De omzetting van zonne-energie in elektriciteit wordt momenteel beperkt door een concept dat bekend staat als de Shockley-Quesser-limiet. Door deze beperking kunnen alleen fotonen worden gebruikt die hogere energieën hebben dan die van de bandgap, terwijl degenen met lagere energieën worden verspild. In een poging om een ​​oplossing voor dit probleem te vinden en de omzetting van zonne-energie efficiënter te maken, onderzoekers hebben een proces ontwikkeld om fotonen met lagere energieën om te zetten in fotonen met hogere energieën, foton-upconversie genoemd.

In het afgelopen decennium, een methode van foton-upconversie die triplet-triplet annihilatie (TTA) van organische moleculen gebruikt, heeft de aandacht getrokken omdat het momenteel de enige methode is die van toepassing is op zwak licht zoals zonlicht. Deze methode combineert twee soorten organische moleculen of chromoforen, een sensibilisator en een emitter. De sensibilisator absorbeert een foton en zet het om in zijn aangeslagen triplettoestand. De excitatie-energie wordt vervolgens overgedragen aan de emitter. Wanneer twee emitters met excitatie-energie botsen, men zal converteren naar de laagste aangeslagen singlettoestand en een opgeconverteerd foton vrijgeven dat kan worden geoogst voor energieconversie.

Hoewel er veel onderzoeken zijn uitgevoerd naar de opconversie van fotonen in organische oplosmiddelen, hun praktische gebruik is beperkt vanwege de hoge dampdrukken, damp toxiciteit, ontvlambaarheid, en gebrek aan thermische stabiliteit van de oplosmiddelmengsels. Er zijn meerdere benaderingen voorgesteld om deze beperkingen te overwinnen, inclusief het gebruik van viskeuze vloeibare media zoals ionische vloeistoffen met een lage dampdruk en een hoge thermische stabiliteit. Ionische vloeistoffen zijn ook beperkt praktisch, echter, vanwege de relatief hoge kosten van uitgangsmaterialen en synthetische processen, evenals hun slechte biologische afbreekbaarheid.

Om deze eerdere problemen fundamenteel op te lossen, wetenschappers van Tokyo Tech ontwikkelden een TTA-foton-upconversie met behulp van een nieuwe klasse vloeistoffen die bekend staat als diepe eutectische oplosmiddelen (DES's). DES's zijn een potentieel alternatief voor ionische vloeistoffen, omdat ze gewenste eigenschappen hebben die vergelijkbaar zijn met die van ionische vloeistoffen en kunnen worden gecreëerd door een eenvoudige vermenging van twee stoffen, een waterstofbrugdonor en een waterstofbrugacceptor, zonder de noodzaak van synthetische processen. De uitgangsstoffen voor het genereren van DES's zijn over het algemeen ook veel goedkoper, veiliger en biologisch afbreekbaarder dan die nodig zijn voor het maken van ionische vloeistoffen, waardoor ze een ideaal alternatief zijn.

Foto's van de DES's en foton-upconverters worden getoond in Fig. 1. Het bereide DES was optisch transparant en kleurloos en werd gebruikt als het oplosmiddel voor de sensibiliserende en emitterchromoforen. Het monster zet zwak invallend groen licht (golflengte:532 nm; vermogen:2-3 mW) om in blauwe emissie (golflengte:~440 nm). De verwachte hoge thermische stabiliteit werd bevestigd door de afwezigheid van ontsteking en roken tijdens blootstelling aan een brandervlam gedurende 1 minuut.

Opmerkelijk, de kwantumopbrengst van de foton-upconversie van de monsters bereikte 0,21 (waarbij de maximale kwantumopbrengst wordt gedefinieerd als 0,5; één foton met hogere energie wordt gecreëerd door maximaal twee fotonen met lagere energie te gebruiken bij foton-upconversie). Dit komt overeen met de kwantumefficiëntie van 42 procent (waarvan het maximum is gedefinieerd als 100 procent). Dit is een relatief hoog rendement.

De wetenschappers ontwikkelden een nieuw materiaalplatform voor TTA-foton-upconversie met behulp van goedkopere, minder giftig, en thermisch stabiele DES's. Deze prestatie wordt beschouwd als een belangrijke mijlpaal voor de realisatie van praktische toepassing van foton-upconversietechnologie.