Integration en Triplet-triplet Annihilation Opkonvertering System til Enhance Dye-sensibiliserede Solar celle respons til Sub-båndgab Light
Summary
En integreret enhed, der omfatter et farvestof-sensibiliserede solcelle og triplet-triplet udslettelse opkonvertering enhed blev produceret, selskabskapitalen forstærket lys høst, fra en bredere del af solens spektrum. Under beskedne bestråling niveauer et væsentligt forbedret reaktion på lavenergi fotoner blev demonstreret, hvilket gav et rekordstort tal på merit for dye-sensibiliserede solceller.
Abstract
Den dårlige reaktion dye-sensibiliserede solceller (DSC) til rødt og infrarødt lys er en væsentlig hindring for realiseringen af en højere fotostrømme og dermed højere effektivitet. Foton opkonvertering ved hjælp af triplet-triplet udslettelse (TTA-UC) er en attraktiv teknik for at bruge disse ellers spildte lavenergi fotoner til at producere fotostrøm, mens der ikke interfererer med photoanodic ydeevne i en skadelig måde. I forlængelse af dette, TTA-UC har en række funktioner, der adskiller sig fra andre rapporterede foton opkonvertering teknologier, hvilket gør den særligt egnet til kobling med DSC-teknologi. I dette arbejde, en gennemprøvet højtydende TTA-UC-systemet, omfatter en palladium porfyrin sensibilisator og rubrene emitter, er kombineret med en høj ydeevne (DSC udnytte organisk farvestof D149) i en integreret enhed. Enheden viser en forbedret respons på sub-båndgab lys over absorptionen vifte af TTA-UC underenhed resulterer i den højeste figur af merit for opkonvertering assisteret DSC hidtidige resultater.
Introduction
Dye-sensibiliserede solceller (DSC) er blevet udråbt som et lovende koncept i overkommelig solenergi kollektion 1-3. På trods af denne entusiasme, har udbredt kommercialisering endnu at forekomme. En række årsager er blevet fremført for dette, med et presserende problem er den forholdsvis høje energi absorption debut, begrænser den opnåelige lyshøstende effektiviteten af disse enheder 4. Selv om dette kan overvindes, sænke absorption debut typisk ledsaget af et fald i tomgangsspænding, som i uforholdsmæssig grad udhuler eventuelle gevinster i strømtæthed 5, 6.
Den generelle drift af DSC involverer elektron overførsel fra en photoexcited farvestof til en halvleder (typisk TiO2), efterfulgt af regenerering af det oxiderede farvestof ved en redox mægler. Begge disse processer synes at kræve betydelige drivkræfter (potentielle) for at fortsætte med høj effektivitet 7 </sup>. Med sådanne betydelige iboende tab, bliver det klart, at den optimale absorption debut for disse enheder er rimelig højt energiindhold. Tilsvarende problemer eksisterer for økologiske solceller (OPV), hvilket skyldes igen at de store kemiske drivkræfter, der er nødvendige for en effektiv opladning separation. Følgelig forudsigelser af øvre sol-til-elektrisk omdannelseseffektivitet grænser for enkelt junction enheder baseret på begge disse teknologier indebærer absorbenter med brede (effektiv) båndgab 4.
For at overvinde den lyshøstende rejste spørgsmål ovenfor er der blevet taget en række tiltag. Dette omfatter "tredje generation" 8 tilgange tandem strukturer 9, 10 og foton opkonvertering 11-14.
For nylig 11 vi rapporteret en integreret enhed, der består af en DSC-arbejds-og modelektroden, med en triplet-triplet udslettelse baseret op-konvertering (TTA-UC) system indbygget itil strukturen. Dette TTA-UC element var i stand til at høste rødt lys transmitteres gennem det aktive lag og kemisk konvertere det (som beskrevet detaljeret nedenfor) til højere energi fotoner, der kan absorberes af det aktive lag af DSC og generere fotostrøm. Der er to vigtige punkter at bemærke om dette system. For det første TTA-UC har mange potentielle fordele frem for andre foton opkonvertering systemer 11; For det andet viser en mulig arkitektur (proof-of-principle) til inkorporering af TTA-UC, som havde manglet fra TTA-UC litteratur op til dette punkt.
