University of Groningen
Transfer of Triplet Excitons in Singlet Fission-Silicon Solar Cells
Daiber, Benjamin
DOI:
10.33612/diss.163964740
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2021
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Daiber, B. (2021). Transfer of Triplet Excitons in Singlet Fission-Silicon Solar Cells: Experiment and Theory Towards Breaking the Detailed-Balance Efficiency Limit. University of Groningen.
https://doi.org/10.33612/diss.163964740
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
160 bibliography
the FRET model from Chapter II to calculate a realistic but optimistic solar cell efficiency that is much higher than of just the silicon solar cell alone. Transfer can also happen by directly transferring the triplet exciton via Dexter transfer, for which we find an even higher efficiency, if the energy levels of the singlet fission material and silicon match well. The last transfer mechanism we discuss is via charge transfer, dissociating the triplet exciton at the silicon interface. This transfer mechanism has the highest efficiency gains of the three and puts the least constraints in the singlet exciton energies, but also adds experimental complexity.
chapter 4 discusses a new method of detecting evidence for triplet exciton transfer by quenching of the delayed photoluminescence of tetracene, a singlet fission material, on a silicon surface. Detecting quench-ing is necessary to determine if transfer occurs and we combined height maps and photoluminescence lifetime data of hundreds of small tetracene islands to correlate height and lifetime. We model photoluminescence in the islands with a diffusion model and find that we expect shorter lifetimes for thinner islands. We then apply this method to different silicon surface treatments and find that there is no quenching in these specific surface treatments.
chapter 5 demonstrates a singlet fission silicon solar cell with energy transfer of triplet excitons from tetracene into silicon. We detect the characteristic behavior of the solar cell current under a magnetic field and find evidence for triplet energy transfer if the protective layers of the silicon solar cell have been removed and the cell with tetracene has been exposed to air. We then use photoluminescence decay data and fit a differential equation describing the different species in tetracene that allows us to quantify the transfer efficiency. This solar cell is only the second demonstration of a singlet fission-silicon solar cell and works with a surprisingly simple geometry once the crystal packing of the singlet fission material is favorable for energy transfer.
S A M E N VAT T I N G
van de proefschrift:Overdracht van Triplet Excitons in Singlet Splitsing-Siliciumzonnecellen
Experimenten en Theorie Omtrent het Doorbreken van de Efficiëntielimiet van de Gedetailleerde Balans
Deze thesis onderzoekt de theorie en het ontwerp van singlet splitsing-silicium zonnecellen. Singlet splitsing is een proces waarbij één hooge-nergetisch foton kan worden omgezet in twee excitonen met een lagere energie, elk met ruwweg de helft van de oorspronkelijke fotonenergie. Wanneer ze gecombineerd worden met een materiaal met lage band-kloof, zoals silicium, kunnen singlet splitsing materialen de efficiëntie van zonnecellen verhogen door de energie uit het blauwe en groene deel van inkomende licht efficiënter te gebruiken. Om deze droom te kunnen verwezenlijken moeten de triplet excitonen gedissocieerd danwel overgedragen worden zodat de toegevoegde energie van het singlet split-singsproces kan worden geëxtraheerd en kan worden gebruikt als echte bron van elektriciteit. In deze thesis onderzoeken wij enkele theoretische en experimentele inzichten die kunnen helpen om de ontwikkeling van singlet splitsing zonnecellen realiteit te maken.
hoofdstuk 1 introduceert het singlet splitsingsproces en zijn toepas-sing voor zonnecellen. We bediscussiëren het verschil tussen anorganische en organische halfgeleiders en hoe dit verschil uitdagingen vormt wan-neer beiden gecombiwan-neerd worden.
