DE102010033025A1 - Fabrication of alternative structure of flexible dye-sensitized solar cell and plastic solar cell involves forming optically-transparent three-dimensional cathode and bottom layer containing high-conductive carbon nanotubes on cathode - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Aufbau einer flexiblen, alternativen, farbstoffsensibilisierten, organischen Solarzelle:
(wie angemeldet unter Aktenzeichen: 102009017481.8-33)
und deren Kombination mit der organischen Polymerzelle:
(wie angemeldet unter Aktenzeichen: 102009051068.0)
zur TandemsolarzelleThe present invention relates to methods for constructing a flexible, alternative, dye-sensitized, organic solar cell:
(as registered under file number: 102009017481.8-33)
and their combination with the organic polymer cell:
(as registered under file number: 102009051068.0)
to the tandem solar cell
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Bereitstellung von Substraten zur Herstellung zweidimensional-kristalliner, stabförmiger Farbstoffmolekülmonoschichten und in zwei Varianten zur Herstellung von Polymerdonor-Farbstoffakzeptor-Molekülmonoschichten (SAMs).Furthermore, the present invention relates to the provision of substrates for the production of two-dimensionally crystalline, rod-shaped dye molecule monolayers and in two variants for the preparation of polymer donor dye acceptor molecule monolayers (SAMs).
Farbstoffsensibilisierte organische Solarzellen bieten sich als eine vielversprechende, billige Photovoltaiktechnologie an. Sie sind aufgrund der Möglichkeiten hinsichtlich günstiger und vielseitiger Herstellungsverfahren ein aktuelles Forschungsthema.Dye-sensitized organic solar cells offer themselves as a promising, cheap photovoltaic technology. They are due to the possibilities of cheap and versatile manufacturing processes, a current research topic.
Vorteile sind:
Geringe Herstellungskosten aufgrund billiger Produktionstechnologien.
Flexibilität, Transparenz und einfache Handhabung.
Hohe Umweltverträglichkeit.
Anpassung an das Sonnenspektrum durch gezielte Farbstoffsynthese.Advantages are:
Low manufacturing costs due to cheap production technologies.
Flexibility, transparency and easy handling.
High environmental compatibility.
Adaptation to the solar spectrum through targeted dye synthesis.
Die Funktionsweise der klassischen Farbstoffsolarzelle beruht auf der Ladungstrennung in einem Farbstoff, der sich an der Grenzfläche zwischen einem anorganischen Halbleiter und einem Lochleiter befindet.The operation of the classical dye solar cell is based on the charge separation in a dye, which is located at the interface between an inorganic semiconductor and a hole conductor.
Farbstoffsensibilisierte, organische Solarzellen vom Typ Grätzelzelle oder ihre Varianten bestehen aus einer leitfähigen, optisch transparenten Anode (z. B. ITO- mit einer Schichtdicke von typischerweise 500 nm). Diese ist beschichtet mit einem porösen Netzwerk aus TiO2-Nanokristallen.Dye-sensitized Grätzel cell organic solar cells or their variants consist of a conductive, optically transparent anode (eg ITO with a layer thickness of typically 500 nm). This is coated with a porous network of TiO2 nanocrystals.
TiO2 ist ein Halbleiter mit einem Bandabstand von ca. 3.2 eV, was einer Wellenlänge kleiner als 400 nm entspricht um ein Elektron vom Valenzband ins Leitungsband zu befördern. Es ist deshalb im sichtbaren Bereich nicht sensibel und absorbiert erst im nahen UV Bereich. An den TiO2 – Nanopartikeln wird ein Farbstoff z. B. auf Rutheniumbasis oder ein metallfreier Farbstoff über spezifische, Elektronen-injizierende Gruppen (Hydroxy, Carboxy, Phosphons ...) als möglichst monomolekulare Schicht verankert. Wichtig ist dabei, dass das TiO2 eine sehr große Porosität besitzt, so dass die aktive Fläche einige hundert mal größer ist als die geometrische Fläche. Denn nur das in der monomolekularen Schicht des Farbstoffs absorbierte Licht bestimmt die Ausbeute der Zelle.TiO2 is a semiconductor with a band gap of about 3.2 eV, which corresponds to a wavelength of less than 400 nm to move one electron from the valence band to the conduction band. It is therefore not sensitive in the visible range and absorbs only in the near UV range. On the TiO2 - nanoparticles is a dye z. B. ruthenium-based or a metal-free dye via specific, electron-injecting groups (hydroxy, carboxy, phosphonic ...) anchored as possible monomolecular layer. It is important that the TiO2 has a very large porosity, so that the active area is several hundred times larger than the geometric area. Because only the light absorbed in the monomolecular layer of the dye determines the yield of the cell.
