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

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。