162 bibliography
hoofdstuk 2 beschrijft hoe een dunne laag kwantumpunten kan helpen bij de overdracht van een singlet splitsing materiaal naar silicium. We berekenen de overdrachtsefficiëntie voor het Förster Resonant Energy Transfer-mechanisme en vinden dat, daar silicium en indirecte bandkloof heeft, de overdracht enkel efficiënt kan zijn als de kwantumpuntlaag zich zeer dichtbij het silicium bevindt. We modificeren het standaard FRET-model om de overdracht van een dipooldonor (het kwantumpunt) naar een bulk acceptor (het silicium) en vinden dat de afstandsafhankelijkheid zwakker is, waarmee we een hogere overdrachtsefficiëntie voorspellen dan verwacht kan worden op basis van het standaardmodel.
hoofdstuk 3 bevat berekeningen voor de zonnecelefficiëntie op basis van drie verschillende overdrachtsmechanismes. Eén van deze mecha-nismen is FRET-overdracht waarvoor we het model van Hoofdstuk 2 gebruiken om een realistische, maar optimistische zonnecelefficiëntie te berekenen die een stuk hoger is dan de siliciumcel alleen. Overdracht kan ook plaatsvinden door directe overdracht van het triplet exciton via Dex-teroverdracht, waarvoor we ook een toename in efficiëntie vinden, zolang de energieniveaus van het singlet splitsing materiaal goed overeenkomen met de energieniveaus van silicium. Het laatste overdrachtsmechanisme dat we bediscussiëren is ladingsoverdracht, waarbij het triplet exciton gescheiden wordt op het contactvlak met silicium. Dit mechanisme leidt tot de hoogste efficiëntie.
hoofdstuk 4 bediscussieert een nieuwe methode voor het detecte-ren van de energieoverdracht van triplet excitonen vanuit tetraceen, een singlet splitsing materiaal, op silicium via de afname van de fotolumines-centie. Het detecteren van deze afname is een voorwaarde om te bepalen of tripletoverdracht plaatsvindt. We combineerden hoogtekaarten en de levensduur van het stralend verval van honderden kleine eilanden te-traceen om materiaaldikte en levensduur te correleren. We modeleren fotoluminescentie in de eilanden met een diffusiemodel en verwachten een kortere levensduur van het stralend verval in dunnere eilanden. We passen deze methode toe op siliciumoppervlakken met verschillende
bibliography 163 oppervlaktebehandelingen en vinden dat er geen luminiscentie-afname plaatsvindt bij deze specifieke behandelde oppervlakken.
hoofdstuk 5 beschrijft een daadwerkelijke singlet splitsing zonnecel met overdracht tussen tetraceen en silicium. Onder een magnetisch veld kunnen wij karakteristiek gedrag voor tripletexcitonoverdracht waarne-men in de zonnecelstroom. We vinden alleen bewijs voor deze overdracht als de beschermende lagen van de siliciumzonnecel zijn verwijderd en de cel met tetraceen is blootgesteld aan lucht. Vervolgens gebruiken we verval van fluorescentie en doen een regressie-analyse van een diffe-rentiaalvergelijking die de verschillende soorten excitonen in tetraceen beschrijft, waarmee we de overdrachtsefficiëntie kunnen bepalen. Deze zonnecel is slechts de tweede demonstratie van een singlet splitsing-silicium zonnecel en werkt met een verrassend eenvoudige geometrie zodra de kristalordening van het singlet-splitsing materiaal gunstig is voor de energieoverdracht.
162 bibliography
hoofdstuk 2 beschrijft hoe een dunne laag kwantumpunten kan helpen bij de overdracht van een singlet splitsing materiaal naar silicium. We berekenen de overdrachtsefficiëntie voor het Förster Resonant Energy Transfer-mechanisme en vinden dat, daar silicium en indirecte bandkloof heeft, de overdracht enkel efficiënt kan zijn als de kwantumpuntlaag zich zeer dichtbij het silicium bevindt. We modificeren het standaard FRET-model om de overdracht van een dipooldonor (het kwantumpunt) naar een bulk acceptor (het silicium) en vinden dat de afstandsafhankelijkheid zwakker is, waarmee we een hogere overdrachtsefficiëntie voorspellen dan verwacht kan worden op basis van het standaardmodel.