Der wesentliche physikalische Trick besteht in der monomolekularen Dicke des Farbstoffs. Die physikalischen Eigenschaften eines kleinen Teilchens (Q-Teilchen, wegen des quantenmechanischen Effekts) verändern sich, wenn die Abmessungen in atomare Dimensionen kommen. In einem solchen Q-Teilchen können sich die Elektronen nicht mehr so frei bewegen wie in einem Kristall, sie spüren den Einfluss der Wände. Je kleiner ein Q-Teilchen oder je dünner eine Schicht ist, um so größer ist die Aufspaltung in diskrete Energieniveaus. Die Energieaufspaltung bei den entsprechenden Teilchen ist nun so groß, dass jetzt die bei der Absorption von Licht erzeugten Elektronen eine Energie erhalten, die über dem Leitungsbandniveau von Titandioxid liegt. Die Lichterzeugten Elektronen können jetzt in das Leitungsband des n-Halbleiters TiO2 übergehen. Die erzeugten Ladungen migrieren und werden an der Anode gesammelt. Aus der Anode fließen die Elektronen über den Verbraucher, der die zugeführte Energie umwandelt (verbraucht) zur Gegenelektrode (Kathode). Der Elektronenverlust des Farbstoffs wird ultraschnell durch einen Redoxelektrolyt (etwa Jod/Kaliumjodid-Elektrolytlösung) ausgeglichen (Wiederherstellung des Grundzustands), der durch die an der Gegenelektrode eintretenden Elektronen wieder reduziert wird. Die poröse TiO2-Schicht ist dazu mit einem Lochleitermaterial durchdrungen, bei dem es sich um einen flüssigen Redoxelektrolyten oder um ein festes oder gelartiges Material handeln kann. Der Injektionsprozess dauert weniger als 25 fs, die Rückkehr der Elektronen aus dem TiO2 auf den ionisierten Farbstoff benötigt Millisekunden, während das flüssige Redoxsystem (Iod/Iodid) bereits nach ca. 100 ns wieder regeneriert wird.The essential physical trick is the monomolecular thickness of the dye. The physical properties of a small particle (Q particles, because of the quantum mechanical effect) change when the dimensions come in atomic dimensions. In such a Q-particle, the electrons can not move as freely as in a crystal, they feel the influence of the walls. The smaller a Q particle, or the thinner a layer, the greater is the splitting into discrete energy levels. The energy split in the corresponding particles is now so great that now the electrons generated by the absorption of light receive an energy that is above the conduction band level of titanium dioxide. The light-generated electrons can now pass into the conduction band of the n-type semiconductor TiO2. The generated charges migrate and are collected at the anode. From the anode, the electrons flow through the load, which converts the consumed energy (consumed) to the counter electrode (cathode). The electron loss of the dye is ultra-fast compensated by a redox electrolyte (such as iodine / potassium iodide electrolyte solution) (restoration of the ground state), which is again reduced by the electrons entering at the counter electrode. The porous TiO 2 layer is penetrated by a hole conductor material, which may be a liquid redox electrolyte or a solid or gel-like material. The injection process takes less than 25 fs, the return of the electrons from the TiO2 to the ionized dye takes milliseconds, while the liquid redox system (iodine / iodide) is regenerated after about 100 ns.
Intensive Studien und Optimierungsversuche, die Veränderungen am nanokristallinen Halbleiter, am Redoxelektrolyt, am Farbstoff, an der Farbstoffbeschichtung und an der Zellverkapselung umfassten, führten bis zur Stunde nicht zu langzeitstabilen Zellen mit ausreichendem Wirkungsgrad und ökonomischer Relevanz.Intensive studies and optimization experiments involving changes in the nanocrystalline semiconductor, the redox electrolyte, the dye, the dye coating and the cell encapsulation did not lead to long-term stable cells with sufficient efficiency and economic relevance.
Nachteilig ist dabei, dass der Lochleiter dieser Zellen aus einer Iodid/ Triiodid-Lösung besteht, die eine schlechte Langzeitstabilität aufweist und einen aufwändigen Fertigungsprozess zur Folge hat.The disadvantage here is that the hole conductor of these cells consists of an iodide / triiodide solution, which has a poor long-term stability and has a complex manufacturing process result.
Während des Redoxprozesses auftretendes Jod ist flüchtig, weshalb die Zelle abgedichtet werden muss (Langzeitversiegelung). Außerdem kann der Iodid/Triiodid-Elektrolyt die Pt-Elektrode korrodieren. Die Elektrolyte durchdringen die komplette Zelle und können deshalb zu unerwünschten Kriechströmen führen. Ihre Leitfähigkeit kann auch zum Abbau der Spannung zwischen den Elektroden beitragen.During the redox process occurring iodine is volatile, which is why the cell must be sealed (long-term sealing). In addition, the iodide / triiodide electrolyte can corrode the Pt electrode. The electrolytes penetrate the entire cell and can therefore be undesirable Creepage currents lead. Their conductivity can also contribute to reducing the voltage between the electrodes.
Auf der Suche nach verbesserten Zellentwürfen wurde neben Elektrolytsystemen eine Reihe alternativer Redoxmediatoren erforscht:
Iodid/Triiodid in Matrixmaterialien aus festen Polymeren, Gelen, ionische Flüssigkeiten, eine lösungsmittelfreie Schmelze dreier Salze, anorganische Feststoffe, organische Polymere und organisch-niedermolekulare Lochleiter und andere ....In the search for improved cell designs, a number of alternative redox mediators have been explored in addition to electrolyte systems:
Iodide / triiodide in matrix materials of solid polymers, gels, ionic liquids, a solvent-free melt of three salts, inorganic solids, organic polymers and organic-low molecular weight hole guides and others ....
Dabei wurde weder die gewünschte Lebensdauer noch ein ausreichender Wirkungsgrad gefunden!Neither the desired lifetime nor sufficient efficiency was found!
Beim Aufbringen der Farbstoffe auf die poröse TiO2-Schicht oder beim Einbau der Farbstoffe in alle anderen Farbstoffsolarzelltypen ordnen sich diese nicht als zweidimensional-kristalline monomolekulare Schicht, sondern mit unterschiedlicher Schichtdicke irregulär nebeneinander- und übereinanderliegend mit dadurch bedingten zahlreichen Verlustprozessen.When the dyes are applied to the porous TiO 2 layer or when the dyes are incorporated into all other types of dye solar cells, they do not arrange as a two-dimensionally crystalline monomolecular layer, but irregularly next to one another with different layer thicknesses and with numerous loss processes due to them.
Die eingesetzten Farbstoffe neigen in Lösung und erst recht auf der TiO2-Oberfläche zur Aggregation, was je nach Partikelgrösse mehr oder weniger stark die angeregten Zustände desaktiviert.The dyes used tend to aggregate in solution and even more on the TiO 2 surface, which depending on the particle size, more or less strongly deactivates the excited states.
Eine weitere Frage die noch der Antwort harrt ist der optimale Farbstoff.Another question that still awaits the answer is the optimal dye.
Bei der geforderten Lebensdauer der Zelle von 20–30 Jahren muss der Farbstoff viele 100 Millionen mal den Oxidation-Reduktionsprozess durchlaufen. Übergangsmetallkomplexe mit Ruthenium zeigen zwar Werte von 50 Millionen Zyklen, haben aber einen zu hohen Preis.With the required lifetime of the cell of 20-30 years, the dye must go through many hundreds of millions of times the oxidation-reduction process. Although transition metal complexes with ruthenium show values of 50 million cycles, they are too expensive.
Ein Problem ganz anderer Art, ist der Aufbau der Anode, dort wird das TiO2 bei 450–500C° eingebrannt.A problem of a completely different kind is the structure of the anode, where the TiO2 is baked at 450-500C °.
