Att integrera en Triplet-triplett Annihilation uppkonvertering System för att förbättra Dye-sensibiliserade solceller Svar på Under bandgap Ljus
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 </sup>. Med sådana betydande egenförluster, blir det uppenbart att den optimala absorption debut för dessa anordningar är rätt hög i energi. Liknande problem finns för organiska solceller (OPV), beror återigen på de stora kemiska drivkrafter som krävs för en effektiv laddningsseparation. Således förutsägelser av övre solar mot elektrisk verkningsgrad gränser för enstaka kopplingsanordningar som bygger på båda dessa tekniker involverar absorbenter med breda (effektiv) bandgap 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.
Protocol
Representative Results
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-…
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).
