De integratie van een Drietal-triplet Annihilation Up-conversie systeem om Dye-zonnecel Response to Sub-bandgap Light Enhance
Summary
Een geïntegreerd apparaat, voorzien van een kleurstof zonnecel en triplet-triplet annihilatie up-conversie-eenheid werd geproduceerd, bieden verbeterde licht oogsten, uit een breder deel van het zonnespectrum. Onder bescheiden bestraling niveaus een aanzienlijk verbeterde respons op lage energie fotonen werd aangetoond, wat een recordcijfer van verdienste voor-kleurstof zonnecellen.
Abstract
De slechte respons van kleurstof zonnecellen (DSC's) naar rood en infrarood licht is een belangrijke belemmering voor de realisatie van hogere fotostromen en dus hogere rendementen. Foton up-conversie door middel van een triplet-triplet annihilatie (TTA-UC) is een aantrekkelijke techniek voor het gebruik van deze anders verloren lage energie fotonen photocurrent produceren, terwijl het niet interfereren met de photoanodic prestaties in een schadelijke manier. Naar aanleiding van deze, TTA-UC heeft een aantal kenmerken, onderscheiden van andere gemeld foton up-conversie technologieën, waardoor het bijzonder geschikt voor het koppelen met de DSC-technologie maakt. In dit werk, een bewezen hoogwaardige TTA-UC, omvattende een palladium porfyrine sensibilisator en rubreen emitter, gecombineerd met een hoge prestatie DSC (met behulp van de organische kleurstof D149) in een geïntegreerd apparaat. Het apparaat geeft een verbeterde respons op sub-bandgap licht over de absorptie bereik van de TTA-UC sub-eenheid resulteert in de hoogste figuur van verdienste voor het up-conversie bijgestaan DSC prestaties tot nu toe.
Introduction
-Kleurstof zonnecellen (DSC's) zijn uitgeroepen als een veelbelovend concept in betaalbare zonne-energie verzamelen 1-3. Desondanks enthousiasme wijdverspreide commercialisering nog plaatsvinden. Een aantal redenen naar voren gebracht voor dit, met een dringende kwestie zijn de relatief hoge energie van de opname ontstaan, het beperken van het haalbare licht oogsten efficiëntie van deze apparaten 4. Hoewel dit kan worden overwonnen, het verlagen van de absorptie onset typisch gepaard met een daling van de nullastspanning die onevenredig erodeert elke winst in stroomdichtheid 5, 6.
De algemene werking van DSC omvat elektronoverdracht van een geëxciteerde kleurstof een halfgeleider (typisch TiO2), gevolgd door de regeneratie van de geoxideerde kleurstof door een redox mediator. Beide werkwijzen blijken belangrijke drijvende krachten (potentiële) om verder te gaan met hoge efficiency 7 vereisen </sup>. Met zo'n groot inherent verliezen, wordt het duidelijk dat de optimale absorptie ontstaan voor deze apparaten is redelijk hoog in energie. Soortgelijke problemen bestaan voor organische zonnecellen (OPV), als gevolg van opnieuw de grote chemische drijvende krachten die nodig zijn voor een effectieve lading scheiding. Dienovereenkomstig voorspellingen van de bovenste zonne-to-elektrische conversie-efficiëntie grenzen aan enkele knooppunt apparaten op basis van deze beide technologieën te betrekken dempers met brede (effectieve) band 4 openingen.
Om het licht harvesting probleem hierboven gesteld overwinnen, hebben een aantal benaderingen genomen. Dit geldt ook voor de 'derde generatie' 8 benaderingen van tandem structuren 9, 10 en foton upconversion 11-14.
Onlangs 11 meldde we een geïntegreerd apparaat bestaat uit een DSC werken en contra-elektrode, met een triplet-triplet vernietiging gebaseerde up-conversie (TTA-UC)-systeem ingebouwd inde structuur. Dit element TTA-UC kon rood licht dat door de actieve laag oogsten en chemisch omzetten (zoals hieronder in detail beschreven) om hogere energie fotonen die kunnen worden opgenomen door de actieve laag van de DSC en het genereren fotostroom. Er zijn twee belangrijke punten op te merken over dit systeem. Ten eerste, TTA-UC heeft vele potentiële voordelen ten opzichte van andere foton up-conversie systemen 11; ten tweede toont een haalbare architectuur (proof-of-principle) voor de integratie van TTA-UC, die had ontbroken van de TTA-UC literatuur tot op dat moment.
