Bæredygtig opløsningsmiddelplatform til fotonkonvertering øger soludnyttelseseffektiviteten

Konvertering af solenergi til elektricitet er i øjeblikket begrænset af et begreb kendt som Shockley-Quesser-grænsen. Denne begrænsning tillader kun fotoner, der har højere energier end bandgapets, at blive brugt, mens dem med lavere energier er spildte. I et forsøg på at få en løsning på dette problem og gøre konvertering af solenergi mere effektiv, forskere har udviklet en proces til at konvertere fotoner med lavere energier til dem med højere energier, kaldet fotonkonvertering.

I det sidste årti, en metode til fotonopkonvertering, der anvender triplet-triplet tilintetgørelse (TTA) af organiske molekyler, har tiltrukket opmærksomhed, fordi det i øjeblikket er den eneste metode, der kan anvendes til svagt lys, såsom sollys. Denne metode kombinerer to slags organiske molekyler eller kromoforer, en sensibiliserende og en emitter. Sensibilisatoren absorberer en foton og konverterer den til sin exciterede triplet -tilstand. Excitationsenergien overføres derefter til emitteren. Når to udledere med excitationsenergi kolliderer, en vil konvertere til sin laveste ophidsede singlet -tilstand og frigive en opkonverteret foton, der kan høstes til energiomsætning.

Mens mange undersøgelser af fotonkonvertering er blevet udført i organiske opløsningsmidler, deres praktiske anvendelse er begrænset på grund af det høje damptryk, damptoksicitet, antændelighed, og mangel på termisk stabilitet af opløsningsmiddelblandingerne. Flere tilgange er blevet foreslået for at overvinde disse begrænsninger, herunder brug af viskøse fluidiske medier som ioniske væsker, der har lavt damptryk og høj termisk stabilitet. Ioniske væsker er også begrænsede i praktisk henseende, imidlertid, på grund af de relativt høje omkostninger ved udgangsmaterialer og syntetiske processer, samt deres dårlige bionedbrydelighed.

For at løse disse tidligere problemer grundlæggende, forskere ved Tokyo Tech udviklede en TTA -fotonkonvertering ved hjælp af en ny klasse væsker kendt som dybe eutektiske opløsningsmidler (DES). DES'er er et potentielt alternativ til ioniske væsker, fordi de besidder ønskelige egenskaber svarende til ioniske væskers egenskaber og kan dannes ved en simpel blanding af to stoffer, en hydrogenbindingsdonor og en hydrogenbindingsacceptor, uden behov for syntetiske processer. Udgangsstofferne til generering af DES'er er også generelt meget billigere, sikrere og mere bionedbrydeligt end dem, der er nødvendige for dannelsen af ​​ioniske væsker, gør dem til et ideelt alternativ.

Fotografier af DES'erne og fotonopkonvertere er vist i fig. 1. Den fremstillede DES var optisk gennemsigtig og farveløs og blev anvendt som opløsningsmiddel for sensibiliserings- og emitterkromoforer. Prøven konverterer svagt indfaldende grønt lys (bølgelængde:532 nm; effekt:2-3 mW) til blå emission (bølgelængde:~ 440 nm). Den forventede høje termiske stabilitet blev bekræftet af fraværet af antændelse og røg under udsættelse for en brænderflamme i 1 min.

Især fotonkonverteringens kvanteudbytte af prøverne nåede 0,21 (hvor det maksimale kvanteudbytte er defineret som 0,5; en foton med en højere energi dannes ved at bruge to lavere energifotoner maksimalt ved fotonopkonvertering). Dette svarer til opkonverteringskvantumeffektiviteten på 42 procent (hvis maksimum er defineret som 100 procent). Dette er en relativt høj effektivitet.

Forskerne udviklede en ny materialeplatform til TTA -fotonkonvertering ved hjælp af billigere, mindre giftig, og termisk stabile DES'er. Denne præstation betragtes som et vigtigt vartegn for realiseringen af ​​praktisk anvendelse af fotononkonverteringsteknologi.