenergi koncentrationsfaktor. Inset visar beroendet av beräknade strömförstärkning (ΔJ SC) från TTA-UC med båda axlarna påen logaritmisk skala.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokollet ger ett medel för att uppnå foton uppkonvertering förbättrad DSC och information om hur man korrekt mäta en sådan anordning. FOM möjliggör enkel beräkning av förväntade förbättringar ΔJ SC kan förväntas vid olika ljusintensitet, även på 1 solen. De värden som visas här är invariant med ljusintensitet (infälld i Figur 4), enligt förväntan när systemet är under sin mättnadsgränsen 33. Med FoM kan vi standardisera förstärkningseffekten av TTA-UC eller andra icke linjära UC processer för att möjliggöra enkel jämförelse.
Även om FOM värden som erhölls i denna studie är den högsta bland de rapporterade FOMS för DSCs, de är fortfarande långt från kommersiella intressen (~ 1 mA ∙ cm -2 ʘ -2). Utöver detta, kan förbättringar i denna skala vara problematiskt att mäta. I den här rapporten (särskilt i figurerna 3C och 3D) ee farorna med felaktig mätteknik visas, där pumpen trålen orsakar en (något) oväntade problem. Denna fråga kan vara unika för DSCs, men om det finns någon osäkerhet är det viktigt att kontrollexperiment (som visas i figur 3D) genomförs och villkor ändras i enlighet därmed.
Det finns några begränsande faktorer som begränsar prestanda TTA-UC. Först av allt är den triplett avklingningshastighet av emittern, rubren (~ 8000 sek -1 34), vilket är mycket snabbare än den exciteringshastigheten av sensibilisator enligt en ʘ belysning (6,8 sek -1) medan TTA hastigheten rubren trillingar är bara ~ 1 × 10 8 M -1 s -1, tre storleksordningar under diffusion gränsen rubren i vanliga organiska lösningsmedel 35. Konsekvensen av detta är att majoriteten av triplett rubren sönderfaller till grundtillståndet innan du utför TTA.
För attminska mängden rubren trillingar genomgår unimolekylära sönderfall före TTA en kan försöka öka triplett koncentration, genom ökning av sensibilisator koncentration. Tyvärr, porfyriner i lösning tenderar att aggregera vid höga koncentrationer, och sensibiliserings-sensibiliserings TTA kan ske. En möjlig lösning att övervinna dessa problem är att fästa sensibilisatorer på oorganiska nanopartiklar ytor 36. Som sådan, höga koncentrationer av (relativt) immobiliserade sensibiliserande kan bo med minskad självsläckning, och kan öka den lokala koncentrationen av trillingar tillgängliga för effektiv TTA.
Den sensibilisator användes i denna studie inte är idealisk för den kopplade DSC, såsom Q-band absorption av porfyrin lappar med DSC absorption insättande (600-700 nm). Således finns det förluster i genomlysning tillgängliga för TTA-UC, effektiviteten är beroende av triplett koncentration och därmed fotonflöde. Vi räknar med att mäta en mer signivärd förbättring med ett sensibiliseringsmedel som absorberar djupare i nära infrarött med liknande intersystemkorsning effektivitet till en som används i denna studie. FOM erbjuder en bekväm metrisk av jämförelsen, om och när ett sådant system kännetecknas.
Färgämnet används här, D149, är bland de bäst presterande organiska färgämnen som DSC, dock andra, såsom N719 eller "svart färgämne" har ytterligare rödskiftade absorption inträden 3. För TTA-UC för att förbättra dessa enheter, lämpliga porfyriner med Q-band absorption vid våglängder behöver större än 900 nm för att skapas. Å andra sidan, den högsta rapporterade DSC effektivitet hittills har en absorption debut av ~ 730 nm 37, endast marginellt bortom starten för det färgämne som används här.
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).
