שילוב מערכת Up-המרת שלישיית שלישיית השמדה כדי לשפר רגיש-Dye תגובת תאי שמש לאור תת bandgap
Summary
מכשיר משולב, כוללים יחידות השמדת תא ושלישיית שלישייה סולרית צבען רגיש עד המרה הופק, ונותן קצירת אור משופר, מסעיף רחב יותר של ספקטרום השמש. תחת רמות קרינה צנועות תגובה משופרת באופן משמעותי לפוטוני אנרגיה נמוכים הודגמה, מניב שיא דמותו של הכשרון עבור תאים סולריים צבען רגיש.
Abstract
התגובה הירודה של תאים רגישים, צבע שמש (DSCs) לאור אדום ואינפרא האדום היא מכשול משמעותי למימוש photocurrents ויעילות גבוהה יותר ומכאן גבוהים יותר. פוטון (TTA-UC) הוא את המרה בדרך של השמדת השלישייה שלישיית טכניקה אטרקטיבית לשימוש בפוטוני אנרגיה נמוכים אלה מבוזבזים אחרת לייצר פוטוני, ואילו לא מפריע לביצועי photoanodic באופן מזיק. בהמשך לכך, יש TTA-UC מספר התכונות, להבדיל מטכנולוגיות פוטון דיווחו אחרות עד המרה, אשר הופך אותו מתאים במיוחד לצימוד עם טכנולוגית DSC. בעבודה זו, מערכת TTA-UC גבוהים ביצועים מוכחים, הכוללת sensitizer פורפירין פלדיום ופולט rubrene, בשילוב עם DSC ביצועים גבוהים (ניצול D149 הצבע האורגני) במכשיר משולב. המכשיר מציג תגובה משופרת למשנה bandgap אור על פני טווח הקליטה של תת יחידת TTA-UC וכתוצאה מכך fi הגבוה ביותרתרשים של הכשרון לעד המרה סייעה ביצועי DSC עד כה.
Introduction
תאים רגישים, צבע שמש (DSCs) כבר הכריזו כמושג מבטיח באוסף אנרגיה סולארית זול 1-3. למרות התלהבות זו, מסחור נרחב טרם להתרחש. מספר הסיבות היה לשים קדימה לזה, עם נושא לחיצה על אחד להיות גבוהה יחסית האנרגיה של תחילת הקליטה, המגביל את יעילות קצירת אור ההשגה של מכשירים אלה 4. למרות שזה יכול להיות להתגבר, הורדת תחילת הקליטה מלווה בדרך כלל על ידי ירידה במתח במעגל פתוח, אשר באופן לא פרופורציונאלי שוחקת את רווחים כלשהם בצפיפות 5 נוכחית, 6.
הפעולה הכללית של DSCs כרוך העברת אלקטרונים מצבע photoexcited למוליכים למחצה (בדרך כלל Tio 2), ואחריו את ההתחדשות של צבע חמצון על ידי מתווך חיזור. שני תהליכים אלה מופיעים לדורשים כוחות משמעותיים נהיגה (פוטנציאלי) על מנת להתקדם עם יעילות גבוהה 7 </sup>. עם הפסדים הגלומים כה משמעותיים, הוא הופך להיות ברור כי תחילת הקליטה האופטימלית עבור התקנים אלה היא גבוהה באופן סביר באנרגיה. בעיות דומות קיימות עבור photovoltaics האורגני (OPV), עקב שוב לכוחות מניעים כימי הגדולים הנדרשים להפרדת תשלום יעילה. בהתאם לכך, תחזיות של גבולות יעילות המרה העליונים שמש לחשמלית להתקני צומת יחידים המבוססים על שני הטכנולוגיות הללו כרוכים בבולמים עם פערים רחבים להקה (בתוקף) 4.
על מנת להתגבר על הבעיה קצירת האור שהועלתה לעיל, מספר גישות ננקטו. זה כולל את 'הדור השלישי' 8 גישות של מבני טנדם 9, 10 והעלאת תדר פוטון 11-14.
לאחרונה 11 דיווחנו מכשיר משולב מורכב מהאלקטרודה העבודה DSC ודלפק, עם השמדת שלישייה שלישייה מבוססת עד המרה (TTA-UC) מערכת משולבת בלמבנה. אלמנט TTA-UC זה היה מסוגל לקצור אור אדום מועבר דרך השכבה הפעילה וכימי להמיר אותו (כפי שמתואר בפירוט בהמשך) לפוטוני אנרגיה גבוהים יותר אשר יכולים להיקלט על ידי השכבה הפעילה של DSC וליצור פוטוני. ישנן שתי נקודות חשובות לציין על מערכת זו. ראשית, יש TTA-UC יתרונות רבים פוטנציאליים על פני מערכות העלאת תדר פוטון אחרות 11; שנית הוא מדגים ארכיטקטורה אפשרית (הוכחה של עיקרון) להתאגדות של TTA-UC, שהיה חסרים בספרות עד TTA-UC לנקודה ש.
