Om twee laagenergetische fotonen efficiënt te combineren tot één hoogenergetisch foton, moet de energie vrijelijk, maar niet te snel, tussen willekeurig georiënteerde moleculen van een vaste stof kunnen springen. Deze ontdekking van Kobe University biedt een broodnodige ontwerprichtlijn voor het ontwikkelen van materialen voor efficiëntere PV-cellen, displays of zelfs therapieën tegen kanker.

Licht van verschillende kleuren heeft verschillende energieën en is daarom voor heel verschillende dingen bruikbaar. Voor de ontwikkeling van efficiëntere PV-cellen, OLED-displays of antikankertherapieën is het wenselijk om twee laagenergetische fotonen te kunnen opwaarderen tot een hoogenergetisch foton. Veel onderzoekers over de hele wereld werken aan materialen voor deze opwaardering. conversie.

Tijdens dit proces wordt licht geabsorbeerd door het materiaal en wordt de energie ervan doorgegeven aan de moleculen van het materiaal als een zogenaamde 'triplet-exciton'. Het was echter onduidelijk waardoor twee triplet-excitonen hun energie efficiënt kunnen combineren in een andere aangeslagen toestand van een enkel molecuul dat vervolgens een hoogenergetisch foton uitzendt, en deze kenniskloof is een ernstig knelpunt geweest bij de ontwikkeling van dergelijke materialen. /P>

Kobe University-fotowetenschapper Kobori Yasuhiro en zijn onderzoeksgroep hebben gewerkt aan een eigenschap die de 'elektronenspintoestanden' worden genoemd van bewegende en op elkaar inwerkende opgewonden toestanden. Ze realiseerden zich dat hun expertise precies was wat nodig was om het probleem van de opwaartse conversie op te lossen en pasten deze toe op een materiaal dat vooral geschikt was voor hun analyse.

Yasuhiro legt uit:"In oplossingssystemen is het moeilijk om de magnetische eigenschappen van de elektronenspins waar te nemen vanwege de snelle rotatie van de moleculen, en in conventionele vastestofsystemen is de reactie-efficiëntie te laag voor onderzoek naar elektronenspinresonantie. Het in ons onderzoek gebruikte dunnefilm-vastestofmateriaal was echter geschikt voor het observeren van de magnetische eigenschappen van elektronenspins en het genereren van voldoende triplet-excitonconcentraties.

Hun resultaten, nu gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters laten zien dat voor de overdracht van energie naar één lichtgevend molecuul de elektronenspintoestanden van twee triplet-excitonen moeten worden uitgelijnd, wat afhangt van de relatieve oriëntatie van de deelnemende moleculen.

Om dat met grote waarschijnlijkheid te laten gebeuren, moeten de triplet-excitonen zich echter kunnen verplaatsen tussen moleculen met veel verschillende oriëntaties. Bovendien mag dit hoppen niet te snel zijn, zodat er voldoende tijd is voor de onderlinge conversie van verschillende aangeslagen toestanden.

Yasuhiro legt uit:"We hebben eerst rechtstreeks de tijdsevolutie van de elektronenspintoestand waargenomen in opconversiematerialen in vastestofsystemen, vervolgens de waargenomen elektronenspinbeweging gemodelleerd en uiteindelijk een nieuw theoretisch model voorgesteld voor hoe de elektronenspintoestand zich verhoudt tot het up-conversieproces."

Deze resultaten leveren uiteindelijk een richtlijn op voor het ontwerpen van zeer efficiënte materialen voor de opwaartse conversie van fotonen, gebaseerd op de kennis van het microscopische mechanisme van het proces.

"Ik verwacht dat deze kennis zal bijdragen aan de ontwikkeling van hoogefficiënte zonnecellen om onze energieproblemen te verlichten, maar ook zal uitbreiden naar een breed scala aan gebieden, zoals fotodynamische kankertherapie en diagnostiek die gebruik maakt van nabij-infraroodlicht voor optische opconversie zonder het menselijk lichaam te schaden", zegt Yasuhiro.

Meer informatie: Kobori Yasuhiro et al, Efficiënte spin-interconversie door moleculaire conformatiedynamica van een tripletpaar voor opwaartse conversie van fotonen in een amorfe vaste stof, The Journal of Physical Chemistry Letters (2024). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03602

Journaalinformatie: Journal of Physical Chemistry Letters

Aangeboden door Kobe University