Die Herstellung einer flexiblen Farbstoffsolarzelle ist auf diesem Wege somit unmöglich.The production of a flexible dye solar cell is thus impossible in this way.
Die Druckschrift
Jedoch erfolgt dort der Aufbau in Form einer Schichtstruktur.However, there is the structure in the form of a layered structure.
Aufgabe ist nun, einen verbesserten Zelltyp durch Aufbau zweidimensional-kristalliner Monoschichten bereitzustellen.The task is now to provide an improved cell type by building two-dimensionally crystalline monolayers.
Alternative Zellentwürfe sollen über eine Reihe von Neuerungen, die bei der Herstellung von Farbstoffsolarzellen unter Verwendung des oben beschriebenen Konzepts, aber auch in anderen Zelltypen und deren Varianten auftretende Mängel, die Aufbau, Funktionsweise und Material betreffen, stark reduzieren oder beseitigen.Alternative cell designs are said to greatly reduce or eliminate a number of innovations relating to the production of dye-sensitized solar cells using the concept described above, but also to deficiencies in other cell types and their variants, such as structure, functionality and material.
Aufgabenstellungtask
Es sind bisher kein Verfahren bekannt, das die Morphologie der verschiedenen Farbstoffsolarzell-Typen dahingehend optimiert, daß bei maximaler Zelloberfläche die Farbstoffmoleküle auf dieser als geordnete, selbstaggregierende, zweidimensional-kristalline, monomolekulare Farbstoffschicht (SAM) aufgebaut werden können.There are no known method that optimizes the morphology of the various types of dye solar cell in that at maximum cell surface, the dye molecules can be built on this as an ordered, self-aggregating, two-dimensional crystalline, monomolecular dye layer (SAM).
Des weiteren ist kein Verfahren bekannt, das die zum Aufbau einer Monoschicht eingesetzten stabförmigen Donor-Akzeptor Farbstoffmoleküle ((D-A) Moleküle), die mit einer Ankergruppe am Donor und an der Kopfgruppe am Akzeptor mit einer Injektionsgruppe funktionalisiert sind, bereitstellt.Furthermore, no method is known which provides the monolayer rod-shaped donor-acceptor dye molecules ((D-A) molecules) functionalized with an anchor group on the donor and on the head group on the acceptor with an injection group.
Auch sind keine Verfahren bekannt, in denen Polymere und Farbstoffe in einer Tandemzelle in cofacialer oder linearer Anordnung (entlang der Molekülachse) elektronisch interagieren und die zum Aufbau einer Monoschicht notwendigen stabförmigen Donor-Akzeptor Moleküle ((D-A) Moleküle), die mit einer Ankergruppe am Donor, am Akzeptor (Kopfgruppe) mit einer Injektionsgruppe funktionalisiert sind, bereitstellenAlso, no methods are known in which polymers and dyes in a tandem cell in cofacial or linear arrangement (along the molecular axis) electronically interact and the necessary for building a monolayer rod-shaped donor-acceptor molecules ((DA) molecules) with an anchor group on Donor, functionalized at the acceptor (head group) with an injection group
Ebenso sind keine Verfahren bekannt, in denen das oxidierte Farbstoffmolekül nicht durch einen Redoxmediator, sondern direkt durch einen Tunnelstrom reduziert wird.Similarly, no methods are known in which the oxidized dye molecule is not reduced by a redox mediator, but directly by a tunneling current.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb eine Farbstoffsolarzelle verfügbar zu machen, deren Morphologie eine maximal mögliche, aktive Zelloberfläche bereitstellt, auf dieser eine selbstaggregierende, geordnete, zweidimensional-kristalline Farbstoffmonoschicht aufzubauen und die oxidierten Farbstoffmoleküle nicht durch einen Redoxmediator, sondern direkt durch einen Tunnelstrom, zu reduzieren.The object of the present invention is therefore to provide a dye-sensitized solar cell whose morphology provides a maximally possible, active cell surface to build up a self-aggregating, ordered, two-dimensionally crystalline dye monolayer on this and the oxidized dye molecules not by a redox mediator, but directly by a tunneling current, to reduce.
Gemäß dem Aspekt der Erfindung werden Verfahren zum inversen Aufbau einer alternativen organischen Farbstoffsolarzelle und zweier Tandemzellen bereitgestellt.According to the aspect of the invention, methods are provided for inverse construction of an alternative organic dye solar cell and two tandem cells.
Die FarbstoffsolarzelleThe dye solar cell
Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt folgende Aufbauschritte und Materialien:
Der sequentielle Zellaufbau erfolgt ausgehend von der Kathode.
Die Kathode besteht aus einer flexiblen Polymerfolie, die mit einem transparenten, leitfähigen Oxid (TCO) wie SnO2/ITO, ZnO und anderen, dem Fachmann bekannte Materialien sowie mit Pt, Au, Cu, Ag und C in den Modifikationen Graphen oder Graphit beschichtet ist.The process according to the invention comprises the following construction steps and materials:
The sequential cell assembly takes place starting from the cathode.
The cathode consists of a flexible polymer film which is coated with a transparent, conductive oxide (TCO) such as SnO 2 / ITO, ZnO and other materials known to those skilled in the art as well as with Pt, Au, Cu, Ag and C in the graphene or graphite modifications ,
Um die aktive Oberfläche der Zelle vielhundertfach zu vergrößern und zugleich eine ausreichende Porosität bereitzustellen, wird die Kathode durch ein loses, dreidimensionales Netzwerk aus optisch transparenten, höchstleitfähigen Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) „erweitert”In order to increase the active surface of the cell many hundreds of times and at the same time provide sufficient porosity, the cathode is "extended" by a loose, three-dimensional network of optically transparent, highly conductive carbon nanotubes (CNTs).
Alle CNTs sind konnektiv und durchgängig leitfähig.All CNTs are connective and consistently conductive.
