Integrando um Triplet-triplete Annihilation Sistema Up-conversion para melhorar Dye-sensibilizadas Response célula solar para a Luz Sub-bandgap
Summary
Um dispositivo integrado, incorporando uma célula e tripleto-tripleto aniquilação solares up-conversion unidade sensibilizadas por corante foi produzida, obtendo-se a colheita de luz melhorada, a partir de uma secção mais larga do espectro solar. De acordo com os níveis de irradiação modestos foi demonstrada uma resposta melhorada significativamente para fótons de baixa energia, produzindo um número recorde de mérito para células solares sensibilizadas por corante.
Abstract
A fraca resposta das células solares sensibilizadas por corante (DSCs) a luz vermelha e infravermelha é um entrave significativo para a realização de fotocorrentes mais elevados e, consequentemente, a eficiência mais elevados. Photon-se a conversão por meio de tripleto-tripleto aniquilação (TTA-UC) é uma técnica atraente para a utilização desses fotões de baixa energia desperdiçados para produzir fotocorrente, sem interferir com o desempenho photoanodic de um modo prejudicial. Para além disso, o TTA-UC tem um número de características, distinto de outros fotões up-conversion tecnologias relatados, o que o torna particularmente adequado para o acoplamento com a tecnologia de DSC. Neste trabalho, um sistema de alto desempenho comprovado TTA-UC, que compreende um sensibilizador de porfirina e paládio emissor rubreno, é combinada com uma DSC de alto desempenho (utilizando o corante orgânico D149) em um dispositivo integrado. O dispositivo apresenta uma resposta melhorada à luz sub-banda proibida em toda a gama de absorção da sub-unidade TTA-UC resultando na maior fifigura de mérito para up-conversion assistida desempenho DSC até o momento.
Introduction
Células solares sensibilizadas por corante (DSCs) tem sido proclamado como um conceito promissor na coleta de energia solar acessível 1-3. Apesar deste entusiasmo, a comercialização generalizada ainda está para ocorrer. Uma série de razões foram apresentadas para isso, com uma questão premente sendo relativamente alta energia do início absorção, limitando a eficiência alcançável coleta de luz desses dispositivos 4. Embora isto pode ser superado, reduzindo o aparecimento de absorção é normalmente acompanhado por uma queda na tensão de circuito aberto, o que corrói desproporcionalmente quaisquer ganhos em densidade de corrente 5, 6.
A operação geral de DSCs envolve a transferência de electrões a partir de um corante fotoexcitada para um semicondutor (tipicamente TiO 2), seguido pela regeneração do corante oxidado com um mediador redox. Ambos estes processos parecem exigir forças substanciais (potenciais) de modo a prosseguir com alta eficiência 7 </sup>. Com tais perdas inerentes significativos, torna-se óbvio que o início absorção ideal para esses dispositivos é suficientemente elevado de energia. Problemas similares existem para células fotovoltaicas orgânicas (OPV), devido mais uma vez para as grandes forças motrizes químicos necessários para a separação de carga efetiva. Assim, as previsões de limites de eficiência de conversão de energia solar-a-elétrico superiores aos dispositivos de junção única com base em ambas as tecnologias envolvem absorção com grandes lacunas da banda (eficaz) 4.
A fim de superar o problema da colheita luz levantada acima, foram tomadas uma série de abordagens. Isso inclui a 'terceira geração' 8 abordagens de estruturas em tandem 9, 10 e fóton upconversion 11-14.
Recentemente 11 informamos um dispositivo integrado composto por um eletrodo de DSC de trabalho e contra, com uma aniquilação triplete-triplete baseado up-conversion (TTA-UC) sistema incorporada empara a estrutura. Este elemento TTA-UC foi capaz de colher luz vermelha transmitida através da camada activa e convertê-lo quimicamente (tal como descrito em detalhe abaixo) aos fotões de energia mais elevada, que poderia ser absorvida pela camada activa do DSC e gerar fotocorrente. Há dois pontos importantes a serem observados sobre este sistema. Em primeiro lugar, TTA-UC tem muitas vantagens potenciais em relação a outros sistemas de fótons de conversão ascendente 11; em segundo lugar, demonstra uma arquitetura viável (prova de princípio) para a incorporação de TTA-UC, o qual tinha sido falta do TTA-UC literatura até este ponto.
