एक triplet-triplet विनाश अप रूपांतरण प्रणाली को एकीकृत उप bandgap लाइट के लिए डाई अवगत सौर सेल प्रतिक्रिया बढ़ाने के लिए
Summary
एक डाई अवगत सौर सेल और triplet-triplet विनाश अप रूपांतरण इकाई शामिल एक एकीकृत उपकरण, सौर स्पेक्ट्रम का एक व्यापक अनुभाग से बढ़ाया प्रकाश कटाई affording, उत्पादन किया गया था. मामूली विकिरण के स्तर के तहत कम ऊर्जा फोटॉनों के लिए एक काफी बढ़ाया प्रतिक्रिया डाई अवगत सौर कोशिकाओं के लिए योग्यता का एक रिकॉर्ड आंकड़ा उपज का प्रदर्शन किया गया था.
Abstract
लाल और अवरक्त प्रकाश में डाई अवगत सौर कोशिकाओं (DSCs) की खराब प्रतिक्रिया उच्च photocurrents और इसलिए उच्च क्षमता की प्राप्ति के लिए एक महत्वपूर्ण बाधा है. फोटॉन ऊपर रूपांतरण triplet-triplet विनाश के रास्ते से (TTA-यूसी) एक हानिकारक ढंग से photoanodic प्रदर्शन के साथ हस्तक्षेप नहीं करते हुए, photocurrent निर्माण करने के लिए इन अन्यथा व्यर्थ कम ऊर्जा फोटॉनों प्रयोग करने के लिए एक आकर्षक तकनीक है. इसके अलावा इस के लिए, TTA-यूसी DSC प्रौद्योगिकी के साथ युग्मन के लिए यह विशेष रूप से उपयुक्त renders जो अन्य सूचना दी फोटॉन ऊपर रूपांतरण प्रौद्योगिकियों से अलग सुविधाओं के एक नंबर दिया है,. एक पैलेडियम porphyrin sensitizer और rubrene emitter जिसमें यह काम करते हैं, एक सिद्ध उच्च प्रदर्शन TTA-यूसी प्रणाली में, एक एकीकृत डिवाइस में एक उच्च प्रदर्शन डीएससी (कार्बनिक डाई D149 उपयोग) के साथ संयुक्त है. डिवाइस उच्चतम फाई में जिसके परिणामस्वरूप TTA-यूसी उप इकाई के अवशोषण सीमा पर उप bandgap प्रकाश के लिए एक बढ़ाया प्रतिक्रिया से पता चलता हैतारीख करने के लिए डीएससी प्रदर्शन सहायता अप रूपांतरण के लिए योग्यता के gure.
Introduction
डाई अवगत सौर कोशिकाओं (DSCs) सस्ती सौर ऊर्जा संग्रह 1-3 में एक होनहार अवधारणा के रूप में घोषित किया गया है. इस उत्साह के बावजूद, बड़े पैमाने पर व्यावसायीकरण होने के लिये अभी बाकी है. कारणों में से एक नंबर एक जरूरी मुद्दे इन उपकरणों 4 से प्राप्त प्रकाश कटाई दक्षता सीमित अवशोषण शुरुआत की अपेक्षाकृत उच्च ऊर्जा के साथ जा रहा है, इस के लिए आगे डाल दिया गया है. इस पर काबू पाने जा सकता है, अवशोषण शुरुआत को कम आम तौर पर अधिकतर वर्तमान घनत्व 5, 6 में किसी भी लाभ के क्षीण है जो खुले सर्किट वोल्टेज में एक बूंद, के साथ है.