Aufgebracht auf die Kathode werden die CNTs durch herkömmliche Techniken, beispielsweise durch Spincoating, Sputtering, Drucktechnik, Laminierung und andere.The CNTs are deposited on the cathode by conventional techniques such as spin coating, sputtering, printing, lamination and others.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung werden zwecks guter Haftung und Optimierung des Elektronentransfers zwischen Kathode und CNT-Netzwerk und Vermeidung einer Phasengrenze, Kathode und unterste Schicht des CNT-Netzwerks durch Orbitalüberlappung direkt oder mit einer „chemischen Klammer” verbrückt, wobei entsprechend der Beschichtung der Kathode je nach Bedarf die CNTs auf ihrer Oberfläche unverändert, dekoriert oder weniger geeignet, funktionalisiert, eingesetzt werden.According to one aspect of the invention, for good adhesion and optimization of electron transfer between cathode and CNT network and avoidance of phase boundary, the cathode and bottom layer of the CNT network are bridged by orbital overlap directly or with a "chemical clamp", corresponding to the coating of the cathode as required, the CNTs on their surface unchanged, decorated or less suitable, functionalized, are used.
Bei einem bevorzuten Verfahren der Erfindung verbrücken auf ihrer Oberfläche unveränderte CNTs mit der untersten Schicht des CNT-Netzwerks mit der zuoberst Graphit oder Graphen beschichteten Kathode durch π-π Interaktion (π-Stapelung)In a preferred method of the invention, on its surface, unchanged CNTs bridge with the lowest layer of the CNT network with the top graphite or graphene-coated cathode by π-π interaction (π-stacking)
Bei einem bevorzugten Verfahren der Erfindung verbrücken auf ihrer Oberfläche mit literaturbekannten Thiol- oder Dithiocarbonat-bindenden Halbleitern wie ITO, ZnSe, SnO2, ZnO oder anderen, dekorierte CNTs mit der untersten Schicht des CNT-Netzwerks mit der Kathode mit „chemischen Klammem” kovalent.In a preferred method of the invention, on its surface, with cited thiol- or dithiocarbonate-bonding semiconductors such as ITO, ZnSe, SnO2, ZnO, or others, covalently decorated CNTs covalently bond to the bottom most layer of the CNT network with the "chemical clamp" cathode.
Als chemische Klammern werden mit Dithiocarbonsäure(ester) parafunktionalisierte Tetraphenylmethan-Tetrapoden oder zwei durch einen kurzen molekularen Draht miteinander verbrückte, in para-Stellung mit Dithiocarbonsäure(ester) funktionalisierte Triphenylmethylgruppen, die auf der Kathodenoberfläche je nach Positionierung des Moleküls dreifach oder zweifach binden, eingesetzt.As chemical brackets with dithiocarboxylic acid (ester) parafunctional tetraphenylmethane tetrapods or two bridged by a short molecular wire, in para-position with dithiocarboxylic acid (ester) functionalized triphenylmethyl groups which bind three or two times on the cathode surface, depending on the positioning of the molecule ,
Bei einem wenig bevorzugten Verfahren der Erfindung werden aufgrund der mit chemischen Gruppen wie Hydroxy, Amino, Carbonsäure und anderen, unvollständig funktionalisierten Oberfläche der CNTs, aber auch wegen ihrer durch Funktionalisierung mehr oder weniger stark veränderten intrinsischen Eigenschaften, diese unter Vorbehalt und nur ersatzweise eingesetzt, wobei die unterste Schicht des CNT-Netzwerks kovalent mit der Kathode verbrückt.In a less preferred method of the invention, these are used with reservations and only as an alternative, due to the chemical properties such as hydroxy, amino, carboxylic acid and other, incompletely functionalized surface of the CNTs, but also because of their more or less modified by functionalization intrinsic properties, the bottom most layer of the CNT network covalently bridging with the cathode.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden auf dem auf der Kathode fest verankerten CNT-Netzwerk (erweiterte Kathode) die stabförmigen (D-A) Farbstoffmoleküle als zweidimensional-kristalline Monoschicht aus Lösung abgeschieden und verankert.According to a further aspect of the invention, the rod-shaped (D-A) dye molecules are deposited and anchored as a two-dimensionally crystalline monolayer of solution on the CNT network (extended cathode) firmly anchored on the cathode.
Abhängig von der Struktur der Ankergruppe positionieren sich die (D-A) Moleküle senkrecht, nahezu senkrecht oder verkippt zur Oberfläche.Depending on the structure of the anchor group, the (D-A) molecules position themselves perpendicularly, almost vertically or tilted to the surface.
Senkrecht oder nahezu senkrecht stehende (D-A) Stabmoleküle mit voluminöser Ankergruppe besitzen die notwendige Distanz zum Nachbarmolekül, so dass sich Spacer untereinander oder Kopfgruppen und Spacer, durch Aufliegen nicht berühren. Ein Kontakt, wie z. B. in der Grätzelzelle oder anderen Zelltypen durch ungeordnete Positionierung der Farbstoffmoleküle desaktiviert angeregte Zustände oder führt zur Übertragung von Elektronen aus der Kopfgruppe (Akzeptor) in den entleerten Donor des Nachbarmoleküls (Elektronenverlustmechanismen).Vertical or nearly perpendicular (D-A) rod molecules with a voluminous anchor group have the necessary distance to the neighboring molecule, so that spacers do not touch each other or head groups and spacers by resting on each other. A contact, such as. B. in the Grätzel cell or other cell types by disordered positioning of the dye molecules deactivates excited states or leads to the transfer of electrons from the head group (acceptor) in the emptied donor of the neighboring molecule (electron loss mechanisms).
Nanopartikel, Polymere oder Komposite, die nach Injektion von Elektronen aus den Akzeptoren unter optimalen Bedingungen die Elektronen nahezu vollständig zur Anode transferieren, führen bei Kontakt mit den oxidierten Donoren einen Teil der Ladung in diese zurück.Nanoparticles, polymers or composites that transfer electrons almost completely to the anode after injection of electrons from the acceptors under optimal conditions, return some of the charge to the anode upon contact with the oxidized donors.
Voluminöse Ankergruppen und solubilisierende Alkylgruppen am Farbstoffmolekül verhindern bei aromatischen, planaren Farbstoffsystemen die unvermeidbare π-Stapelung (Aggregate), die den Aufbau monomolekularer Schichten (SAMs) verhindern.Voluminous anchor groups and solubilizing alkyl groups on the dye molecule prevent unavoidable π-stacking (aggregates) in aromatic, planar dye systems, which prevent the formation of monomolecular layers (SAMs).
