Интеграция триплет-триплетного Annihilation системы ап-конверсии для повышения сенсибилизированных красителем солнечные сотовый Ответ на Sub-запрещенной Света
Summary
Интегрированное устройство, включающее в сенсибилизированных красителем солнечные ячейки и триплет-триплет аннигиляции повышающего преобразования блока было произведено, предоставляя улучшенную светосбор, из более широкого части солнечного спектра. Под умеренным уровнем облучения значительно усовершенствована ответ на низких фотонов энергии было продемонстрировано, уступая рекордное добротности для сенсибилизированных красителем солнечных батарей.
Abstract
Плохой ответ сенсибилизированных красителем солнечных батарей (DSC) в красной и инфракрасного света является значительным препятствием на пути реализации высших фототоков и, следовательно, более высокой эффективностью. Фотон до преобразования путем триплет-триплетной аннигиляции (ТТА-UC) является привлекательным методом для использования этих противном случае впустую низкие энергетические фотоны для получения фототока, а не препятствующим протеканию photoanodic производительности в вредным образом. В дополнение к этому, TTA-UC имеет ряд особенностей, отличную от других зарегистрированных фотонов до преобразования технологий, что делает его особенно подходящим для соединения с технологией DSC. В этой работе, проверенной высокоэффективной системы TTA-UC, содержащей палладий порфирина сенсибилизатора и рубрен излучатель, в сочетании с высокой производительностью ДСК (используя D149 органический краситель) в комплексной устройства. Устройство показывает повышенную реакцию на суб-запрещенной света в диапазоне поглощения TTA-UC подразделения результате в высшей Fiфигура заслуг Для преобразования помощь производительность DSC на сегодняшний день.
Introduction
Сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSC) были провозглашены в качестве перспективного концепции в доступной солнечной коллекции энергетической 1-3. Несмотря на это энтузиазм, широкой коммерциализации пока не произошло. Ряд причин были выдвинуты для этого, с одной насущной проблемой является относительно высокая энергия начала поглощения, ограничивая достижимую эффективность свет уборки этих устройств 4. Хотя это может быть преодолено, понижая начало поглощения, как правило, сопровождается падением напряжения холостого хода, который непропорционально подрывает любые успехи в плотности тока 5, 6.
Общее действие преобразователи цифровых сигналов включает в себя перенос электронов от фотовозбужденного красителя к полупроводника (обычно TiO 2), за которым следует восстановление окисленного красителя с помощью окислительно-восстановительного медиатора. Оба эти процесса, по всей видимости потребует существенных движущих сил (потенциальных), чтобы продолжить с высокой эффективностью 7 </suр>. При таких значительных присущих потерь, то становится очевидным, что оптимальное начало поглощения для этих устройств является достаточно высокой энергетической ценностью. Аналогичные проблемы существуют для органических солнечных батарей (ОПВ), в связи еще раз больших химических движущих сил, необходимых для эффективного разделения зарядов. Соответственно, прогнозы верхних солнечных в электрическую пределах эффективности преобразования до одиночных устройств сопряжения на основе обоих этих технологий заключается поглотители с широкими зазорами (эффективная) группы 4.
Для того чтобы преодолеть световой вопрос уборки поднятый выше, были приняты ряд подходов. Это включает в себя 'третьего поколения' 8 подходов тандемных структур 9, 10 и фотонов масштабированию 11-14.
Недавно мы сообщали, 11 интегрированного устройства, состоящего из рабочего ДСК и противоположным электродом, с триплет-триплетной аннигиляции на основе до-преобразования (ТТА-UC) включены в системуструктуре. Этот элемент ТТА-UC смог собрать красный свет, прошедший через активный слой и химически преобразовать его (как подробно описано ниже) на более высокие энергии фотонов, которые могут быть покрыты активным слоем в ЦФК и генерируют фототок. Есть два важных моментов об этой системе. Во-первых, TTA-UC имеет много потенциальных преимуществ по сравнению с другими системами фотон Upconversion 11; во-вторых, демонстрирует свой посильный архитектуры (доказательством правильности принципа) для включения TTA-UC, который был не хватает от TTA-UC литературы до этого момента.
Процесс TTA-UC 15-24 включает в себя возбуждение сенсибилизатора "" молекул, в данном случае Pd порфиринов, светом с энергией ниже устройства началом энергии. Синглетное-возбужденных сенсибилизаторами подвергаются быстрому интеркомбинационной к триплетному наименьшей энергией. Оттуда они могут передавать энергию в основном состоянии триплет-приема 'излучателя & #8217; виды, такие как рубрена тех пор, пока передача разрешена путем свободной энергии 25. Первый триплет состояние рубрена (T 1) больше половины энергии его первом состоянии рады синглетного (S 1), но менее половины энергии T 2, это означает, что встреча комплекс из двух триплетных возбужденных rubrenes может уничтожить до дать один синглетный возбужденную молекулу эмиттер (а другой в основном состоянии) с довольно высокой вероятностью. Другие государства, статистически прогнозируемые, скорее всего энергетически недоступными для рубрена 26. Молекула синглет рады рубрен может испустить фотон (как за флуоресценции) с энергией, достаточной для возбуждения красителя на рабочем электроде ЦФК. Этот процесс показан на анимации 1.
TTA-UC предлагает ряд преимуществ по сравнению с другими системами UC, таких как в широком диапазоне поглощения и некогерентного характера 27, 28, что делает его привлекательным вариантом для куPling с ДСК (а также ОПВ). TTA-UC была продемонстрирована работает при относительно низких интенсивностей света и в диффузных условиях освещения. Оба DSC и ОПВ являются наиболее эффективными в режиме низкой интенсивности света. Солнечная концентрация дорого и только оправданным для высокой эффективности, высокой устройств затрат. Относительно высокая производительность систем TTA-UC в условиях низкой освещенности интенсивность объясняется процесса с участием сенсибилизатора хромофоры с сильными, широких полос поглощения в концерте с долгоживущих триплетных состояний, которые способны диффундировать в целях вступают в контакт с взаимодействующих видов . Кроме того, ТТА-UC было установлено, обладают высокой характеристической эффективности от кинетической исследовании 26.
Несмотря на то, ТТА-UC работает при низкой интенсивности света, по-прежнему существует квадратичная зависимость между интенсивностью падающего света и света, излучаемого (по крайней мере при низких интенсивностей света). Это связано с бимолекулярного характера процесса. Для учетадля этого и разнообразных экспериментальных условиях (в частности, интенсивность света) данных различных групп, добротность системы (ФОМ) должны быть использованы для метр на улучшение производительности, предлагаемые преобразования частоты. Это FoM была определена как Æ-SC / ʘ, где Æ-SC является увеличение тока короткого замыкания (обычно определяется по интеграции падающего фотона, необходимую для зарядки Carrier эффективности, IPCE, с и без повышающего преобразования эффекта) и ʘ является эффективным солнечной концентрация (на основе фотонного потока в соответствующем регионе, то есть поглощение Q-полоса сенсибилизатора) 2 29.
При этом протокол по производству и правильно характеризующие комплексный устройство DSC-TTA-UC Сообщается, обращая особое внимание на потенциальные проблемы в тестировании устройств. Хочется надеяться, что это будет служить в качестве основы для дальнейшей работы в этой области.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол обеспечивает средства для достижения фотон до-преобразования расширенной ДСК и подробно о том, как правильно измерить такое устройство. FoM позволяет простой подсчет ожидаемых улучшений Æ-SC и следовало ожидать при различной интенсивности света, в том числе на 1 Вс Зн…
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).
