L'integrazione di un Triplet-tripletta Annihilation sistema Up-conversione per migliorare Dye-sensibilizzati Risposta Solar Cell a Sub-bandgap Luce
Summary
Un dispositivo integrato, che incorpora una cella e tripletta-tripletta annientamento solare unità dye-sensibilizzate up-conversione è stato prodotto, offrendo una maggiore luce raccolta, da una parte più ampia dello spettro solare. Sotto i livelli di irraggiamento modesti una risposta notevolmente migliorato ai fotoni di bassa energia è stata dimostrata, ottenendo una cifra record di merito per le celle solari a tinta sensibilizzata.
Abstract
La scarsa risposta delle celle solari sensibilizzate con colorante (DSC) a luce rossa e infrarossa è un ostacolo significativo alla realizzazione di fotocorrenti più elevate e quindi efficienze più elevate. Photon up-conversion attraverso tripletta-tripletta annientamento (TTA-UC) è una tecnica interessante per l'utilizzo di questi fotoni di bassa energia che altrimenti andrebbe perduta per la produzione di fotocorrente, pur non interferendo con le prestazioni photoanodic in modo deleterio. Oltre a questo, TTA-UC ha un certo numero di caratteristiche, distinto da altri up-conversione tecnologie fotoni rilevati, che lo rende particolarmente adatto per l'accoppiamento con la tecnologia DSC. In questo lavoro, un sistema TTA-UC alte prestazioni comprovate, comprendente un sensibilizzante palladio porfirina ed emettitore Rubrene, è combinata con una DSC ad alte prestazioni (utilizzando il colorante organico D149) in un dispositivo integrato. Il dispositivo mostra una risposta migliore alla luce sub-bandgap nel range di assorbimento del sub-unità TTA-UC con conseguente più alto fifigura di merito per up-conversione assistito prestazioni DSC fino ad oggi.
Introduction
Celle solari sensibilizzate con colorante (DSC) sono stati proclamati come un concetto promettente conveniente raccolta di energia solare 1-3. Nonostante questo entusiasmo, commercializzazione diffusa deve ancora accadere. Un certo numero di ragioni sono state avanzate per questo, con un problema urgente è la relativamente alta energia di insorgenza di assorbimento, limitando l'efficienza ottenibile raccolta luce di questi dispositivi 4. Anche se questo può essere superato, riducendo l'insorgenza di assorbimento è in genere accompagnata da un calo di tensione a circuito aperto, che erode in modo sproporzionato le plusvalenze di densità di corrente 5, 6.
Il funzionamento generale della DSC comporta il trasferimento di elettroni da un colorante photoexcited di un semiconduttore (tipicamente TiO 2), seguita dalla rigenerazione del colorante ossidato da un mediatore redox. Entrambi questi processi sembrano richiedere forze trainanti sostanziali (potenziali) al fine di procedere con alta efficienza 7 </sup>. Con tali significative perdite intrinseche, diventa evidente che l'insorgenza assorbimento ottimale per questi dispositivi è ragionevolmente alto in energia. Problemi simili esistono per il fotovoltaico organico (OPV), grazie ancora una volta le grandi forze motrici chimici necessari per la separazione di carica efficace. Di conseguenza, le previsioni di limiti solare-a-elettrica superiore efficienza di conversione per i dispositivi di giunzione singoli sulla base di entrambe queste tecnologie comportano assorbitori con ampie lacune (efficace) banda 4.
Per superare il problema di raccolta luce sollevata sopra, un certo numero di approcci sono stati presi. Questo include la 'terza generazione' 8 approcci di strutture tandem 9, 10 e fotone upconversion 11-14.
Recentemente 11 abbiamo riportato un dispositivo integrato composto da un elettrodo di DSC lavoro e contro, con un annientamento tripletta-triplet basata up-conversion (TTA-UC) system integrato nellaalla struttura. Questo elemento TTA-UC è stato in grado di raccogliere la luce rossa trasmessa attraverso lo strato attivo e chimicamente convertirlo (come descritto in dettaglio nel seguito) per fotoni di energia superiore che possono essere assorbiti dallo strato attivo del DSC e generare fotocorrente. Ci sono due punti importanti da notare su questo sistema. In primo luogo, TTA-UC ha molti potenziali vantaggi rispetto ad altri sistemi di fotoni upconversion 11; in secondo luogo dimostra un'architettura fattibile (proof-of-linea di principio) per l'incorporazione di TTA-UC, che era stato assente dalla TTA-UC letteratura fino a quel punto.