Bei einem bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung werden die Farbstoffmoleküle auf den nicht-modifizierten CNTs als SAM aus Lösung abgeschieden und senkrecht zur Substratoberfläche, radial ausgerichtet, physikalisch durch π-π Interaktion (π-Stapelung) verankert.In a preferred method according to the invention, the dye molecules are deposited on the non-modified CNTs as SAM from solution and anchored perpendicularly to the substrate surface, radially aligned, physically by π-π interaction (π-stacking).
Voraussetzung der senkrechten Positionierung der (D-A) Stabmoleküle ist ein symmetrischer dipodaler oder tetrapodaler Anker.Prerequisite for the vertical positioning of the (D-A) rod molecules is a symmetrical dipodal or tetrapodal anchor.
Kern des dipodalen Ankermoleküls ist Triptycen. Zwei der drei im Molekül symmetrisch angeordneten Benzolringe sind erweitert zu Pyren oder Phenanthren, während der dritte, verbleibende Benzolring als Benzo(b)thiophen, Benzo(b)pyrrol, Benzimidazol oder 3-Dialkylaminobenzo(b)thiophen am Fünfring in 2-Position das stabförmige (D-A) Farbstoffmolekül trägt.Core of the dipodal anchor molecule is triptycene. Two of the three symmetrically arranged benzene rings in the molecule are extended to pyrene or phenanthrene, while the third, remaining benzene ring as benzo (b) thiophene, benzo (b) pyrrole, Benzimidazole or 3-dialkylaminobenzo (b) thiophene on the five-membered ring in the 2-position carries the rod-shaped (DA) dye molecule.
Längliche aromatische Moleküle wie Pyren und Phenanthren weisen eine Vorzugsrichtung auf und lassen sich mit dieser parallel zur Röhrenachse anordnen was die mögliche Wechselwirkung maximiert.Elongated aromatic molecules such as pyrene and phenanthrene have a preferred direction and can be arranged parallel to the tube axis with this, which maximizes the possible interaction.
Günstig für eine starke Interaktion ist auch ein recht großer Durchmesser der Nanoröhre. Die Krümmung ihres π-Systems fallt geringer aus und der Abstand zum Aromaten nimmt nach außen hin nicht so stark zu.Favorable for a strong interaction is also a fairly large diameter of the nanotube. The curvature of their π system is less pronounced and the distance to the aromatics increases to the outside not so strong.
Analog der dipodalen Ankergruppe besteht der Kern der tetrapodalen Ankergruppe aus einem Triptycenmolekül, wobei zwei der drei im Molekül symmetrisch angeordneten Benzolringe am C-Atom 2, 3, 6 und 7 direkt oder mittels einer Kohlenwasserstoffbrücke mit einem Aromaten z. B. Benzol, verknüpft sind, während der dritte, verbleibende Benzolring als Benzo(b)thiophen, Benzo(b)pyrrol, Benzimidazol oder 3-Dialkylaminobenzo(b)thiophen am Fünfring in 2-Position das stabförmige (D-A) Farbstoffmolekül trägt.Analogous to the dipodal anchor group, the core of the tetrapodal anchor group consists of a Triptycenmolekül, wherein two of the three symmetrically arranged in the molecule benzene rings on the C atom 2, 3, 6 and 7 directly or by means of a hydrocarbon bridge with an aromatic z. B. benzene, while the third, remaining benzene ring as benzo (b) thiophene, benzo (b) pyrrole, benzimidazole or 3-dialkylaminobenzo (b) thiophene on the five-membered ring in the 2-position carries the rod-shaped (D-A) dye molecule.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung werden die Farbstoffmoleküle auf den dekorierten CNTs als SAM aus Lösung abgeschieden und nahezu senkrecht oder senkrecht zur Substratoberfläche, radial ausgerichtet, chemisch verankert.In a further preferred method according to the invention, the dye molecules are deposited on the decorated CNTs as SAM from solution and chemically anchored nearly perpendicular or perpendicular to the substrate surface, radially aligned.
Voraussetzung der nahezu senkrechten Positionierung der Stabmoleküle auf den dekorierten CNTs ist eine tripodale Ankergruppe, die aus einer in para-Stellung mit Dithiocarbonsäure(ester) funktionalisierten Triphenylmethylgruppe oder einer in para-Stellung mit Dithiocarbonsäure(ester) funktionalisierten 1,3,5 Triphenyladamantylgrupppe besteht.The prerequisite for almost perpendicular positioning of the rod molecules on the decorated CNTs is a tripodal anchor group consisting of a triphenylmethyl group functionalized in the para position with dithiocarboxylic acid (ester) or a 1,3,5 triphenyladamantyl group functionalized in the para position with dithiocarboxylic acid (ester).
Voraussetzung der senkrechten Positionierung der Stabmoleküle auf den dekorierten CNTs ist eine tetrapodale Ankergruppe, die im Kern aus einem Triptycenmolekül besteht wobei zwei der drei im Molekül symmetrisch angeordneten Benzolringe am C-Atom 2, 3, 6 und 7 direkt oder mittels einer Kohlenwasserstoffbrücke mit Dithiocarbonsäure(ester) funktionalisiert sind, während der dritte, verbleibende Benzolring als Benzo(b)thiophen, Benzo(b)pyrrol, Benzimidazol oder 3-Dialkylaminobenzo(b)thiophen am Fünfring in 2-Position das stabförmige (D-A) Farbstoffmolekül trägt Bei einem wenig bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung werden die Farbstoffmoleküle auf den funktionalisierten CNTs als SAM aus Lösung abgeschieden und auf der Substratoberfläche verkippt, monopodal verankert.Prerequisite for the vertical positioning of the rod molecules on the decorated CNTs is a tetrapodal anchor group, which consists of a Triptycenmolekül core two of the three symmetrically arranged in the molecule benzene rings at the C atom 2, 3, 6 and 7 directly or by means of a hydrocarbon bridge with dithiocarboxylic acid ( ester) are functionalized, while the third, remaining benzene ring as benzo (b) thiophene, benzo (b) pyrrole, benzimidazole or 3-dialkylaminobenzo (b) thiophene at the 5-membered ring carries the rod-shaped (DA) dye molecule in a less preferred Processes according to the invention, the dye molecules are deposited on the functionalized CNTs as SAM from solution and tilted on the substrate surface, anchored monopodal.
