L'intégration d'un système Annihilation Up-conversion triplet triplet visant à accroître à colorant cellule solaire réponse au sous-bande interdite Lumière
Summary
Dispositif intégré, comportant une cellule et triplet-triplet solaire annihilation up-conversion d'unité à colorant a été produit, ce qui donne une meilleure exploitation de la lumière, à partir d'une section plus large du spectre solaire. Compte tenu des niveaux d'irradiation modestes une réponse grandement accrue de photons de basse énergie a été démontrée, ce qui donne un chiffre record de mérite pour les cellules solaires à colorant.
Abstract
Le faible taux de réponse des cellules solaires à colorant (CDD) à la lumière rouge et infrarouge est un obstacle important à la réalisation de photoélectriques plus élevés et l'efficacité donc plus élevés. Photon up-conversion par voie de triplet-triplet annihilation (TTA-UC) est une technique intéressante pour l'utilisation de ces photons de basse énergie qui serait autrement perdue pour produire photoélectrique, tout en n'interférant pas avec la performance photoanodic d'une manière délétère. Suite à cela, le TTA-UC a un certain nombre de fonctions, distinct des autres photons conversion technologies mises rapportées, ce qui le rend particulièrement adapté pour un couplage avec la technologie de DSC. Dans ce travail, un système performant TTA-UC prouvé, comprenant un sensibilisateur palladium de porphyrine et émetteur rubrène, est combiné avec un DSC haute performance (en utilisant le D149 de colorant organique) dans un dispositif intégré. L'appareil affiche une meilleure réponse à la lumière sous-bande interdite sur la plage de l'absorption de la sous-unité TTA-UC résultant dans la plus haute figure de mérite pour up-conversion assistée performances de DSC à ce jour.
Introduction
Cellules solaires à colorant (CDD) ont été proclamés comme un concept prometteur dans la collecte de l'énergie solaire abordable 1-3. En dépit de cet enthousiasme, commercialisation généralisée est encore à venir. Un certain nombre de raisons ont été avancées pour cela, avec un problème urgent étant l'énergie relativement élevée de l'apparition d'absorption, ce qui limite l'efficacité réalisables lumière de la récolte de ces dispositifs 4. Bien que cela peut être surmonté, en abaissant le début d'absorption est généralement accompagnée par une baisse de la tension en circuit ouvert, qui érode de façon disproportionnée des gains de densité de courant 5, 6.
Le fonctionnement général de DSC implique le transfert d'électrons à partir d'un colorant photoexcitée à un semi-conducteur (en général du TiO 2), suivie de la régénération du colorant oxydé par un médiateur d'oxydoréduction. Ces deux processus semblent exiger forces motrices importantes (potentiel) afin de procéder avec une grande efficacité 7 </sup>. Avec de telles pertes inhérentes importantes, il devient évident que l'apparition d'absorption optimale pour ces appareils est relativement élevé en énergie. Des problèmes similaires existent pour le photovoltaïque organique (OPV), en raison une fois de plus les grandes forces motrices chimique requis pour la séparation de charge efficace. En conséquence, les prévisions de limites d'efficacité de conversion solaire-à-électrique supérieure aux dispositifs de jonction simples basés sur ces deux technologies impliquent absorbeurs avec de larges lacunes 4 bandes (efficace).
Afin de surmonter le problème de la récolte lumière élevée au-dessus, un certain nombre d'approches ont été prises. Cela comprend la «troisième génération» 8 approches de structures en tandem 9, 10 et photons conversion ascendante 11-14.
Récemment 11 nous avons comptabilisé un dispositif intégré composé d'une électrode DSC de travail et comptoir, avec une annihilation triplet-triplet à base d'up-conversion (TTA-UC) système incorporé dansà la structure. Cet élément TTA-UC a pu récolter lumière rouge transmise à travers la couche active et la convertir chimiquement (comme décrit en détail ci-dessous) pour les photons de l'énergie qui peut être absorbée par la couche active de la DSC et générer un photocourant. Il ya deux points importants à noter à propos de ce système. Tout d'abord, TTA-UC présente de nombreux avantages potentiels par rapport aux autres systèmes de photons conversion ascendante 11; d'autre part, il démontre une architecture possible (la preuve de principe) pour l'incorporation de TTA-UC, qui avait été absente de la TTA-UC littérature jusqu'à ce point.