DSCs के सामान्य ऑपरेशन एक redox मध्यस्थ द्वारा ऑक्सीकरण डाई के उत्थान के बाद अर्धचालक (आमतौर पर TiO 2), एक photoexcited डाई से इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण शामिल है. इन दोनों प्रक्रियाओं को उच्च क्षमता 7 के साथ आगे बढ़ने के लिए पर्याप्त ड्राइविंग बलों (संभावित) की आवश्यकता दिखाई देते हैं </sup>. इस तरह के महत्वपूर्ण निहित नुकसान के साथ यह इन उपकरणों के लिए इष्टतम अवशोषण शुरुआत ऊर्जा के क्षेत्र में काफी अधिक है कि स्पष्ट हो जाता है. इसी तरह की समस्याओं प्रभावी प्रभारी जुदाई के लिए आवश्यक बड़ी रासायनिक ड्राइविंग बलों के लिए एक बार फिर से कारण जैविक फोटोवोल्टिक (ओपीवी), के लिए मौजूद हैं. तदनुसार, इन प्रौद्योगिकियों के दोनों पर आधारित एकल जंक्शन उपकरणों के लिए ऊपरी सौर करने वाली बिजली रूपांतरण दक्षता सीमा की भविष्यवाणियों विस्तृत (प्रभावी) बैंड अंतराल 4 के साथ अवशोषक शामिल है.
ऊपर उठाया प्रकाश कटाई मुद्दे पर काबू पाने के लिए, दृष्टिकोण के एक नंबर ले लिया गया है. इस 'तीसरी पीढ़ी' मिलकर संरचनाओं 9, 10 और फोटोन अपकंवर्शन 11-14 के 8 दृष्टिकोण शामिल है.
हाल ही में 11 हम प्रणाली में शामिल (TTA-यूसी) ऊपर रूपांतरण आधारित एक triplet-triplet विनाश के साथ एक DSC काम और काउंटर इलेक्ट्रोड से बना एक एकीकृत उपकरण, सूचना दीसंरचना करने के लिए. इस TTA-यूसी तत्व सक्रिय परत के माध्यम से प्रेषित लाल बत्ती फसल और रासायनिक डीएससी की सक्रिय परत द्वारा अवशोषित किया जा सकता है जो उच्च ऊर्जा फोटॉनों (नीचे विस्तार में वर्णित है) इसे बदलने और photocurrent उत्पन्न करने में सक्षम था. इस प्रणाली के बारे में टिप्पणी करने के लिए दो महत्वपूर्ण बातें हैं. सबसे पहले, TTA-यूसी अन्य फोटॉन अपकंवर्शन सिस्टम 11 से अधिक कई संभावित फायदे हैं; दूसरी बात यह है कि बात करने TTA-यूसी साहित्य ऊपर से कमी की गई थी जो TTA-यूसी, के समावेश के लिए एक व्यवहार्य वास्तुकला (सबूत की सिद्धांत) को दर्शाता है.
TTA-यूसी 15-24 की प्रक्रिया डिवाइस शुरुआत ऊर्जा नीचे ऊर्जा के साथ प्रकाश से, इस मामले पी.डी. porphyrins में, 'sensitizer' अणुओं की उत्तेजना शामिल है. स्वेटर उत्साहित sensitizers सबसे कम ऊर्जा triplet राज्य को तेजी से intersystem पार से गुजरना. वहाँ से, वे एक जमीन राज्य triplet स्वीकार 'emitter & # करने के लिए ऊर्जा हस्तांतरण कर सकते हैं8217; ऐसे rubrene रूप प्रजाति है, जब तक स्थानांतरण मुक्त ऊर्जा 25 से अनुमति दी है. rubrene के पहले triplet राज्य (टी 1) दो त्रिक उत्साहित rubrenes की एक मुठभेड़ परिसर को मिटा सकते हैं जिसका अर्थ है कि अपनी पहली उत्साहित स्वेटर राज्य (एस 1) लेकिन टी 2 के आधे से भी कम ऊर्जा की आधी ऊर्जा से अधिक होता है एक काफी उच्च संभावना के साथ एक स्वेटर उत्साहित emitter अणु (और जमीन राज्य में अन्य) दे. अन्य राज्यों, सांख्यिकीय भविष्यवाणी की सबसे अधिक संभावना rubrene 26 के लिए उर्जा की दुर्गम हैं. स्वेटर उत्साहित rubrene अणु तो डीएससी के काम कर इलेक्ट्रोड पर डाई उत्तेजित करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा के साथ (प्रतिदीप्ति के अनुसार) एक फोटान उत्सर्जन कर सकते हैं. इस प्रक्रिया एनिमेशन 1 में दिखाया गया है.