Ursache der verkippten Positionierung der Stabmoleküle ist als monopodale Ankergruppe eine funktionelle Gruppe wie Hydroxy, Amin, Carbonsäure und andere, die nach bekannten Mechanismen chemisch an die funktionalisierten CNTs binden.The reason for the tilted positioning of the rod molecules as a monopodal anchor group is a functional group such as hydroxy, amine, carboxylic acid and others, which bind chemically to the functionalized CNTs by known mechanisms.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden metallfreie, stabartige Farbstoffe wie sie in Struktur, Stabilität und elektronischen Eigenschaften (ultraschneller, photoinduzierter Elektronentransfer) in
Entlang der Molekülachse wird die Kernstruktur des (D-A) Farbstoffmoleküls an Donor und Akzeptor verändert und erweitert. Der erweiterte Donor erhält zusätzlich eine den Oberflächeneigenschaften des Substrates entsprechende, variable Ankergruppe, der Akzeptor eine Injektionsgruppe.Along the molecular axis, the core structure of the (D-A) dye molecule at donor and acceptor is changed and expanded. The extended donor additionally receives a variable anchor group corresponding to the surface properties of the substrate, and the acceptor receives an injection group.
Als Injektionsgruppen eingesetzt werden Carbonsäure, Phosphonsäure, Sulfonsäure, Hydroxylgruppe, Säureanhydridgruppe und andere, dem Fachmann bekannte, geeignete Gruppen.Carboxylic acid, phosphonic acid, sulfonic acid, hydroxyl group, acid anhydride group and other suitable groups known to those skilled in the art are used as injection groups.
Um eine ausreichende Löslichkeit der Moleküle bereitzustellen, werden diese an ihren Akzeptordomänen und wenn erforderlich an der dipodalen, tripodalen oder tetrapodalen Ankergruppe mit solubilisierenden Gruppen, z. B. linearen oder verzweigten Alkanen, derivatisiert.To provide sufficient solubility of the molecules, they are attached to their acceptor domains and, if necessary, to the dipodal, tripodal or tetrapodal anchor group with solubilizing groups, e.g. As linear or branched alkanes, derivatized.
An den Akzeptordomänen können zusätzliche Donorsubstituenten, die, die Effizienz der Farbstoffe erhöhen, in die Bay-Region eingeführt werden.At the acceptor domains, additional donor substituents which increase the efficiency of the dyes can be introduced into the Bay region.
Bei einem bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung werden in den Donor-Akzeptor-Farbstoffen photostabile Chromophore wie Perylen, Perylenderivate, (Rylenreihe) und weitere verschiedene Farbstoffe eingesetzt, in denen die chromophoren Elektronenakzeptoren ein 4-Aminonaphthalin-1,8-dicarboximid (A) in dem das 4-Amin Stickstoffatom Teil eines Piperazinringes ist, wobei das zweite Stickstoffatom des Piperazinringes Teil eines parasubstituierten Anilindonors ist, dessen Parasubstituent 2,6-Dianvnobenzol in 1-Position mit dem Anilindonor, in 4-Position mit der Ankergruppe verbrückt.In a preferred method according to the invention in the donor-acceptor dyes photostable chromophores such as perylene, perylene derivatives, (Rylenreihe) and other various dyes are used in which the chromophoric electron acceptors a 4-aminonaphthalene-1,8-dicarboximide (A) in the 4-amine nitrogen atom is part of a piperazine ring, the second nitrogen atom of the piperazine ring being part of a para-substituted aniline donor whose para-substituent 2,6-dianvnobenzene bridges in the 1-position with the aniline donor and in the 4-position with the anchor group.
Die Imidgruppe von (A) ist über einen alkylierten Phenylspacer para an die Imidgruppe eines zweiten Elektronenakzeptors (B), ein Naphthalin-1,4,5,8-Tetracarbonsäurediimid-Molekül, gebunden.The imide group of (A) is linked via an alkylated phenyl spacer para to the imide group of a second electron acceptor (B), a naphthalene-1,4,5,8-tetracarboxylic diimide molecule.
Um ein multi-chromophores Farbstoffsystem, welches über das gesamte sichtbare Spektrum absorbiert, bereitzustellen, wird der zweite Elektronenakzeptor (B) schrittweise entlang eines Gradienten direkt durch N-N Bindung oder durch starre, π-konjugierte Spacer an der noch freien Imidgruppe von (B) mit Perylendiimid und weiteren stabförmigen Vertretern der Rylenreihe wie Terrylendiimid, Quaterrylendiimid ... usw, die in ihrer Bay-Region zusätzlich mit Donoren wie Phenol, Thiophenol, cyclischen Aminen und anderen dem Fachmann bekannte Donoren funktionalisiert sind und deren Derivate, erweitert.To provide a multi-chromophore dye system that absorbs across the entire visible spectrum, the second electron acceptor (B) gradually steps along a gradient directly by NN bonding or by rigid, π-conjugated spacers on the still free imide group of (B) with perylenediimide and other rodlike representatives of the rylene series such as terrylenediimide, quaterrylenediimide ... etc, which in their Bay region additionally with donors such as phenol, Thiophenol, cyclic amines and other donors known in the art are functionalized and their derivatives, extended.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren gemäß der Erfindung, werden die nach Aufbau der Farbstoffmolekülmonoschicht auf den CNTs, die in der dreidimensionalen, nanoporösen Netzwerkstruktur verbleibenden Poren und Cavitäten, in die, die mit Injektionsgruppen funktionalisierten Kopfgruppen der (D-A) Moleküle hineinragen, bezüglich ihrer Porengröße und Porenstruktur mit dem Fachmann bekannte Techniken mit optisch transparenten, leitfähigen Materialien, die guten Elektronentransfer zeigen wie Halbleiternanopartikel (beispielsweise TiO2, SnO2, ITO, ZnO und andere), leitfähige Polymere und Komposite, die in Partikelgröße und Viskosität den Netzwerkstrukturen angepasst sind, verfüllt,In a further preferred method according to the invention, the pore sizes and cavities remaining in the three-dimensional, nanoporous network structure after formation of the dye molecule monolayer on the CNTs, into which the head groups of the (DA) molecules functionalized with injection groups protrude, are compared with respect to their pore size and Pore structure using techniques known to those skilled in the art with optically transparent, conductive materials exhibiting good electron transfer, such as semiconductor nanoparticles (eg, TiO 2, SnO 2, ITO, ZnO, and others), conductive polymers, and composites adapted in particle size and viscosity to network structures;
Verschiedene Techniken zum Auftragen der Füllmaterialien und Verfüllen des CNT-Netzwerks bevorzugen berührungslose Verfahren um die empfindlichen CNT-Netzwerkstrukturen nicht zu beschädigen.Various techniques for depositing the fillers and backfills of the CNT network prefer non-contact methods to avoid damaging the delicate CNT network structures.
