Integration einer Triplett-Triplett-Annihilation Up-Conversion-System, um Farbstoffsolarzellantwort auf Sub-Bandgap-Licht Enhance
Summary
Ein integriertes Gerät, das eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle und Triplett-Triplett-Annihilation-Umwandlungseinheit hergestellt Man erhält verbesserte Lichtsammlung, von einem breiteren Abschnitt des Sonnenspektrums. Unter bescheidenen Einstrahlung eine deutlich verbesserte Reaktion auf Photonen niedriger Energie wurde demonstriert, was eine Rekordzahl für farbstoffsensibilisierte Solarzellen.
Abstract
Die schlechte Reaktion von Farbstoff-Solarzellen (DSC) auf Rot und Infrarot-Licht ist ein wesentliches Hindernis für die Verwirklichung höherer Photo und damit höhere Wirkungsgrade. Aufkonversion durch Triplett-Triplett-Annihilation (TTA-UC) ist eine attraktive Technik für die Verwendung dieser sonst verschwendet Photonen niedriger Energie zu produzieren Photo, die zwar nicht mit der Leistung in photoanodic schädlicher Weise zu stören. Ferner dazu hat TTA-UC eine Anzahl von Merkmalen, die sich von anderen berichtet Aufkonversion Technologien, die es besonders geeignet für die Kopplung mit der DSC-Technologie macht. In dieser Arbeit, einer bewährten Hochleistungs-TTA-UC-System, bestehend aus einer Palladium-Porphyrin-Sensibilisator und Rubren Emitter wird mit einem Hochleistungs DSC (Verwendung des organischen Farbstoff D149) in einem integrierten Gerät vereint. Das Gerät zeigt eine verbesserte Reaktion auf Unterbandlücke Licht über dem Absorptionsbereich des TTA-UC-Untereinheit, was zu der höchsten figurieren von Verdienst für Up-Conversion unterstützt DSC Leistung auf dem Laufenden.
Introduction
Farbstoff-Solarzellen (DSC) als eine vielversprechende Konzept in erschwinglichen Solarenergie Sammlung 1-3 proklamiert. Trotz dieser Begeisterung noch weit verbreitete Kommerzialisierung auftreten. Eine Reihe von Gründen sind vorn für diese setzen, mit einem drängenden Problem wobei der relativ hohe Energieabsorption der Beginn, die Begrenzung der erreichbaren Lichtsammeleffizienz dieser Geräte 4. Obwohl dies überwunden werden, Absenken der Absorptionsbeginn wird typischerweise durch einen Abfall der Leerlaufspannung, die überproportional erodiert irgendwelche Gewinne in der Stromdichte 5, 6 verbunden.
Der allgemeine Betrieb des DSCs einen Elektronentransfer von einem photoangeregten Farbstoffs auf einem Halbleiter (in der Regel TiO 2), gefolgt von der Regeneration der oxidierte Farbstoff durch einen Redox-Mediator. Beide Prozesse scheinen wesentliche Antriebskräfte (potenziellen), um mit hoher Effizienz 7 vorgehen müssen </sup>. Mit solch signifikanten inhärenten Verluste, wird es offensichtlich, dass die optimale Absorption Beginn für diese Geräte ist in der Energie recht hoch. Ähnliche Probleme für die organische Photovoltaik (OPV), was gibt es noch einmal auf die für eine effektive Ladungstrennung erforderlichen großen chemischen Antriebskräfte. Dementsprechend Vorhersagen der oberen solarelektrischen Wandlereffizienz Grenzen Single-Junction-Geräte basierend auf diesen beiden Technologien beinhalten Absorber mit breit (effektiv) 4 Bandlücken.
Um die Lichtsammel oben aufgeworfenen Frage zu überwinden, eine Reihe von Ansätzen getroffen. Dazu gehört auch die "dritte Generation" 8 Ansätze der Tandemstrukturen 9, 10 und Photon Upconversion 11-14.
Kürzlich berichteten wir, 11 eine integrierte Vorrichtung eines DSC-Arbeits-und Gegenelektrode besteht, mit einem Triplett-Triplett-Annihilation basierend Up-Conversion (TTA-UC)-System integriert inan der Struktur. Diese TTA-UC Element konnte rotes Licht durch die aktive Schicht übertragen ernten und chemisch umwandeln (wie im Detail unten beschrieben), um Photonen höherer Energie, die durch die aktive Schicht des DSC aufgenommen werden könnte und erzeugen Photo. Es gibt zwei wichtige Punkte, die über dieses System beachten. Erstens hat TTA-UC viele potenzielle Vorteile gegenüber anderen Systemen Photonen Upconversion 11; zweitens zeigt eine Architektur machbar (proof-of-principle) für den Einbau von TTA-UC, die aus dem TTA-UC Literatur bis dahin gefehlt hat.