Processen TTA-UC 15-24 involverer excitering af 'overfølsomhed' molekyler, i dette tilfælde Pd porphyriner med lys med energi under enheden indtræden energi. Singlet-begejstrede sensibilisatorer undergå hurtig intersystemkrydsning til det laveste energi triplet tilstand. Derfra kan de overføre energi til en grundtilstand triplet-accept "emitter & #8217 arter såsom rubrene, så længe overførslen er tilladt ved fri energi 25. Den første triplet tilstand rubrene (T 1) er større end halvdelen af den energi af sin første exciterede singlet-tilstand (S 1), men mindre end halvdelen af den energi T 2, hvilket betyder, at et møde kompleks af to triplet-exciterede rubrenes kan tilintetgøre til give én singlet ophidset emitter molekyle (og den anden i grundtilstand) med en temmelig høj sandsynlighed. Andre stater, statistisk forudsagt er mest sandsynligt energisk utilgængeligt for rubrene 26. Singlet ophidset rubrene molekyle kan derefter udsende en foton (som pr fluorescens) med energi nok til at excitere farvestoffet på arbejdsmiljøet elektrode af DSC. Denne proces er vist i Animation 1.
TTA-UC giver en række fordele i forhold til andre UC-systemer, såsom en bred absorption rækkevidde og usammenhængende karakter 27, 28, hvilket gør det en attraktiv mulighed for coukrølle med DSC (såvel som OPV). TTA-UC er blevet demonstreret i drift ved relativt lave lysintensiteter og i diffuse lysforhold. Både DSC og OPV er mest effektive i lav lysintensitet regime. Solar koncentration er dyrt og kun er berettiget til høj effektivitet, høje omkostninger enheder. Den relativt høje ydeevne TTA-UC-systemer i lav intensitet lysforhold kan henføres til den proces, der involverer overfølsomhed chromophorer med stærke, brede absorptionsbånd i koncert med langlivede triplet stater, som er i stand til at diffundere med henblik på at komme i kontakt med interagerende arter . Desuden har TTA-UC vist sig at have høj iboende effektivitet af en kinetisk undersøgelse 26.
Selvom TTA-UC opererer ved lav lysintensitet, er der stadig en kvadratisk sammenhæng mellem indfaldende lys intensitet og udsendte lys (mindst ved lave lysintensiteter). Dette skyldes den bimolekylære karakter af processen. For at redegørefor dette og de forskellige eksperimentelle betingelser (især lys intensitet) rapporteret af forskellige grupper, bør en godhedstal systemet (FOM) anvendes til at afmåle ydelsesforbedring tilbydes af opkonvertering. Denne FoM er blevet defineret som ΔJ SC / ʘ, hvor ΔJ SC er stigningen i kortslutningsstrøm (normalt bestemmes ved integration af foton at ladningsbærer Effektivitet, IPCE, med og uden opkonvertering effekt) og ʘ er den effektive sol koncentration (baseret på fotonflux i den pågældende region, der er Q-band absorption af sensibiliserende) 2 29.
Heri er en protokol til at producere og korrekt karakteriserer en integreret DSC-TTA-UC-enhed rapporteret, med særlig vægt på potentielle faldgruber i test af enheden. Det er håbet, at dette vil danne grundlag for det videre arbejde på dette område.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol giver et middel til at opnå foton opkonvertering forbedret DSC og detaljer om, hvordan man korrekt måle en sådan anordning. FOM giver mulighed for simpel beregning af de forventede ΔJ SC forbedringer kan forventes ved forskellige lysintensiteter, herunder på 1 solen. De her viste værdier er invariant med lysintensitet (indsat i figur 4), som pr forventning, når systemet er under mætning tærskel 33. Med FoM kan vi standardisere ekstraudstyr effekt af TTA-UC e…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