Druck, etwa Offset-Druck, Beschichtungstechniken und andere bekannte Verfahren können eingesetzt werden.Printing, such as offset printing, coating techniques and other known methods can be used.
Die in die Hohlräume verbrachten Materialien bilden untereinander ein interpenetrierendes Netzwerk aus Nanoröhren, Nanostäben und Nanodrähten, deren oberste Schicht mit der Anode durch Abscheiden des Anodenmaterials wie SnO2, ITO, ZnO und anderen gebräuchlichen Materialien mittels Dampfabscheidung oder weiteren, dem Fachmann bekannte Strategien, vernetzt wird (Erweiterung der Anode).The materials introduced into the cavities together form an interpenetrating network of nanotubes, nanorods and nanowires whose top layer is crosslinked with the anode by deposition of the anode material such as SnO 2, ITO, ZnO and other common materials by means of vapor deposition or other strategies known to those skilled in the art (Extension of the anode).
Nach einem weiteren Verfahren gemäß der Erfindung kann die Zelle durch verschieden funktionalisierte CNTs wie mit Hydroxy, Carbonsäure und anderen geeigneten Gruppen, die kovalent an die Oberfläche der jeweiligen verfüllten Materialien binden, komplettiert werden (Anode).According to another method of the invention, the cell may be completed by differently functionalized CNTs such as hydroxy, carboxylic acid and other suitable groups which covalently bind to the surface of the respective filled materials (anode).
Materialien, die bisher zum Aufbau der Anode eingesetzt werden, sind dadurch ganz oder teilweise ersetzbar.Materials that are used to date for the construction of the anode are thereby wholly or partially replaceable.
Die Zelle ist im Resultat ein interpenetrierendes, kathodisches und anodisches, dreidimensionales, ungeordnetes, optisch transparentes Netzwerk mit stark vergrößerter aktiver Oberfläche, bedeckt mit einer Monoschicht (SAM) aus stabförmigen (D-A) Farbstoffmolekülen, die mit ihren Anker- und Injektionsgruppen durch gezielten Aufbau von kathodisch-anodisch durchgängigen Molekülketten, durch Orbitalüberlappung Phasengrenzen vermeiden und dabei die Grenzflächen zwischen erweiterter Kathode und erweiterter Anode, linear, wie mit einem molekularen Draht, kovalent verbrücken.As a result, the cell is an interpenetrating, cathodic and anodic, three-dimensional, disordered, optically transparent network with a greatly increased active surface, covered with a monolayer (SAM) of rod-shaped (DA) dye molecules, with their anchor and injection groups through targeted assembly of Cathodic-anodic continuous molecular chains, by orbital overlap avoid phase boundaries, thereby covalently bridging the interfaces between extended cathode and extended anode, linear, such as with a molecular wire.
Die zahlreichen Monoschichten ermöglichen die vollständige Absorption aller energetisch geeigneten Photonen.The numerous monolayers allow the complete absorption of all energetically suitable photons.
Im Bereich des Netzwerks können über tausend (D-A) Molekülschichten übereinander zu liegen kommen.In the area of the network more than a thousand (D-A) molecular layers can overlap one another.
Die geringe Ladungsträgerbeweglichkeit organischer Halbleiter verliert dadurch ihren limitierenden Effekt auf die Schichtdicke der Zelle.The low charge carrier mobility of organic semiconductors thereby loses its limiting effect on the layer thickness of the cell.
Die kleine Schichtdicke der SAMs bedeutet auch einen kleinen elektrischen Serienwiderstand und ein großes inneres elektrisches Feld.The small layer thickness of the SAMs also means a small series electrical resistance and a large internal electric field.
Die geordnete Strukturierung der Solarzelle ist notwendige Voraussetzung die jeweiligen Verlustmechanismen bisheriger Farbstoffsolarzellen zu vermindern.The ordered structuring of the solar cell is necessary to reduce the respective loss mechanisms of previous dye solar cells.
Reduziert auf ein einziges Grundelement der Zelle, ist die Solarzelle eine zwischen Kathode und Anode orbitalvernetzte Molekülkette (Homo- und Lumo-Orbitale sind viel besser aufeinander ausgerichtet und dadurch in der Lage sich gegenseitig zu überlappen), in der die Ladungsträger fließen wie in einem molekularen Draht.Reduced to a single fundamental element of the cell, the solar cell is a molecular chain orbitally networked between cathode and anode (homo and lumo orbitals are much better aligned and thus able to overlap one another) in which the charge carriers flow as in a molecular one Wire.
Funktionsweise:Functionality:
Nach Photoanregung des Donors erfolgt ein Elektronentransfer zu den Akzeptoren. Aufgrund quantenmechanischer Effekte in den Monoschichten, erhalten die bei der Absorption von Licht erzeugten Elektronen eine Energie, die über dem Leitungsbandniveau der in die verbleibenden Poren des CNT-Netzwerks verfüllten Halbleitermaterialien liegt. Die lichterzeugten Elektronen können jetzt durch die Injektionsgruppe vom Akzeptorsystem zu den halbleitenden Füllmaterialien fließen. Aus der Anode fließen die Elektronen über den Verbraucher zur Kathode. Der Elektronenverlust des Donors wird ultraschnell durch einen Tunnelstrom von den CNTs durch die Ankergruppe ausgeglichen.After photoexcitation of the donor, electron transfer to the acceptors occurs. Due to quantum mechanical effects in the monolayers, the electrons generated by the absorption of light receive an energy that is above the conduction band level of the semiconductor materials filled in the remaining pores of the CNT network. The photogenerated electrons can now flow through the injection group from the acceptor system to the semiconductive fillers. From the anode, the electrons flow through the consumer to the cathode. The electron loss of the donor is ultra-fast compensated by a tunnel current from the CNTs through the anchor group.