Der Prozess der TTA-UC 15-24 beinhaltet die Anregung von 'Sensibilisator "Moleküle, in diesem Fall Pd Porphyrine, durch Licht mit Energie unterhalb der Vorrichtung beginn Energie. Die Singulett-angeregten Sensibilisatoren unterziehen schnelle Intersystem-Crossing auf die niedrigste Energie-Triplett-Zustand. Von dort aus können sie Energie zu einem Triplett-Grundzustand-Annahme "Emitter & # übertragen8217; Arten, wie Rubren, solange die Übertragung von freier Energie 25 erlaubt. Die erste Triplett-Zustand von Rubren (T 1) größer ist als die Hälfte der Energie des ersten angeregten Singulett-Zustand (S 1), aber weniger als die Hälfte der Energie von T 2, was bedeutet, dass eine Begegnung Komplex von zwei Triplett-angeregten rubrenes können, um zu vernichten Geben angeregten Singulett-Emitter-Molekül (und der andere im Grundzustand) mit einer ziemlich hohen Wahrscheinlichkeit. Andere Staaten, statistisch vorhergesagt, sind die meisten wahrscheinlich energetisch nicht zugänglich Rubren 26. Die angeregten Singulett Rubren Molekül kann dann ein Photon (per Fluoreszenz) mit Energie, die ausreicht, um den Farbstoff auf der Arbeitselektrode des DSC erregen. Dieses Verfahren ist in 1 gezeigt Trick.
TTA-UC bietet eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu anderen UC Systemen wie einem breiten Absorptionsbereich und inkohärenter Natur 27, 28, so dass es eine attraktive Option für COUpling mit DSC (sowie OPV). TTA-UC hat sich gezeigt, die bei relativ niedrigen Lichtintensitäten und in diffuse Lichtverhältnisse. Sowohl DSC und OPV sind am effizientesten in der niedrigen Lichtstärke-Regimes. Solar Konzentration ist teuer und nur für hohe Effizienz, hohe Kosten-Geräte vertretbar. Auf den Prozess, der Sensibilisator Chromophoren mit starken, breiten Absorptionsbanden im Konzert mit langlebigen Triplett-Zustände, die durch Diffusion in Ordnung sind, in Kontakt mit wechselwirkenden Spezies kommen die relativ hohe Leistung der TTA-UC-Systeme in geringer Intensität Lichtverhältnissen ist . Zusätzlich TTA-UC wurde gefunden, hoher intrinsischer Wirksamkeit einer kinetischen Studie 26 haben.
Obwohl TTA-UC arbeitet bei geringer Lichtintensität, gibt es noch eine quadratische Beziehung zwischen einfallenden Lichtintensität und emittierte Licht (zumindest bei niedrigen Lichtintensitäten). Dies ist aufgrund der bimolekularen Natur des Verfahrens. Zur Rechenschaftfür diese und die vielfältigen experimentellen Bedingungen (insbesondere Lichtintensität) von verschiedenen Gruppen berichtet, sollte eine Gütezahl System (BFM), um die Leistungssteigerung Meter von Upconversion angeboten eingesetzt werden. Diese FoM als AJ SC / ʘ, wo AJ SC ist die Erhöhung der Kurzschlussstrom (in der Regel durch die Integration des einfallenden Photons bestimmt Carrier Efficiency, IPCE, mit und ohne die Upconversion Effektladung) und ʘ definiert worden ist die effektive Solar Konzentration (bezogen auf die Photonenflusses in dem relevanten Bereich, also der Q-Band-Absorption des Sensibilisators) 2 29.
Hier, ein Protokoll für die Herstellung und Charakterisierung eines integrierten richtig DSC-TTA-UC-Gerät wird berichtet, wobei besonderes Augenmerk auf mögliche Fallstricke in der Geräteprüfung. Es ist zu hoffen, dass dies als Grundlage für die weitere Arbeit in diesem Bereich dienen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll stellt ein Mittel zur Aufkonversion verbesserte DSC und detailliert auf, wie man so ein Gerät richtig zu messen erzielen. Das BFM ermöglicht die einfache Berechnung der erwarteten AJ SC Verbesserungen bei unterschiedlichen Lichtintensitäten zu erwarten, auch auf 1 Sonne. Die hier angezeigten Werte sind invariant Lichtintensität (Einschub in Abbildung 4), pro Erwartung, wenn das System unter seine Sättigungsschwelle 33. Das BFM mit, können wir den Verstärkung…
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
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