Bir Üçüz-üçlü Annihilation'ın Up-dönüşüm Sistemi entegre Alt-bandaralıklı Işık Boya duyarlı Solar Hücre Yanıtı arttırmak için
Summary
Bir boya duyarlı güneş hücresi ve üçüz-üçüz imha yukarı dönüşüm ünitesi de içeren bir tümleşik aygıt, güneş spektrumunun daha geniş bir bölümünde, gelişmiş ışık toplamayı verecek, üretildi. Mütevazı aydınlatma düzeyleri altında, düşük enerjili fotonlar için önemli ölçüde geliştirilmiş yanıt boya duyarlı güneş hücreleri için liyakat rekor bir rakam elde, saptandı.
Abstract
Kırmızı ve kızılötesi ışık boya duyarlı güneş hücreleri (DSCs) yetersiz yanıt yüksek photocurrents ve dolayısıyla daha yüksek verimlilikleri gerçekleşmesine önemli bir engeldir. Foton yukarı dönüşüm üçlü üçlü-yok etme yolu ile (TTA-UC), zararlı bir şekilde photoanodic performansı etkilemeden, fotoakım üretmek için bu, aksi takdirde atık, düşük enerjili fotonlar kullanmak için çekici bir tekniktir. Bunların ötesinde, TTA-UC DSC teknolojisi ile bağlanması için özellikle uygun hale getirir, diğer bilgi foton yukarı dönüştürme teknolojileri farklı bir dizi özellik, yer alır. Bir paladyum porfirin hassaslaştırıcı ve rubrene yayıcı içeren bu çalışmada, yüksek performanslı, kanıtlanmış TTA-UC sistemde, entegre bir cihazın yüksek performanslı DSC (organik boya D149 kullanılarak) ile bir araya getirilmektedir. Cihaz, en yüksek fi sonuçlanan TTA-UC alt ünitesinin emme aralığı üzerinde alt-bant boşluklu bir ışığa karşı daha iyi bir yanıtı göstermektedirBugüne kadar DSC performans destekli yukarı-dönüşüm için liyakat? Güre.
Introduction
Boya duyarlı güneş hücreleri (DSCs) uygun güneş enerjisi toplama 1-3 umut verici bir kavram olarak ilan edilmiştir. Bu coşku rağmen, yaygın ticarileştirme meydana henüz. Birkaç sebep bir baskı konu, bu cihazların 4 elde hafif hasat verimi sınırlayıcı emme başlangıç nispeten yüksek enerji olmak üzere, bunun için öne sürülmüştür. Bu aşılabilir olmasına rağmen, absorpsiyon başlamasını düşürülmeye orantısız akım yoğunluğu 5, 6, herhangi bir kazanç aşındırır açık devre gerilimi bir düşüş eşlik eder.
DSC'lerde genel çalışma bir redoks mediatörü ile okside boyanın yeniden yaratmanın takip ettiği, bir yarı-iletken (tipik olarak TiO2), bir boya photoexcited elektron transferini içerir. Her ikisi de, bu işlemler, yüksek verim 7 devam etmek için önemli itici güçleri (potansiyel) gerektirecek şekilde görünür </sus>. Böyle anlamlı zararların birlikte, bu cihazlar için optimum emme başlangıçlı enerji oldukça yüksek olduğu belli olur. Benzer sorunlar etkili şarj ayırma için gereken büyük kimyasal itici güçler için bir kez daha nedeni, organik fotovoltaik (OPA), ana kadar. Buna göre, bu teknolojilerin her ikisi dayalı tek kavşak cihazlara üst güneş-to-elektrik dönüşüm verimliliği limitlerinin tahminleri geniş (etkin) bant boşlukları 4 ile emicileri içerir.
Yukarıda ortaya hafif hasat sorunun üstesinden gelmek için, bir takım yaklaşımlar atılmıştır. Bu 'üçüncü nesil' tandem yapılar 9, 10 ve foton upconversion 11-14 8 yaklaşımları içermektedir.
Son zamanlarda 11 biz sistemi dahil (TTA-UC) yukarı dönüşüm temelli bir üçlü-üçlü imha ile bir DSC çalışma ve karşıt elektrot oluşan entegre bir cihaz, raporyapısıyla ilgilidir. Bu TTA-UC eleman, aktif tabakasından geçen kırmızı ışık hasat ve kimyasal olarak DSC aktif katman tarafından emilebileceği yüksek enerjili fotonların (aşağıda daha ayrıntılı tarif edildiği gibi) dönüştürmek ve fotoakım üretmek mümkün olmuştur. Bu sistemde dikkat edilmesi gereken iki önemli nokta vardır. Öncelikle, TTA-UC diğer foton üst değiştirme sistemleri 11 üzerinde prospektif bir çok avantajı vardır; ikincisi bu noktaya TTA-UC edebiyat up eksik olmuştu TTA-UC, eklenmesi için uygun bir mimarisi (proof-of-prensibi) gösterir.
