دمج ثلاثية-ثلاثية الابادة نظام يصل التحويل إلى تعزيز صبغ توعية للاستجابة الخلايا الشمسية لذات فجوة الحزمة الفرعية الخفيفة
Summary
تم إنتاج جهاز متكامل، ودمج خلية والثلاثي، الثلاثي الشمسي إبادة يصل التحويل حدة صباغة توعية، وتكفل تعزيز حصاد الضوء، من باب أوسع من الطيف الشمسي. تحت مستويات متواضعة التشعيع وقد أظهرت استجابة معززة إلى حد كبير في فوتونات الطاقة منخفضة، مما أسفر عن رقم قياسي الجدارة للخلايا الشمسية توعية صباغة.
Abstract
ضعف الاستجابة من خلايا الصبغة توعية الشمسية (DSCS) إلى الضوء الأحمر والأشعة تحت الحمراء هي عائقا كبيرا أمام تحقيق photocurrents أعلى وبالتالي ارتفاع الكفاءة. الفوتون يصل التحويل عن طريق الثلاثي، الثلاثي إبادة (TTA-UC) هو أسلوب جذابة لاستخدام هذه الفوتونات منخفضة الطاقة المهدرة خلاف ذلك لإنتاج photocurrent، بينما لا تتدخل مع أداء photoanodic بطريقة مؤذية. وبالإضافة إلى هذا، TTA-UC لديها عدد من المزايا، متميزة عن غيرها من الفوتون يصل التحويل التكنولوجيات المبلغ الذي يجعلها مناسبة خاصة لاقتران مع التكنولوجيا DSC. في هذا العمل، وارتفاع أداء النظام TTA-UC ثبت، تضم محسس البلاديوم البورفيرين وباعث rubrene، وجنبا إلى جنب مع DSC عالية الأداء (باستخدام الصبغة العضوية D149) في جهاز متكامل. يقوم الجهاز بعرض استجابة معززة للضوء ذات فجوة الحزمة الفرعية على نطاق امتصاص الوحدة الفرعية TTA-UC مما أدى إلى أعلى فايجوري الجدارة ليصل التحويل ساعد الأداء DSC حتى الآن.
Introduction
وقد أعلن الخلايا الشمسية توعية صبغ (DSCS) كمفهوم واعدة في متناول الجميع جمع الطاقة الشمسية 1-3. على الرغم من هذا الحماس وتسويق على نطاق واسع أن يحدث بعد. تم وضع عدد من الأسباب لهذا الأمام، مع واحد قضية ملحة كونها طاقة عالية نسبيا من ظهور الاستيعاب، مما يحد من تحقيق كفاءة الحصاد ضوء هذه الأجهزة 4. على الرغم من أن هذا يمكن التغلب عليها، وتخفيض بداية امتصاص وعادة ما يرافقه انخفاض في فتح دائرة الجهد، الذي يضعف بشكل غير متناسب أي مكاسب في الكثافة الحالية 5 و 6.
العملية العامة للDSCS تتضمن نقل الإلكترون من صبغة photoexcited لأشباه الموصلات (عادة تيو 2)، تليها تجديد الصبغة تتأكسد بواسطة وسيط الأكسدة. ويبدو أن هذه العمليات تتطلب القوى الدافعة كبيرة (المحتملة) من أجل المضي قدما مع الكفاءة العالية 7 </suع>. مع هذه الخسائر الكبيرة الكامنة، يصبح من الواضح أن بداية الاستيعاب الأمثل لهذه الأجهزة هو ارتفاع معقول في الطاقة. توجد مشاكل مماثلة لالخلايا الكهروضوئية العضوية (اللقاح)، ويرجع مرة أخرى إلى القوى المحركة الكيميائية الكبيرة المطلوبة لفعالية فصل الاتهام. وفقا لذلك، تنبؤات العليا حدود كفاءة التحويل الشمسية إلى كهربائية لأجهزة تقاطع واحدة تقوم على كل من هذه التقنيات تشمل امتصاص مع واسعة (فعالة) الفرقة الثغرات 4.
من أجل التغلب على قضية الحصاد الخفيفة المثارة أعلاه، تم اتخاذ عدد من النهج. ويشمل هذا "الجيل الثالث" 8 نهج هياكل جنبا إلى جنب 9 و 10 و الفوتون upconversion 11-14.
مؤخرا 11 أبلغنا جهاز متكامل يتكون من العمل DSC ومكافحة الكهربائي، مع إبادة الثلاثي، الثلاثي القائم يصل التحويل (TTA-UC) نظام أدرجت فيإلى الهيكل. كان هذا العنصر TTA-UC قادرا على حصاد الضوء الأحمر تنتقل عن طريق الطبقة النشطة كيميائيا وتحويله (كما هو موضح بالتفصيل أدناه) إلى الفوتونات طاقة أعلى مما يمكن أن تمتصه طبقة نشطة من DSC وتوليد photocurrent. هناك نوعان من النقاط الهامة ملاحظة حول هذا النظام. أولا، TTA-UC العديد من المزايا المحتملة اكثر من غيرها من أنظمة الفوتون upconversion 11؛ ثانيا فإنه يدل على الهندسة المعمارية الممكنة (إثبات صحة المبدأ) لدمج TTA-UC، الذي كان قد تفتقر من TTA-UC الأدب يصل إلى تلك النقطة.