התהליך של TTA-UC 15-24 כרוך העירור של מולקולות "sensitizer ', במקרה זה פורפירינים Pd, על ידי אור עם אנרגיה מתחת לאנרגית תחילת ההתקן. הרגישות לגופייה-נרגשת לעבור מעבר intersystem מהיר למדינת השלישייה הנמוכה ביותר באנרגיה. משם, הם יכולים להעביר אנרגיה ל'פולט לקבל שלישיית קרקע מדינה & #8217; מינים כגון rubrene, כל עוד ההעברה מותרת על ידי אנרגיה חופשית 25. מדינת השלישייה הראשונה של rubrene (T 1) היא גדולה יותר ממחצית האנרגיה של המדינה הראשונה שלה גופייה נרגשת (S 1), אך פחות ממחצית האנרגיה של T 2, כלומר מורכב מפגש של שתי rubrenes שלישייה-נרגשת יכול להשמיד ל לתת מולקולה אחת גופייה נרגשת פולט (ואחרת במצב היסוד) בהסתברות גבוהה למדי. מדינות אחרות, צפוי סטטיסטי, הן ככל הנראה במרץ נגישים לrubrene 26. מולקולת rubrene הנרגש הגופייה אז יכולה לפלוט פוטונים (כמו לכל הקרינה) עם מספיק כדי להלהיב את הצבע על האלקטרודה העבודה של DSC אנרגיה. תהליך זה מוצג ב1 אנימציה.
TTA-UC מציע מספר היתרונות בהשוואה למערכות UC אחרים, כגון: טווח קליטה רחב וטבע מבולבל 27, 28, מה שהופך אותו לאופציה אטרקטיבית עבור coupling עם DSC (כמו גם OPV). TTA-UC הודגם פועל בעוצמות אור נמוכות יחסית ובתנאי תאורה מפוזרים. DSC וOPV שניהם יעיל ביותר במשטר עוצמת האור הנמוך. ריכוז שמש הוא יקר ורק מוצדק ליעילות גבוהה, מכשירי עלות גבוהים. הביצועים גבוהים יחסית של מערכות TTA-UC בתנאי תאורה נמוכים עצימות ניתן לייחסו לתהליך הכרוך chromophores sensitizer עם להקות קליטה חזקות, רחבות בתיאום עם מדינות שלישייה חיים ארוכות אשר מסוגלים לשדר על מנת לבוא במגע עם מיני אינטראקציה . בנוסף, TTA-UC כבר מצא לי יעילות פנימית גבוהה ממחקר הקינטית 26.
למרות TTA-UC פועל בעוצמת אור נמוכה, יש עדיין מערכת יחסים ריבועית בין עוצמת אור האירוע ואור הנפלט (לפחות בעוצמות אור נמוכות). זאת בשל אופי bimolecular של התהליך. לתת דין וחשבוןלזה ותנאים המגוונים הניסיוניים (במיוחד עוצמת אור) שדווחו על ידי קבוצות שונות, דמותו של הכשרון מערכת (FOM) צריכה להיות מועסק למטר שיפור ביצועים המוצע על ידי העלאת תדר. FoM זה הוגדר כΔJ SC / ʘ, בי ΔJ SC הוא העלייה במזרם קצר (בדרך כלל נקבע על ידי שילוב של פוטון התקרית לטעינה יעיל Carrier, IPCE, עם ובלי השפעת העלאת התדר) וʘ הוא סולרי היעיל ריכוז (המבוסס על שטף הפוטונים באזור הרלוונטי, כי הוא קליטה Q-להקה של sensitizer) 2 29.
במסמך זה, פרוטוקול לייצור ואפיון נכון מכשיר DSC-TTA-UC משולב מדווח, תשומת לב מיוחדת לבעיות פוטנציאליות בבדיקת מכשיר. יש לקוות כי זה ישמש כבסיס לעבודה נוספת בתחום זה.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מספק אמצעי להשגת פוטון את המרה DSC משופר ופירוט על איך למדוד את מכשיר כזה בצורה נכונה. FoM מאפשר חישוב הפשוט של שיפורי SC ΔJ צפויים להיות צפוי בעוצמות אור שונות, ובכלל זה בשמש 1. הערכים המוצגים כאן הם בלתי משתנה עם עוצמת אור (הבלעה של איור 4), כמו לכ?…
Disclosures
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).