hoofdstuk 3 bevat berekeningen voor de zonnecelefficiëntie op basis van drie verschillende overdrachtsmechanismes. Eén van deze mecha-nismen is FRET-overdracht waarvoor we het model van Hoofdstuk 2 gebruiken om een realistische, maar optimistische zonnecelefficiëntie te berekenen die een stuk hoger is dan de siliciumcel alleen. Overdracht kan ook plaatsvinden door directe overdracht van het triplet exciton via Dex-teroverdracht, waarvoor we ook een toename in efficiëntie vinden, zolang de energieniveaus van het singlet splitsing materiaal goed overeenkomen met de energieniveaus van silicium. Het laatste overdrachtsmechanisme dat we bediscussiëren is ladingsoverdracht, waarbij het triplet exciton gescheiden wordt op het contactvlak met silicium. Dit mechanisme leidt tot de hoogste efficiëntie.
hoofdstuk 4 bediscussieert een nieuwe methode voor het detecte-ren van de energieoverdracht van triplet excitonen vanuit tetraceen, een singlet splitsing materiaal, op silicium via de afname van de fotolumines-centie. Het detecteren van deze afname is een voorwaarde om te bepalen of tripletoverdracht plaatsvindt. We combineerden hoogtekaarten en de levensduur van het stralend verval van honderden kleine eilanden te-traceen om materiaaldikte en levensduur te correleren. We modeleren fotoluminescentie in de eilanden met een diffusiemodel en verwachten een kortere levensduur van het stralend verval in dunnere eilanden. We passen deze methode toe op siliciumoppervlakken met verschillende
bibliography 163 oppervlaktebehandelingen en vinden dat er geen luminiscentie-afname plaatsvindt bij deze specifieke behandelde oppervlakken.
hoofdstuk 5 beschrijft een daadwerkelijke singlet splitsing zonnecel met overdracht tussen tetraceen en silicium. Onder een magnetisch veld kunnen wij karakteristiek gedrag voor tripletexcitonoverdracht waarne-men in de zonnecelstroom. We vinden alleen bewijs voor deze overdracht als de beschermende lagen van de siliciumzonnecel zijn verwijderd en de cel met tetraceen is blootgesteld aan lucht. Vervolgens gebruiken we verval van fluorescentie en doen een regressie-analyse van een diffe-rentiaalvergelijking die de verschillende soorten excitonen in tetraceen beschrijft, waarmee we de overdrachtsefficiëntie kunnen bepalen. Deze zonnecel is slechts de tweede demonstratie van een singlet splitsing-silicium zonnecel en werkt met een verrassend eenvoudige geometrie zodra de kristalordening van het singlet-splitsing materiaal gunstig is voor de energieoverdracht.
L I ST O F P U B L I C AT I O N S
The Chapters of this thesis are based on the following publications: 1. Stefan W Tabernig*, Benjamin Daiber*, Tianyi Wang, and Bruno
Ehrler. "Enhancing Silicon Solar Cells with Singlet Fission: the Case for Förster Resonant Energy Transfer Using a Quantum Dot Intermediate" In: Journal of Photonics for Energy (2018)
2. Benjamin Daiber, Koen vd Hoven, Moritz H Futscher, and Bruno Ehrler. "Realistic Efficiency Limits for Singlet Fission Silicon Solar Cells" In: In Preparation (2020)
3. Benjamin Daiber, Sidharam P Pujari, Steven Verboom, Stefan L Luxembourg, Stefan W Tabernig, Moritz H Futscher, Jumin Lee, Han Zuilhof, and Bruno Ehrler. "A Method to Detect Triplet Exciton Transfer from Singlet Fission Materials into Silicon Solar Cells: Comparing Different Surface Treatments" In: The Journal of Chemical Physics (2020)
4. Benjamin Daiber*, Sourav Maiti*, Silvia M Ferro, Joris Bodin, Alyssa FJ van den Boom, Stefan L Luxembourg, Sachin Kinge, Sidharam P Pujari, Han Zuilhof, Laurens DA Siebbeles, and Bruno Ehrler. "Change in Tetracene Polymorphism Facilitates Triplet Transfer in Singlet Fission-Sensitized Silicon Solar Cells" In: The Journal of Physical Chemistry Letters (2020)