Werkwijze TTA-UC 15-24 omvat de excitatie van 'sensibilisator' molecules, in casu Pd porfyrines, door licht energie onder het toestel onset energie. De singlet-enthousiast sensitizers ondergaan snelle intersystem oversteek naar de laagste energie-triplet toestand. Van daaruit kunnen ze de energie over te dragen aan een grond-state-triplet accepteren van 'zender & #8217; soorten zoals rubreen, zolang de overdracht toegestaan door vrije energie 25. De eerste triplet toestand van rubreen (T1) groter is dan de helft van de energie van de eerste aangeslagen singlet toestand (S1), maar minder dan de helft van de energie van T2, waardoor steeds ontmoetingscomplex twee triplet-aangeslagen rubrenes kan vernietigen om geven een singlet aangeslagen emitter molecule (en de andere in de grondtoestand) met een vrij hoge waarschijnlijkheid. Andere staten, statistisch voorspeld, zijn het meest waarschijnlijk energetisch ontoegankelijk voor rubreen 26. De singlet aangeslagen rubreen molecule kan vervolgens uitzenden een foton (volgens fluorescentie) met voldoende energie om de kleurstof te wekken op de werkelektrode van de DSC. Dit proces wordt getoond in Animatie 1.
TTA-UC biedt een aantal voordelen ten opzichte van andere UC systemen, zoals een breed absorptiespectrum en onsamenhangend natuur 27, 28, waardoor het een aantrekkelijke optie voor couPling met DSC (evenals OPV). TTA-UC is aangetoond werken bij relatief lage lichtintensiteiten en in diffuus licht. Zowel DSC en OPV zijn het meest efficiënt in het lage licht regime intensiteit. Zonne-concentratie is duur en alleen te rechtvaardigen voor een hoge efficiëntie, hoge kosten apparaten. De relatief hoge prestaties van TTA-UC-systemen in een lage intensiteit lichtomstandigheden is toe te schrijven aan het proces waarbij sensibiliserend chromoforen met een sterke, brede absorptie bands in concert met langlevende triplet toestanden die in staat zijn te diffunderen in orde zijn in contact met de interactie soorten komen . Daarnaast heeft TTA-UC bleken hoge intrinsieke efficiëntie van een kinetische studie 26.
Hoewel TTA-UC werkt bij lage lichtintensiteit, er nog steeds een kwadratische relatie tussen invallende lichtintensiteit en uitgezonden licht (althans bij lage lichtintensiteiten). Dit komt door de bimoleculaire aard van het proces. Om rekening te houdenvoor deze en de gevarieerde experimentele omstandigheden (in het bijzonder de lichtintensiteit) gerapporteerd door verschillende groepen, moet een cijfer van verdienste (FOM)-systeem worden gebruikt om te meten de verbetering van de prestaties die door up-conversie. Deze FoM is gedefinieerd als ΔJ SC / ʘ, waar ΔJ SC is de stijging van de kortsluitstroom (meestal bepaald door integratie van de Incident Photon aan Vervoerder Efficiency, Ipce, met en zonder de up-conversie effect opladen) en ʘ is de effectieve zonne- concentratie (gebaseerd op de foton flux in de relevante regio, dat de Q-band opname van de sensibilisator) 2 29.
Hierin is een protocol voor het produceren en correct karakteriseren een geïntegreerde DSC-TTA-UC-apparaat gemeld, met speciale aandacht voor mogelijke valkuilen bij het testen apparaat. Het is te hopen dat dit zal dienen als basis voor verdere werkzaamheden op dit gebied.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol voorziet in een middel om foton up-conversie verbeterde DSC en informatie over hoe je een dergelijk apparaat correct te meten bereiken. Het FoM zorgt voor de eenvoudige berekening van het verwachte verbeteringen ΔJ SC worden verwacht bij verschillende lichtintensiteiten, ook op 1 zon. De hier getoonde waarden zijn invariant met lichtintensiteit (inzet van figuur 4), volgens verwachting wanneer het systeem onder de verzadiging drempel 33. Met de FoM, kunnen we de verst…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
A.N. acknowledges contributions from the Australian Renewable Energy Agency (ARENA) and the Australian National Fabrication Facility (ANFF). This research project is funded by the Australian Solar Institute (6-F020 and A-023), with contributions from The New South Wales Government and the University of Sydney. Aspects of this research were supported under Australian Research Council’s Discovery Projects funding scheme (DP110103300). Equipment was purchased with support from the Australian Research Council (LE0668257).
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| (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 | Kilip 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 |
| F:SnO2 glass | Hartford | TEC8 | 2.3mm, < 8 Ω/□ |
| 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 | N/A | 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. Photoelectrochemical cells. Nature. 414 (6861), 338-344 (2001).
- Hagfeldt, A., Boschloo, G., Sun, L., Kloo, L., Pettersson, H. Dye-Sensitized Solar Cells. Chem. Rev. 110 (11), 6595-6663 (2010).
- 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. , (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. Entropically Driven Photochemical Upconversion. J. Phys. Chem. A. 115, 1047-1053 (2011).
- 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., Kosyachenko, L. A. Dye-Sensitized Solar Cells: Basic Photon Management Strategies. Solar Cells – Dye-Sensitized Devices. , 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).
