Ein neues Design für hocheffiziente Konversionsmaterialien

Um zwei Photonen niedriger Energie effektiv zu einem Photon hoher Energie zu kombinieren, muss die Energie frei, aber nicht zu schnell, zwischen den zufällig ausgerichteten Molekülen eines Festkörpers springen können. Diese Entdeckung der Universität Kobe liefert eine dringend benötigte Designrichtlinie für die Entwicklung von Materialien für effektivere Photovoltaikzellen, Displays oder sogar Krebstherapien.

Licht verschiedener Farben hat unterschiedliche Energien und ist daher für ganz unterschiedliche Zwecke nützlich. Für die Entwicklung effizienterer Photovoltaikzellen, OLED-Displays oder Krebstherapien ist es wünschenswert, zwei niederenergetische Photonen in ein hochenergetisches Photon umwandeln zu können, und viele Forscher auf der ganzen Welt arbeiten an Materialien, die diese Verbesserung ermöglichen. . Konvertierung.

Dabei wird Licht vom Material absorbiert und seine Energie in Form eines „dreifachen Exzitons“ zwischen den Molekülen des Materials übertragen. Es war jedoch nicht genau bekannt, was es zwei Triplett-Exzitonen ermöglicht, ihre Energien effizient in einen angeregten Zustand zu kombinieren, der sich von einem einzelnen Molekül unterscheidet, das dann ein hochenergetisches Photon aussendet, und dieser Mangel an Wissen war ein ernsthafter Engpass. Engpass in der Entwicklung solcher Materialien.

Der Fotowissenschaftler Kobori Yasuhiro von der Universität Kobe und seine Forschungsgruppe haben an einer Eigenschaft namens „elektronische Spinzustände“ bewegter und interagierender angeregter Zustände gearbeitet. Sie erkannten, dass ihr Fachwissen genau das war, was sie zur Lösung des Upscaling-Problems brauchten, und wandten es auf ein Material an, das für ihre Analyse besonders geeignet war.

Yasuhiro erklärt: „In Lösungssystemen ist es aufgrund der schnellen Rotation von Molekülen schwierig, die magnetischen Eigenschaften von Elektronenspins zu beobachten, und in herkömmlichen Festkörpersystemen ist die Reaktionseffizienz für Elektronenspinresonanzstudien zu schwach.“ Das in unserer Studie verwendete Dünnfilm-Festkörpermaterial war jedoch geeignet, die magnetischen Eigenschaften von Elektronenspins zu beobachten und ausreichende Konzentrationen an Triplett-Exzitonen zu erzeugen.

Ihre Ergebnisse, jetzt veröffentlicht in Das Journal of Physical Chemistry Letterszeigen, dass für die Übertragung von Energien auf ein lichtemittierendes Molekül die elektronischen Spinzustände zweier Triplett-Exzitonen ausgerichtet sein müssen, was von der relativen Ausrichtung der beteiligten Moleküle abhängt.

Damit dies jedoch mit hoher Wahrscheinlichkeit geschieht, müssen sich die Triplett-Exzitonen zwischen Molekülen unterschiedlicher Orientierung bewegen können. Darüber hinaus darf dieser Sprung nicht zu schnell erfolgen, um genügend Zeit für die Umwandlung der verschiedenen angeregten Zustände ineinander zu lassen.

Yasuhiro erklärt: „Wir haben zunächst direkt die zeitliche Entwicklung des Spinzustands von Elektronen in Aufkonvertierungsmaterialien in Festkörpersystemen beobachtet, dann die Spinbewegung der beobachteten Elektronen modelliert und schließlich ein neues theoretisches Modell für den Zusammenhang zwischen dem Spinzustand der Elektronen vorgeschlagen.“ zum Elektronenspinzustand. der Upconversion-Prozess.

Diese Ergebnisse liefern schließlich Richtlinien für die Entwicklung hocheffizienter Photonen-Upconversion-Materialien, basierend auf der Kenntnis des mikroskopischen Mechanismus des Prozesses.

„Ich erwarte, dass dieses Wissen zur Entwicklung hocheffizienter Solarzellen zur Linderung unserer Energieprobleme beitragen wird, aber auch zu einer Vielzahl von Bereichen wie der photodynamischen Krebstherapie und der Diagnostik, bei der Licht im nahen Infrarot zur optischen Umwandlung genutzt wird, ohne den Menschen zu schädigen.“ Körper“, erklärt Yasuhiro.