サブバンドギャップ光に色素増感型太陽電池の応答を増強する三重項 - 三重消滅アップコンバージョンシステムの統合
Summary
色素増感太陽電池と三重項 – 三重項消滅アップコンバージョンユニットを組み込んだ集積デバイスは、太陽スペクトルのより広い部分から、強化された集光を得、製造した。控えめな照射レベルの下の低エネルギー光子に有意に増強応答は、色素増感太陽電池の性能指数の記録の図を得、実証された。
Abstract
赤と赤外光に色素増感太陽電池（DSC向け）の貧弱な応答は、より高い光電流、したがって、より高い効率の実現に大きな障害である。フォトンアップコンバート三重項 – 三重項消滅（TTA-UC）を経由して、有害な方法でphotoanodic性能に干渉しないが、光電流を生成するために、これらの他の方法で無駄な低エネルギーの光子を使用するための魅力的な手法である。これに加えて、TTA-UCは、DSC技術と結合するために特に適したもの、他の報告された光子のアップコンバージョン技術とは異なる機能の数を持っています。この作業、実績のある高性能TTA-UCシステムでは、パラジウムポルフィリン増感剤及びルブレンエミッタを備える、集積デバイスに（有機色素D149を用いて）高速DSCと組み合わされる。デバイスは、最も高い第その結果TTA-UCサブユニットの吸収領域にわたってサブバンドギャップ光に増強応答を示す現在までのDSC性能アシストアップコンバージョンに対するメリットのグレ。
Introduction
色素増感太陽電池（DSCは）手頃な価格の太陽エネルギー収集1-3の有望な概念として宣言されています。この熱意にもかかわらず、広範に商業化が発生していない。多くの理由は、1つの喫緊の課題は、これらのデバイス4の達成可能な集光効率を制限する、吸収開始の比較的高いエネルギーであることで、このために提唱されてきた。これを克服することができますが、吸収開始を低下させることが一般的に不釣り合いに電流密度5、6の任意の利益を侵食する開放電圧の低下、を伴う。
のDSCの一般的な動作は、レドックスメディエーターによって酸化された色素の再生に続いて半導体（典型的にはTiO 2）の光励起された色素からの電子移動を伴う。どちらもこれらのプロセスは、高効率7を進めるために、実質的な駆動力（潜在的な）を必要とするように見える</suP>。そのような重要な固有の損失と、それは、これらのデバイスに最適な吸収開始はエネルギーの合理的に高いことが明らかになった。同様の問題が効果的な電荷分離のために必要とされる大きな化学原動力にもう一度により、有機太陽電池（OPV）のために存在する。従って、これらの技術の両方に基づいて、単一接合装置上部太陽光-電気変換効率の限界の予測は広い（有効な）バンドギャップ吸収体4とを含む。
上記隆起した集光性の問題を克服するために、多くのアプローチがとられている。これは「第三世代」8タンデム構造のアプローチ9,10および光子アップコンバージョン11-14が含まれています。
最近、11私たちは、システムに組み込まれた（TTA-UC）アップコンバージョンベースの三重項-三重項消滅したのDSC加工と対向電極で構成される統合されたデバイスを、報告された構造に関する。このTTA-UC素子は、活性層を透過した赤色光を収集し、化学的に（以下に詳細に説明するように）DSCの活性層によって吸収され、光電流を生成することができ、より高いエネルギーの光子に変換することができた。このシステムに関して注意すべき二つの重要なポイントがある。まず、TTA-UCは、他の光子アップコンバージョンシステム11に比べて多くの有望な利点を有している。第二に、それはその時点までTTA-UC文献から欠けていたTTA-UCの取り込みのための実現可能なアーキテクチャ（証明の原理を）示しています。
TTA-UC 15〜24のプロセスは、デバイス発症エネルギー以下のエネルギーを持つ光で、この場合のPdポルフィリンで、「増感剤」の分子の励起を伴う。一重項励起増感剤は、最低エネルギー三重項状態への迅速な項間交差を受ける。そこから、基底状態の三重項受容 'エミッタ＆＃にエネルギーを転送することができ8217;限り転送が自由エネルギー25で許可されているようなルブレンなどの種、。ルブレンの最初の三重項状態（T 1）は、二つの三重項励起rubrenesの遭遇複合体は、に全滅させることができることを意味し、その最初の励起一重項状態（S 1）はT 2の半分以下のエネルギーの半分のエネルギーよりも大きいかなり高い確率で1重項励起発光分子（と基底状態における他）を得た。その他の州、統計的に予測されたが、最も可能性の高いルブレン26精力的にアクセスできません。一重項励起ルブレン分子は、その後、DSCの作用電極に色素を励起するのに十分なエネルギーを有する（蛍光あたりなど）の光子を放出することができる。このプロセスは、 アニメーション1に示されている。
TTA-UCはそれをCOUのための魅力的な選択肢を作り、そのような広い吸収帯とインコヒーレントな性質27、28のような他のUCシステムに比べて多くの利点を提供していますDSC（およびOPV）でサンプリング。 TTA-UCは、比較的低い光強度で及び拡散照明条件下で動作することが実証されている。 DSCおよびOPVの両方が、低光量領域で最も効率的です。太陽濃度は、高価で高効率、高コストのデバイスにのみ正当化される。低強度の照明条件でTTA-UCシステムの比較的高い性能は、相互作用する種と接触させるために拡散することができる長寿命の三重項状態と協調して強力な、広い吸収バンドと増感剤の発色団を含むプロセスに起因する。また、TTA-UCは、動力学的研究26から高い固有の効率を有することが見出されている。
TTA-UCは、低光強度で動作するが、入射光強度（少なくとも低光強度で）放出された光との間の二次関係が依然として存在する。これは、プロセスの二分子性質によるものである。アカウントへ異なるグループによって報告され、この多様な実験条件（特に光強度）のために、性能指数（FoMは）システムは、メーターにアップコンバージョンが提供する性能向上を雇用する必要があります。この性能指数はΔJSCが （通常はアップコンバージョン効果を有するとすることなく、IPCEをキャリア効率を充電するためにインシデント光子の積分によって決定）短絡電流の増加であるとʘが有効ソーラーでΔJ 鳳/ʘ、と定義されている濃度（関連領域での光子束に基づいて、それは、増感剤のQ帯吸収である）2 29。
ここでは、統合されたDSC-TTA-UC装置の製造、正しく特徴付けるためのプロトコルは、デバイステストでの潜在的な落とし穴に特別な注意を払って、報告されている。これは、この分野での今後の作業の基礎として役立つことが期待されている。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルは、アップコンバージョン強化DSCおよび詳細正しくそのようなデバイスを測定する方法の光子を達成するための手段を提供する。予想ΔJのSCの改善の単純な計算が1太陽を含む、異なる光強度で予想されるための性能指標を可能にする。システムが飽和閾値33を下回った場合、ここで表示される値は、期待通りに、光強度（ 図4の挿入図）で不変であ…
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 |
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