Le procédé de la TTA-UC 15-24 implique l'excitation de molécules sensibilisatrices '", dans ce cas des porphyrines de Pd, par de la lumière avec une énergie inférieure à l'énergie déclenchement de l'appareil. Les sensibilisateurs singulet excité subissent croisement intersystème rapide de l'état triplet plus basse énergie. De là, ils peuvent transférer de l'énergie à un état fondamental triplet acceptant 'émetteur & #8217; espèces telles que le rubrène, tant que le transfert est autorisé par l'énergie libre 25. Le premier état triplet de rubrène (T 1) est supérieure à la moitié de l'énergie de son premier état singulet excité (S 1), mais moins de la moitié de l'énergie du T 2, ce qui signifie que d'un complexe de rencontre de deux rubrenes triplet excité peut anéantir d' donner une molécule singulet excité d'émetteur (et l'autre dans l'état du sol) avec une probabilité assez élevée. D'autres Etats, statistiquement prévisibles, sont les plus susceptibles énergie inaccessible pour rubrène 26. La molécule de singulet excité rubrène peut alors émettre un photon (comme par fluorescence) avec une énergie suffisante pour exciter le colorant sur l'électrode de travail de la DSC. Ce processus est illustré dans une animation.
TTA-UC offre un certain nombre d'avantages par rapport à d'autres systèmes de communications unifiées, comme une bande d'absorption large et la nature incohérente 27, 28, ce qui en fait une option attrayante pour coupling par DSC (ainsi que OPV). TTA-UC a été démontré d'exploitation relativement faibles intensités lumineuses et dans des conditions d'éclairage diffus. Sont à la fois DSC et VPO plus efficace dans le régime de l'intensité lumineuse faible. Concentration solaire est coûteuse et ne se justifie que pour le rendement élevé, des dispositifs de coûts élevés. La performance relativement élevé des systèmes TTA-UC dans des conditions de faible éclairage d'intensité est attribuable au processus impliquant chromophores sensibilisant avec des bandes d'absorption forte, large, de concert avec les États triplet à long terme qui sont capables de diffuser dans l'ordre d'entrer en contact avec des espèces en interaction . En outre, TTA-UC a été constaté que l'efficacité intrinsèque élevée à partir d'une étude cinétique 26.
Bien TTA-UC fonctionne à faible intensité de la lumière, il ya toujours une relation quadratique entre l'intensité de la lumière incidente et la lumière émise (au moins à de faibles intensités lumineuses). Cela est dû à la nature du processus bimoléculaire. Pour tenir comptepour cela et les conditions expérimentales variées (en particulier de l'intensité lumineuse) déclarés par les différents groupes, une figure de système de mérite (FOM) doit être utilisé pour mesurer l'amélioration de la performance offerte par la conversion ascendante. Cette FoM a été définie comme écart DJ SC / ʘ, où écart DJ SC est l'augmentation du courant de court-circuit (généralement déterminé par l'intégration de la Photon incident pour charger efficacité Carrier, IPCE, avec et sans l'effet de la conversion ascendante) et ʘ est le solaire efficace concentration (sur la base du flux de photons dans la région en question, qui est la bande d'absorption Q du sensibilisateur) 29 2.
Ici, un protocole pour la production et correctement caractériser un dispositif DSC-TTA-UC intégrée est rapporté, en accordant une attention particulière aux pièges potentiels dans les tests de l'appareil. On espère que cela servira de base à la poursuite des travaux dans ce domaine.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce protocole fournit un moyen de parvenir à photon up-conversion DSC amélioré et des détails sur la façon de mesurer correctement un tel dispositif. L'ODM permet pour la simple calcul d'améliorations écart DJ SC prévus à prévoir à différentes intensités de lumière, y compris au 1 soleil. Les valeurs indiquées ici sont invariantes avec une intensité lumineuse (encart de la figure 4), par l'attente lorsque le système est en dessous de son seuil de saturation 33…
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
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