TTA-UC 15-24 'deki proses olup, aşağıda cihazın başlangıç enerjisi enerji ile ışık, bu durumda, Pd porfirinler yılında' hassasiyetini moleküllerinin uyarılmasını içerir. Tekli-heyecanlı duyarlılaştırıcılar düşük enerji üçlü devlet hızlı sistemler arası geçişi tabi. Oradan da bir zemin-devlet üçlü-kabul 'yayıcı & # enerji aktarabilirsiniz8217; Böyle rubrene gibi türler, sürece transfer serbest enerji 25 ile izin verilir. Rubrene ilk triplet halinin (T1), iki üçlü eksitasyonlu rubrenes bir karşılaşma karmaşık yok edebilir, yani, onun birinci uyarılmış duruma tekli (s 1), ancak T 2 yarısından daha az enerjinin yarısından enerjisinden daha büyük olduğu oldukça yüksek bir olasılık ile bir teklisi heyecan verici molekülü (ve zemin devlet diğer) vermek. Diğer devletler, istatistiksel tahmin, büyük olasılıkla rubrene 26 için enerjik erişilemez. Tekli uyarılmış rubrene molekül, DSC, çalışan elektrot üzerinde boya uyarmak için yeterli enerjiyle (floresan göre) bir foton yayabilir. Bu işlem Animasyon 1 'de gösterilmiştir.
TTA-UC o kurs için cazip bir seçenek haline, böyle geniş bir absorpsiyon alanı ve tutarsız doğa 27, 28 gibi diğer UC sistemleri ile karşılaştırıldığında bir çok avantaj sunuyor(OPV gibi) DSC ile pling. TTA-UC nispeten düşük ışık şiddetlerinde ve diffüz aydınlatma koşullarında faaliyet kanıtlanmıştır. DSC ve OPV hem de düşük ışık yoğunluğu rejiminin en verimli. Güneş konsantrasyonu pahalı ve yüksek verimlilik, yüksek maliyetli cihazlar için sadece haklı olduğunu. Düşük yoğunluklu aydınlatma koşullarında TTA-UC sistemlerin nispeten yüksek performanslı etkileşim türleri ile temas için dağılabilen olan uzun ömürlü üçlü ülkeleri ile uyum içinde güçlü, geniş bir emme bantlı hassasiyetini kromoforları ile ilgili bir süreçte atfedilebilir . Buna ek olarak, TTA-UC kinetik bir çalışmasının 26 yüksek içsel verimine sahip olduğu bulunmuştur.
TTA-UC düşük ışık yoğunluğu çalışır rağmen, (en azından düşük ışık şiddetlerinde) gelen ışık yoğunluğu ve yayılan ışık arasında kuadratik bir ilişki hala var. Bu işlemin bimoleküler yapısından dolayıdır. Hesap etmekBu ve farklı gruplar tarafından bildirilen çeşitli deneysel koşullar (özellikle ışık yoğunluğu) için, hak ediş (FoM) sisteminin bir rakam metre upconversion tarafından sunulan performans artışı istihdam edilmelidir. Bu FoM ΔJ SC ve ʘ (genellikle Taşıyıcı üst değiştirme etkisi ile ve olmadan Verimliliği, IPCE, şarj için Olay Foton entegrasyonu ile belirlenir) kısa devre akımı artış ΔJ SC / ʘ olarak tanımlanmıştır etkili güneş olduğunu konsantrasyon 2 29 (ilgili bölgede foton akısı göre, bu hassaslaştırıcının Q-bandı soğurma olduğunu).
Burada, entegre bir DSC-TTA-UC cihaz üreten ve doğru tanımlamak için bir protokol cihazı test potansiyel tuzaklar özel dikkat, bildirilmektedir. Bu, bu alanda daha fazla çalışma için bir temel olarak hizmet umulmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol kadar dönüşüm geliştirilmiş DSC ve ayrıntılı doğru böyle bir cihaz ölçmek için nasıl foton elde etmek için bir araç sağlar. Beklenen ΔJ SC iyileştirmeler basit hesaplama 1 güneş de dahil olmak üzere farklı ışık şiddetlerinde beklenen için FoM sağlar. Sistem kendi doyma eşiği 33 altında olduğunda Burada gösterilen değerler beklenti başı olarak, ışık şiddeti (Şekil 4 ek) ile değişmez vardır. FOM ile, kolayca karşılaştırıl…
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).
