為新型光子技術鋪平道路 研究發現晶體可有效將光轉換成更有用的波長

固溶有機晶體已被帶入到對卓越的光子上轉換材料的探索中，它將目前浪費的長波長光轉化為更有用的短波長光。現在，來自東京工業大學的科學家們重新審視了一種以前被認為是乏善可陳的材料方法--使用一種最初為有機LED開發的分子--實現了出色的性能和效率。

他們的發現為許多新型光子技術鋪平了道路，如更好的太陽能電池和用於氫氣和碳氫化合物生產的光催化劑。

光是一種強大的能量來源，如果利用得當則可以用來驅動頑固的化學反應、發電並運行光電設備。然而在大多數應用中，並非所有波長的光都能被使用。這是因為每個光子攜帶的能量與其波長成反比，並且只有當單個光子提供的能量超過一定的閾值時，化學和物理過程才會被光觸發。

這意味着像太陽能電池這樣的設備無法從太陽光中包含的所有顏色中受益，因為它是由高能量和低能量的光子組成的混合物。為此，來自世界各地的科學家正在積極探索實現光子上轉換(PUC)的材料，通過這種方法，能量較低的光子（波長較長）被捕獲並作為能量較高的光子（波長較短）重新發射出來。實現這一目標的一個有希望的方法是通過三線態-三線態湮滅(TTA)。這個過程需要結合敏化劑材料和湮滅劑材料。感光劑吸收低能量的光子（長波長的光）並將其激發的能量轉移到湮滅劑上，作為TTA的結果，湮滅劑會發射出更高能量的光子（短波長的光）。

長期以來，為PUC尋找良好的固體材料已被證明具有挑戰性。儘管液體樣品可以達到相對較高的PUC效率，但在許多應用中，用液體工作，特別是那些包含有機溶劑的液體，本質上是有風險的且非常麻煩。然而，以前創造PUC固體的試驗一般都存在晶體質量差和晶體域小的問題，這導致三線激發態的行進距離短，因此，PUC效率低。此外，在大多數以前的固體PUC樣品中，沒有測試在連續光照下的穩定性，實驗數據往往是在惰性氣體環境中獲得的。因此，低效率和材料穩定性不足的問題已經被關注了很久。

現在，在由日本東京理工大學的Yoichi Murakami副教授領導的一項最新研究中，一個研究小組找到了解決這一挑戰的答案。他們的論文發表在《Materials Horizon》上，其描述了研究小組如何專注於范德瓦耳斯晶體--這是一個經典的材料類別，在尋求高效率的PUC固體方面還沒有被考慮。在發現9-(2-萘基)-10-[4-(1-萘基)苯基]蒽(ANNP)--一種最初為藍色有機LED開發的碳氫化合物分子--是體現其概念的優秀湮滅劑之後，研究人員嘗試將其跟一種吸收綠光的主食增感劑--八乙基卟啉鉑(PtOEP)混合。

該小組發現，通過利用范德瓦耳斯固體溶液的晶相，能夠以足夠低的PtOEP與ANNP的比例（約1:50000）完全避免敏化劑分子的聚集。他們對所獲得的晶體進行了徹底的表徵並發現了一些關於為什麼使用ANNP湮滅劑可以防止感光劑的聚集，而其他現有的湮滅劑在以前的研究中卻未能做到這一點。此外，該團隊生產的固體晶體高度穩定並表現出出色的性能，正如Murakami博士所説的那樣：“我們使用模擬太陽光的實驗結果表明，不再需要透鏡等太陽能濃縮光學器件來有效地向上轉換地球上的太陽光。”

總體來説，這項研究使范德瓦耳斯晶體重新回到了PUC的遊戲中併成為使用多功能碳氫化合物湮滅劑創造傑出固體材料的有效途徑。Murakami博士總結稱：“我們在論文中提出的概念證明是在尋求高性能PUC固體方面的一次重大技術飛躍，這將在未來開闢多樣化的光子技術。讓我們希望對這一主題的進一步研究能使我們有效地將光轉化為最有用的形式。”