O processo de TTA-UC 15-24 envolve a excitação de moléculas de "sensibilizador", neste caso, porfirinas de Pd, por uma luz com uma energia inferior à energia aparecimento dispositivo. Os sensibilizadores singlet-animado sofrer rápida passagem inter para o estado triplete de mais baixa energia. De lá, eles podem transferir energia para um trio aceitar 'emissor & # estado fundamental8217; espécies, tais como rubreno, enquanto a transferência está permitida pela energia livre 25. O primeiro estado tripleto de rubreno (T 1) é maior do que metade da energia do seu primeiro estado de singuleto animado (S 1), mas menos do que a metade da energia de T 2, o que significa que um complexo de encontro de dois tripletos rubrenes-animado pode aniquilar a dar uma molécula singuleto animado emissor (e a outra no estado de terra), com uma elevada probabilidade. Outros estados, previstos estatisticamente, é mais provável energicamente inacessível para rubreno 26. A molécula singuleto rubreno animado pode então emitir um fotão (como por fluorescência) com energia suficiente para excitar o corante sobre o eléctrodo de trabalho da DSC. Este processo é mostrado na animação 1.
TTA-UC oferece uma série de vantagens em comparação com outros sistemas, tais como UC, uma gama ampla de absorção e natureza incoerente 27, 28, tornando-se uma opção atraente para coupling com DSC (bem como a OPV). TTA-UC foi demonstrada operando a relativamente baixas intensidades de luz e em condições de iluminação difusa. Ambos DSC e OPV são mais eficientes no regime de baixa intensidade de luz. Concentração solar é caro e só se justifica pela alta eficiência, os dispositivos de alto custo. O desempenho relativamente alto de sistemas TTA-UC em baixas condições de iluminação intensidade é atribuível ao processo que envolve cromóforos sensibilizador com, bandas de absorção largas fortes em conjunto com estados triplete de longa duração, que são capazes de difundir, de modo a entrar em contacto com espécies que interagem . Além disso, o TTA-UC foi encontrada para ter alta eficiência intrínseca de um estudo cinético 26.
Embora TTA-UC opera em baixa intensidade de luz, ainda existe uma relação quadrática entre a intensidade da luz incidente e a luz emitida (pelo menos em baixas intensidades de luz). Isto é devido à natureza do processo bimolecular. Para dar contapara isso e as condições experimentais variados (particularmente intensidade de luz) relatados por diferentes grupos, uma figura de mérito do sistema (FOM) deve ser empregado para medir a melhoria de desempenho oferecido por upconversion. Este FOM tem sido definida como ΔJ SC / ʘ, onde ΔJ SC é o aumento da corrente de curto-circuito (geralmente determinada pela integração do Incidente Photon para carregar Eficiência Carrier, IPCE, com e sem o efeito de upconversion) e ʘ é a energia solar eficaz concentração (com base no fluxo de fotões na região em questão, isto é a absorção da banda Q de sensibilizador) 2 29.
Nisto, um protocolo para produzir e caracterizar corretamente um dispositivo DSC-TTA-UC integrada é relatado, com especial atenção para possíveis armadilhas em teste do dispositivo. Espera-se que isso vai servir como uma base para futuros trabalhos nesta área.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo fornece um meio para alcançar fóton up-conversion reforçada DSC e detalhes sobre como medir corretamente um tal dispositivo. O FOM permite o cálculo simples de melhorias ΔJ SC antecipadas de se esperar em diferentes intensidades de luz, incluindo a 1 sol. Os valores aqui apresentados são invariáveis com intensidade de luz (inserção da Figura 4), de acordo com a expectativa quando o sistema estiver abaixo do seu limite de saturação 33. Com a FOM…
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
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