Integrering av en Triplet-triplet Annihilation Up-konvertering system for å øke Dye-sensitivisert Solar Cell Response til Sub-bandgap Lett
Summary
En integrert enhet, som omfatter en dye-sensitivisert solcelle og triplet-triplet utslettelse up-konvertering enhet ble produsert, affording forbedret lys høsting, fra et bredere delen av solspekteret. Under beskjedne bestrålingsnivå en betydelig forbedret respons på lavenergi fotoner ble demonstrert, noe som gir en rekord figur av fortjeneste for dye-sensibiliserte solceller.
Abstract
Den dårlig respons av dye-sensitivisert solceller (DSCS) til rødt og infrarødt lys er en betydelig hindring for realisering av høyere photocurrents og dermed høyere effektivitet. Photon up-konvertering ved hjelp av triplett-trip utslettelse (TTA-UC) er en attraktiv teknikk for å bruke disse ellers bortkastet lavenergi fotoner å produsere photo, mens ikke forstyrrer photoanodic ytelse i en skadelig måte. Videre til dette, har TTA-UC en rekke funksjoner, skiller seg fra andre rapporterte foton up-konvertering teknologier, som gjør den spesielt egnet for kopling med DSC-teknologi. I dette arbeidet, et vist høyytelses TTA-UC-system, omfattende en palladium porfyrin sensibilisator og rubren emitter, er kombinert med en høy ytelse DSC (anvendelse av det organiske fargestoff D149) i en integrert enhet. Enheten viser en forbedret respons på sub-bandgap lys over absorpsjonsområdet på TTA-UC underenhet som resulterer i den høyeste figur of Merit for opp-konvertering assistert DSC ytelse til dato.
Introduction
Dye-sensibiliserte solceller (DSCS) har blitt kunngjort som en lovende konsept i rimelig solenergi samling 1-3. Til tross for dette entusiasme, har utbredt kommersialisering ennå ikke forekomme. En rekke årsaker har det blitt fremsatt for dette, med en trykke problemet blir den relativt høye energien fra absorpsjonen innsettende, begrenser oppnåe lys høsting effektiviteten av disse enhetene 4. Selv om dette kan overvinnes, senke absorpsjonen utbruddet blir vanligvis ledsaget av et fall i spenning ved åpen krets, som uforholdsmessig eroderer eventuelle gevinster i strømtetthet 5, 6.
Den generelle drift av DSCs omfatter elektronoverføring fra en photoexcited fargestoff til en halvleder (typisk TiO 2), fulgt av regenerering av den oksiderte fargestoffet av en redoks-mediator. Begge disse prosessene ser ut til å kreve betydelige drivkrefter (potensielle) for å fortsette med høy effektivitet 7 </sup>. Med slike vesentlige iboende tap, blir det tydelig at den optimale absorpsjon utbruddet for disse enhetene er rimelig høy i energi. Lignende problemer eksisterer for organiske solceller (OPV), pga igjen til de store kjemiske drivkrefter som kreves for effektiv ladningsseparasjon. Følgelig spådommer om øvre solar-til-elektrisk konvertering effektivitet grenser for enkeltkoblings enheter basert på begge disse teknologiene involvere dempere med brede (effektiv) bandet fire hullene.
For å overvinne den lette høsting problemet hevet ovenfor, har en rekke tilnærminger blitt tatt. Dette inkluderer den "tredje generasjon" 8 tilnærminger av tandem strukturer 9, 10 og fotonet oppskalering 11-14.
Nylig 11 vi rapporterte en integrert enhet bestående av en DSC arbeids-og motelektroden, med en triplett-trip utslettelse basert up-konvertering (TTA-UC) system tatt itil strukturen. Dette TTA-UC elementet var i stand til å høste rødt lys som overføres gjennom det aktive laget og kjemisk omdanne den (som beskrevet i detalj nedenfor) til høyere energi fotoner som kan bli absorbert av det aktive laget av DSC og generere photo. Det er to viktige punkter å merke seg om dette systemet. For det første har TTA-UC mange potensielle fordeler fremfor andre fotonet oppskalering systemer 11; for det andre viser en mulig arkitektur (proof-of-prinsippet) for inkorporering av TTA-UC, som hadde vært mangler fra TTA-UC litteratur opp til det punktet.
