Omvandlingen av solenergi till elektricitet är för närvarande begränsad av ett koncept som kallas Shockley-Quesser-gränsen. Denna begränsning tillåter endast fotoner som har högre energier än bandgapet att användas, medan de med lägre energi går till spillo. I ett försök att få en lösning på detta problem och göra solenergiomvandlingen mer effektiv, Forskare har utvecklat en process för att omvandla fotoner med lägre energi till fotoner med högre energi, kallas foton uppkonvertering.

Under det senaste decenniet, en metod för fotonuppkonvertering som använder triplet-triplet annihilation (TTA) av organiska molekyler har uppmärksammats eftersom det för närvarande är den enda metoden som kan tillämpas på svagt ljus som solljus. Denna metod kombinerar två typer av organiska molekyler eller kromoforer, en sensibilisator och en emitter. Sensibilisatorn kommer att absorbera en foton och omvandla den till dess exciterade tripletttillstånd. Excitationsenergin överförs sedan till emittern. När två sändare med excitationsenergi kolliderar, en kommer att konvertera till dess lägsta exciterade singlettillstånd och frigöra en uppkonverterad foton som kan skördas för energiomvandling.

Medan många studier av fotonuppkonvertering har utförts i organiska lösningsmedel, deras praktiska användning är begränsad på grund av de höga ångtrycken, ångtoxicitet, brandfarlighet, och avsaknad av termisk stabilitet hos lösningsmedelsblandningarna. Flera metoder har föreslagits för att övervinna dessa begränsningar, inklusive användningen av viskösa fluidiska medier som joniska vätskor som har låga ångtryck och hög termisk stabilitet. Joniska vätskor är också begränsade i praktiken, dock, på grund av de relativt höga kostnaderna för utgångsmaterial och syntetiska processer, samt deras dåliga biologiska nedbrytbarhet.

För att i grunden lösa dessa tidigare problem, forskare vid Tokyo Tech utvecklade en TTA-fotonuppkonvertering med hjälp av en ny klass av vätskor som kallas djupa eutektiska lösningsmedel (DES). DES är ett potentiellt alternativ till joniska vätskor, eftersom de har önskvärda egenskaper som liknar de för joniska vätskor och kan skapas genom en enkel blandning av två ämnen, en vätebindningsgivare och en vätebindningsacceptor, utan behov av syntetiska processer. Utgångsämnena för generering av DES är också i allmänhet mycket billigare, säkrare och mer biologiskt nedbrytbara än de som behövs för att skapa joniska vätskor, gör dem till ett idealiskt alternativ.

Fotografier av DES och fotonuppkonverterare visas i fig. 1. Den framställda DES var optiskt transparent och färglös och användes som lösningsmedel för sensibiliserings- och emitterkromoforerna. Provet omvandlar svagt infallande grönt ljus (våglängd:532 nm; effekt:2-3 mW) till blå emission (våglängd:~440 nm). Den förväntade höga termiska stabiliteten bekräftades av frånvaron av antändning och rykande under exponering för en brännarlåga i 1 min.

I synnerhet, fotonuppkonverteringskvantutbytet för proverna nådde 0,21 (där det maximala kvantutbytet definieras som 0,5; en foton med högre energi skapas genom att använda två fotoner med lägre energi vid maximalt fotonuppkonvertering). Detta motsvarar kvanteffektiviteten för uppkonvertering på 42 procent (vars maximum definieras som 100 procent). Detta är en relativt hög verkningsgrad.

Forskarna utvecklade en ny materialplattform för TTA-fotonuppkonvertering med hjälp av billigare, mindre giftig, och termiskt stabila DES. Denna prestation anses vara ett viktigt landmärke för förverkligandet av praktisk tillämpning av fotonuppkonverteringsteknologi.