Sådan upcycler du lavenergilys:Et nyt design til højeffektive konverteringsmaterialer

For effektivt at kombinere to lavenergifotoner til en højenergifoton skal energien kunne hoppe frit, men ikke for hurtigt, mellem tilfældigt orienterede molekyler af et fast stof. Denne opdagelse fra Kobe University giver en tiltrængt designretningslinje til udvikling af materialer til mere effektive PV-celler, skærme eller endda anti-cancer-terapier.

Lys i forskellige farver har forskellige energier og er derfor anvendeligt til meget forskellige ting. For udviklingen af ​​mere effektive PV-celler, OLED-skærme eller anti-kræftterapier er det ønskeligt at kunne upcycle to lavenergifotoner til en højenergifoton, og mange forskere verden over arbejder på materialer til denne op- konvertering.

Under denne proces absorberes lys af materialet, og dets energi bliver afleveret rundt blandt materialets molekyler som en såkaldt "triplet exciton". Det var dog uklart, hvad der gør det muligt for to triplet-excitoner effektivt at kombinere deres energier til en anden exciteret tilstand af et enkelt molekyle, som derefter udsender en højenergifoton, og denne videnskløft har været en alvorlig flaskehals i udviklingen af ​​sådanne materialer.

Kobe University fotovidenskabsmand Kobori Yasuhiro og hans forskergruppe har arbejdet på en egenskab kaldet "elektronspintilstande" af bevægelige og interagerende exciterede tilstande. De indså, at deres ekspertise var præcis, hvad der var nødvendigt for at løse problemet med opkonvertering og anvendte det på et materiale, der var specielt egnet til deres analyse.

Yasuhiro forklarer, "I opløsningssystemer er det vanskeligt at observere de magnetiske egenskaber af elektronspindene på grund af molekylernes højhastighedsrotation, og i konventionelle faststofsystemer er reaktionseffektiviteten for lav til elektronspinresonansundersøgelser . Det tynde film-faststofmateriale, der blev brugt i vores undersøgelse, var imidlertid egnet til at observere de magnetiske egenskaber af elektronspin og generere tilstrækkelige triplet-excitonkoncentrationer."

Deres resultater er nu offentliggjort i The Journal of Physical Chemistry Letters , viser, at for overførsel af energier til et lysemitterende molekyle, skal elektronspin-tilstandene for to triplet-excitoner justeres, hvilket afhænger af den relative orientering af de deltagende molekyler.

For at det skal ske med stor sandsynlighed, skal triplet-excitonerne dog kunne bevæge sig rundt mellem molekyler med mange forskellige orienteringer. Derudover må denne hop ikke være for hurtig, så der er tid nok til interkonvertering af forskellige exciterede tilstande.

Yasuhiro forklarer, "Vi observerede først direkte tidsudviklingen af ​​elektronspintilstanden inde i opkonverteringsmaterialer i faststofsystemer, modellerede derefter den observerede elektronspinbevægelse og foreslog til sidst en ny teoretisk model for, hvordan elektronspintilstanden relaterer sig til opkonverteringsprocessen."

Disse resultater giver endelig en retningslinje for, hvordan man designer højeffektive foton-opkonverteringsmaterialer, der er baseret på viden om processens mikroskopiske mekanisme.

"Jeg forventer, at denne viden vil bidrage til udviklingen af ​​højeffektive solceller for at afhjælpe vores energiproblemer, men også at udvide til en bred vifte af områder såsom fotodynamisk cancerterapi og diagnostik, der udnytter nær-infrarødt lys til optisk opkonvertering uden at skade den menneskelige krop," siger Yasuhiro.

Flere oplysninger: Kobori Yasuhiro et al., Efficient Spin Interconversion by Molecular Conformation Dynamics of a Triplet Pair for Photon Up-Conversion in an Amorphous Solid, The Journal of Physical Chemistry Letters (2024). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03602

Journaloplysninger: Journal of Physical Chemistry Letters

Leveret af Kobe University