TTA-यूसी यह cou के लिए एक आकर्षक विकल्प बना रही है, इस तरह के एक व्यापक अवशोषण रेंज और बेतुका प्रकृति 27, 28 के रूप में अन्य यूसी प्रणाली, की तुलना में लाभ के एक नंबर प्रदान करता है(ओपीवी के रूप में भी) डीएससी साथ pling. TTA-यूसी अपेक्षाकृत कम रोशनी की तीव्रता में और फैलाना प्रकाश व्यवस्था की स्थिति में संचालन का प्रदर्शन किया गया है. डीएससी और ओपीवी दोनों कम प्रकाश की तीव्रता शासन में सबसे अधिक कुशल हैं. सौर एकाग्रता महंगा और उच्च दक्षता, उच्च लागत के उपकरणों के लिए केवल न्यायोचित है. कम तीव्रता प्रकाश व्यवस्था की स्थिति में TTA-यूसी प्रणाली के अपेक्षाकृत उच्च प्रदर्शन बातचीत प्रजातियों के साथ संपर्क में आने के क्रम में diffusing में सक्षम हैं जो लंबे समय रहते triplet राज्यों के साथ मिलकर मजबूत, व्यापक अवशोषण बैंड के साथ sensitizer chromophores शामिल प्रक्रिया के कारण है . इसके अलावा, TTA-यूसी एक काइनेटिक अध्ययन 26 से उच्च आंतरिक क्षमता है पाया गया है.
TTA-यूसी कम प्रकाश की तीव्रता पर चल रही है, कम से कम (कम रोशनी की तीव्रता में) घटना प्रकाश तीव्रता और उत्सर्जित प्रकाश के बीच एक द्विघात संबंध अभी भी वहाँ है. इस प्रक्रिया के bimolecular प्रकृति की वजह से है. खाते मेंइस और विभिन्न समूहों द्वारा रिपोर्ट विभिन्न प्रयोगात्मक शर्तों (विशेष रूप से प्रकाश की तीव्रता) के लिए, योग्यता (FOM) प्रणाली का आंकड़ा मीटर तक अपकंवर्शन द्वारा की पेशकश प्रदर्शन को बढ़ाने नियोजित किया जाना चाहिए. इस FoM ΔJ अनुसूचित जाति और ʘ (आमतौर पर वाहक अपकंवर्शन प्रभाव के साथ और बिना क्षमता, IPCE, प्रभारी को घटना फोटॉन के एकीकरण के द्वारा निर्धारित) शॉर्ट सर्किट वर्तमान में वृद्धि हुई है जहां ΔJ अनुसूचित जाति / ʘ, के रूप में परिभाषित किया गया है प्रभावी सौर है एकाग्रता 2 29 (प्रासंगिक क्षेत्र में फोटोन प्रवाह के आधार पर, कि sensitizer के क्यू बैंड अवशोषण होता है).
इस के साथ साथ, एक एकीकृत DSC-TTA-यूसी डिवाइस के उत्पादन और सही ढंग से निस्र्पक के लिए एक प्रोटोकॉल डिवाइस परीक्षण में संभावित नुकसान के लिए विशेष ध्यान दे, की सूचना दी है. यह इस इस क्षेत्र में आगे काम के लिए एक आधार के रूप में काम करेगा कि आशा की जाती है.
Protocol
Representative Results
Discussion
इस प्रोटोकॉल ऊपर रूपांतरण बढ़ाया DSC और विस्तार सही ढंग से इस तरह के एक उपकरण को मापने के लिए कैसे पर फोटोन को प्राप्त करने के लिए एक साधन प्रदान करता है. प्रत्याशित ΔJ अनुसूचित जाति सुधार की साधारण गण?…
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).