Die Farbstoff-Kunststoff Solarzelle (Tandemzelle) The dye-plastic solar cell (tandem cell)
Variante Aoption A
Aufbau:Construction:
Der Aufbau der Zelle erfolgt analog dem alternativen Aufbauschema der Farbstoffsolarzelle. An Stelle der (D-A) Farbstoffmoleküle wird ein Donor-Akzeptor System (Polymere als Donoren, Farbstoffe als Akzeptoren) aufgebaut.The structure of the cell is analogous to the alternative construction scheme of the dye solar cell. Instead of the (D-A) dye molecules, a donor-acceptor system (polymers as donors, dyes as acceptors) is built up.
Donor- und Akzeptormoleküle sind über ein dipodal, tripodal oder tetrapodal verankertes Xanthen-Gerüst, U-förmig gefaltet, linear ausgerichtet, cofacial verbrückt.Donor and acceptor molecules are folded over a dipodal, tripodal or tetrapodal anchored xanthene framework, U-shaped, linearly aligned, cofacially bridged.
Das Gesamtmolekül besitzt die Gestalt einer Stimmgabel.The whole molecule has the shape of a tuning fork.
Die durch starre, meist π-konjugierte Spacer oder direkt über N-N Bindung linear verbundenen Farbstoffe (Bisimide des Perylens und erweiterte Perylenbisimidsysteme) sind entlang eines Gradienten angeordnet.The dyes linearly connected by rigid, mostly π-conjugated spacers or directly via N-N bond (bisimides of perylene and extended perylene bisimide systems) are arranged along a gradient.
Ein zusätzlicher Donor wie 2,6-Diaminobenzol wird zwischen Polymer und Xanthengerüst insertiert.An additional donor, such as 2,6-diaminobenzene, is inserted between the polymer and the xanthene framework.
Die Akzeptoren können bis zu 5 Imid- bzw. Bisimid Farbstoffeinheiten enthalten. Kommen verschiedene Polymere gleichzeitig zum Einsatz, so sind diese ebenfalls entlang eines Gradienten angeordnet.The acceptors may contain up to 5 imide or bisimide dye units. If different polymers are used simultaneously, they are also arranged along a gradient.
Die Länge der Polymere richtet sich nach der Länge der Akzeptoren.The length of the polymers depends on the length of the acceptors.
Funktionsweisefunctionality
Nach der Photoanregung der Polymere werden die Elektronen durch den Raum zu den Farbstoffen (Akzeptoren) übertragen. Von dort über eine Injektionsgruppe in die Halbleitermoleküle.After photoexcitation of the polymers, the electrons are transferred through the space to the dyes (acceptors). From there via an injection group into the semiconductor molecules.
Ein zwischen dem Xanthen und dem Polymer zusätzlich insertierter Donor (Push-Pull Effekt) ermöglicht als „Rückschlagventil„ den gezielten Transfer der Elektronen in den Akzeptor (Farbstoffe), den Transport positiver Ladungsträger zum insertierten Donor.A donor (push-pull effect) additionally inserted between the xanthene and the polymer as a "check valve" allows the targeted transfer of the electrons into the acceptor (dyes), the transport of positive charge carriers to the inserted donor.
Der Elektronenverlust des insertierten Donors wird ultraschnell durch einen Tunnelstrom von den CNTs über die Ankergruppe ausgeglichen.The electron loss of the inserted donor is ultra-fast compensated by a tunneling current from the CNTs through the anchor group.
Variante BVariant B
Aufbau:Construction:
Der Aufbau der Zelle erfolgt analog dem alternativen Aufbauschema der Farbstoffsolarzelle. An Stelle der (D-A) Farbstoffmoleküle wird ein Donor-Akzeptor System (Polymere als Donoren, Farbstoffe als Akzeptoren) aufgebaut.The structure of the cell is analogous to the alternative construction scheme of the dye solar cell. Instead of the (D-A) dye molecules, a donor-acceptor system (polymers as donors, dyes as acceptors) is built up.
Im Gegensatz zu Variante A sind Donoren und Akzeptoren nicht nebeneinander, sondern sukzessiv linear, entlang der Molekülachse, angeordnet.In contrast to variant A donors and acceptors are not next to each other, but successively linear, along the molecular axis arranged.
Zwischen Ankergruppe und Polymer wird ein zusätzlicher Donor wie 2,6-Diaminobenzol, insertiertBetween anchor group and polymer, an additional donor, such as 2,6-diaminobenzene, is inserted
Kommen verschiedene Polymere als Monomere oder Oligomere und mehrere Farbstoffe der Rylenreihe zum Einsatz, werden auch diese entlang eines Gradienten verknüpft.If different polymers are used as monomers or oligomers and several dyes of the rylene series, these are also linked along a gradient.
Funktionsweisefunctionality
Nach der Photoanregung der Polymere werden die Elektronen zu den Farbstoffen (Akzeptoren) übertragen. Von dort über eine Injektionsgruppe in die Halbleitermoleküle. Ein zwischen der Ankergruppe und dem Polymer zusätzlich insertierter Donor (Push-Pull Effekt) ermöglicht als „Rückschlagventil„ den gezielten Transfer der Elektronen in den Akzeptor (Farbstoffe), den Transport positiver Ladungsträger zum insertierten Donor.After photoexcitation of the polymers, the electrons are transferred to the dyes (acceptors). From there via an injection group into the semiconductor molecules. An additional donor inserted between the anchor group and the polymer (push-pull effect) enables the targeted transfer of the electrons into the acceptor (dyes) as a "check valve", the transport of positive charge carriers to the inserted donor.
Der Elektronenverlust des insertierten Donors wird ultraschnell durch einen Tunnelstrom von den CNTs über die Ankergruppe ausgeglichen.The electron loss of the inserted donor is ultra-fast compensated by a tunneling current from the CNTs through the anchor group.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 60033038 T2 [0020] DE 60033038 T2 [0020]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- J. Am. Chem. Soc. 1996 118, 6767 [0054] J. Am. Chem. Soc. 1996 118, 6767 [0054]
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