Il processo di TTA-UC 15-24 comporta l'eccitazione di molecole "sensibilizzanti", in questo caso porfirine Pd, da luce con energia sotto l'energia insorgenza dispositivo. I sensibilizzatori di singoletto eccitato subiscono una rapida traversata intersystem allo stato di tripletto più basso di energia. Da lì, si può trasferire energia ad un tripletta accettando stato fondamentale 'emettitore & #8217; specie come Rubrene, a condizione che il trasferimento sia ammessa dal energia libera 25. Il primo stato tripletta di Rubrene (T 1) è maggiore della metà dell'energia del suo primo stato eccitato di singoletto (S 1), ma meno della metà dell'energia di T 2, il che significa che un complesso incontro di due rubrenes tripletto eccitato può annientare a dare una molecola di singoletto eccitato emettitore (e l'altro nello stato fondamentale) con un abbastanza alta probabilità. Altri stati, statisticamente previsti, è più probabile energicamente inaccessibili per Rubrene 26. La molecola di singoletto eccitato Rubrene può emettere un fotone (come da fluorescenza) con energia sufficiente per eccitare il colorante sull'elettrodo di lavoro del DSC. Questo processo è mostrato nella Animazione 1.
TTA-UC offre una serie di vantaggi rispetto ad altri sistemi di UC, come ad esempio una gamma ampia di assorbimento e la natura incoerenti 27, 28, il che rende un'opzione attraente per coupling con DSC (così come OPV). TTA-UC è stato dimostrato che operano a relativamente bassa intensità di luce e in condizioni di luce diffusa. Sia la DSC e OPV sono più efficienti in regime di bassa intensità luminosa. Concentrazione solare è costosa e giustificabile solo per l'alta efficienza, dispositivi ad alto costo. La relativamente alta prestazioni dei sistemi TTA-UC in condizioni di luce bassa intensità è attribuibile al processo che coinvolge cromofori sensibilizzante con forti bande di assorbimento larghe in concerto con gli stati longevi terzina che sono in grado di diffondere, al fine di entrare in contatto con specie interagenti . Inoltre, TTA-UC è stato trovato per avere elevata efficienza intrinseca da uno studio cinetico 26.
Anche se TTA-UC funziona a bassa intensità luminosa, c'è ancora una relazione quadratica tra l'intensità della luce incidente e luce emessa (almeno a basse intensità di luce). Ciò è dovuto alla natura bimolecolare del processo. Per tenere contoper questo e per le varie condizioni sperimentali (in particolare intensità della luce) riportati da diversi gruppi, una figura di sistema meritocratico (UFM) deve essere impiegato per metro il miglioramento delle prestazioni offerto da upconversion. Questo FoM è stato definito come ΔJ SC / ʘ, dove ΔJ SC è l'aumento della corrente di corto circuito (solitamente determinata mediante integrazione del fotone incidente di carica Carrier efficienza, IPCE, con e senza l'effetto upconversion) e ʘ è il solare efficace concentrazione (in base al flusso di fotoni nella regione in questione, che è l'assorbimento Q-banda del sensibilizzatore) 2 29.
Qui, un protocollo per la produzione e la corretta caratterizzazione di un dispositivo DSC-TTA-UC integrato è segnalato, prestando particolare attenzione alle potenziali insidie di test del dispositivo. Si spera che ciò possa servire come base per un ulteriore lavoro in questo campo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo protocollo fornisce un mezzo per raggiungere fotone up-conversion maggiore DSC e dettagli su come misurare correttamente tale dispositivo. L'UFM permette per il semplice calcolo dei previsti miglioramenti ΔJ SC da aspettarsi a diverse intensità di luce, anche a 1 sole. I valori qui indicati sono invarianti con intensità luminosa (riquadro di figura 4), come da aspettativa quando il sistema è sotto la soglia di saturazione 33. Con l'UFM, siamo in grado di un…
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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