عملية TTA-UC 15-24 ينطوي على الإثارة من "المحسسات" الجزيئات، في هذه الحالة البروفيرين المشتريات، بواسطة ضوء مع طاقة أقل من طاقة الجهاز الحدوث. المحسسات-القميص متحمس تخضع معبر intersystem السريع للدولة الثلاثي أدنى للطاقة. من هناك، فإنها يمكن تحويل الطاقة إلى دولة أرض الواقع قبول الثلاثي "باعث & #8217. الأنواع مثل rubrene، طالما يسمح للنقل بواسطة الطاقة الحرة 25. الدولة الثلاثية الأولى من rubrene (T 1) أكبر من نصف الطاقة من أول حالته القميص متحمس (S 1) ولكن أقل من نصف الطاقة من T 2، وهذا يعني أن مجمع قاء اثنين من rubrenes-ثلاثية متحمسون يمكن إبادة ل تعطي واحدة القميص جزيء متحمس باعث (والآخر في الحالة الأرضية) مع وجود احتمال كبير إلى حد ما. الدول الأخرى، وتوقع إحصائيا، هي على الأرجح لا يمكن الوصول إليها بقوة لrubrene 26. يمكن للجزيء القميص rubrene متحمس ثم تنبعث من الفوتون (كما في مضان) مع طاقة كافية لإثارة الصبغة على القطب عمل DSC. تظهر هذه العملية في الرسوم المتحركة 1.
تقدم TTA-UC عدد من المزايا مقارنة بأنظمة UC أخرى، مثل مجموعة امتصاص واسع وغير متماسكة طبيعة 27، 28، مما يجعلها خيارا جذابا للفصول التوجيه الجامعيpling مع DSC (وكذلك اللقاح الفموي). وقد تجلى TTA-UC تعمل على شدة الخفيفة منخفضة نسبيا وفي ظروف الإضاءة المنتشرة. كلا DSC واللقاح هي الأكثر كفاءة في النظام منخفضة كثافة الضوء. تركيز الطاقة الشمسية مكلفة ومبررا فقط من أجل كفاءة عالية، وأجهزة عالية التكلفة. أداء عال نسبيا من أنظمة TTA-UC في ظروف الإضاءة المنخفضة الكثافة يعزى إلى عملية تنطوي chromophores محسس مع قوية، والعصابات امتصاص واسعة بالتنسيق مع الدول المعمرة الثلاثي التي هي قادرة على نشرها من أجل تتلامس مع التفاعل الأنواع . بالإضافة إلى ذلك، تم العثور TTA-UC لديك الكفاءة الذاتية العالية من دراسة الحركية 26.
على الرغم من TTA-UC تعمل في شدة الضوء المنخفضة، لا يزال هناك علاقة بين شدة الضوء التربيعية الحادث والضوء المنبعث (على الأقل في شدة الإضاءة الخافتة). ويرجع ذلك إلى طبيعة ثنائي الجزيء من هذه العملية. لحسابلهذا وظروف تجريبية مختلفة (وخاصة شدة الضوء) ذكرت من قبل مجموعات مختلفة، ينبغي استخدام هذا الرقم من الجدارة (فم) نظام إلى متر وتحسين الأداء التي تقدمها upconversion. وقد عرف هذا فم كما ΔJ SC / ʘ، حيث ΔJ SC هو زيادة في الدوائر الحالية قصيرة (تحدد عادة عن طريق دمج الحادث الفوتون لشحن كفاءة الناقل، IPCE، مع وبدون تأثير upconversion) وʘ هو الطاقة الشمسية فعالة التركيز (على أساس تدفق الفوتون في المنطقة المعنية، وهذا هو امتصاص الموجات Q المادة المحسسة) 2 29.
هنا، يقال بروتوكول لإنتاج وتميز بشكل صحيح جهاز DSC-TTA-UC متكامل، مع إيلاء اهتمام خاص لالمزالق المحتملة في اختبار الجهاز. ومن المؤمل أن هذا سيكون بمثابة أساس لمزيد من العمل في هذا المجال.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوفر هذا البروتوكول وسيلة لتحقيق الفوتون يصل التحويل تعزيز DSC والتفاصيل حول كيفية قياس مثل هذا الجهاز بشكل صحيح. على فم يسمح لحساب بسيط من المتوقع تحسينات ΔJ SC المتوقع في شدة الضوء المختلفة، بما في ذلك 1 الشمس. القيم المعروضة هنا هي ثابتة مع شدة الضوء (أقحم من <strong…
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).