Prosessen med TTA-UC 15-24 innebærer eksitering av "sensibiliserende" molekyler, i dette tilfellet Pd porfyriner, av lys med energi under apparatets utbruddet energi. Singlet-excited sensibilisatorer gjennomgå raske intersystem krysset til lavest energi triplet tilstand. Derfra kan de overføre energi til en bakke-state triplet-akseptere 'emitter & #8217; arter som for eksempel rubren, så lenge overføringen tillates av fri energi 25. Den første triplet tilstand av rubren (T 1) er større enn halvparten av energien i den første spent singtilstand (S 1), men mindre enn halvparten av energien i T 2, noe som betyr at et møte kompleks av to triplet-spent rubrenes kan utslette å gir en singlett-ekssitert emitter molekylet (og den andre i grunntilstanden) med en ganske stor sannsynlighet. Andre stater, statistisk spådd, er mest sannsynlig energisk utilgjengelige for rubren 26. Singlett-ekssitert rubren molekyl kan deretter avgi et foton (fluorescens som per) med energi tilstrekkelig til å eksitere fargestoffet på arbeids-elektrode av DSC. Denne prosess er vist i en animasjon.
TTA-UC tilbyr en rekke fordeler sammenlignet med andre UC-systemer, slik som en bred absorpsjon rekkevidde og inkoherent natur 27, 28, noe som gjør det til et attraktivt alternativ for coupling med DSC (samt OPV). TTA-UC har blitt demonstrert i drift ved relativt lave lysintensitet og i diffuse lysforhold. Både DSC og OPV er mest effektive i lav lysintensitet regime. Solar konsentrasjon er kostbare og bare forsvarlig for høy effektivitet, høye kostnader enheter. Den relativt høye ytelsen til TTA-UC-systemer i lav intensitet lysforhold skyldes prosessen involverer Allergi chromophores med sterke, brede absorpsjonsspor i konsert med langlivede triplet stater som er i stand til å spre for å komme i kontakt med samhandlende arter . I tillegg har TTA-UC blitt funnet å ha høy iboende effektivitet fra en kinetisk studie 26.
Selv om TTA-UC opererer med lav lysintensitet, er det fortsatt en kvadratisk sammenheng mellom hendelsen lysintensitet og lyset (minst ved lave lysintensitet). Dette er på grunn av den bimolekylære naturen av prosessen. Til kontofor dette, og de varierte eksperimentelle forhold (spesielt lysintensitet) rapportert av ulike grupper, bør en figur av fortjeneste (FOM) systemet benyttes til å måle ytelsen ekstrautstyr tilbys av oppskalering. Denne FOM har blitt definert som ΔJ SC / ʘ, hvor ΔJ SC er økningen i kortslutningsstrøm (vanligvis bestemt av integrering av Incident Photon Lade Carrier Effektivitet, IPCE, med og uten oppskalering effekt) og ʘ er den effektive solenergi konsentrasjon (basert på foton fluks i vedkommende region, det vil si Q-bånd absorpsjon av sensibilisator) 2 29.
Heri, er en protokoll for å produsere og riktig å karakterisere en integrert DSC-TTA-UC-enhet rapportert, betaler spesiell oppmerksomhet til potensielle fallgruver i enhetstesting. Det er å håpe at dette vil tjene som et grunnlag for videre arbeid på dette feltet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokollen gir et middel for å oppnå foton opp-konvertering forbedret DSC og detaljer på hvordan du skal måle en slik enhet. FOM gir mulighet for enkel beregning av forventede ΔJ SC forbedringer som kan forventes på forskjellige lysintensitet, også på en søndag. Verdiene vist her er invariant med lysintensiteten (innfelt i figur 4), i henhold til forventning når systemet er under sitt metningsterskelen 33. Med FOM, kan vi standardisere forsterkningseffekten 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).
