为新型光子技术铺平道路 研究发现晶体可将光转换成更有用的波长

固溶有机晶体已被带入到对卓越的光子上转换材料的探索中，它将目前浪费的长波长光转化为更有用的短波长光。现在，来自东京工业大学的科学家们重新审视了一种以前被认为是乏善可陈的材料方法--使用一种最初为有机LED开发的分子--实现了出色的性能和效率。

他们的发现为许多新型光子技术铺平了道路，如更好的太阳能电池和用于氢气和碳氢化合物生产的光催化剂。

光是一种强大的能量来源，如果利用得当则可以用来驱动顽固的化学反应、发电并运行光电设备。然而在大多数应用中，并非所有波长的光都能被使用。这是因为每个光子携带的能量与其波长成反比，并且只有当单个光子提供的能量超过一定的阈值时，化学和物理过程才会被光触发。

这意味着像太阳能电池这样的设备无法从太阳光中包含的所有颜色中受益，因为它是由高能量和低能量的光子组成的混合物。为此，来自世界各地的科学家正在积极探索实现光子上转换(PUC)的材料，通过这种方法，能量较低的光子（波长较长）被捕获并作为能量较高的光子（波长较短）重新发射出来。实现这一目标的一个有希望的方法是通过三线态-三线态湮灭(TTA)。这个过程需要结合敏化剂材料和湮灭剂材料。感光剂吸收低能量的光子（长波长的光）并将其激发的能量转移到湮灭剂上，作为TTA的结果，湮灭剂会发射出更高能量的光子（短波长的光）。

长期以来，为PUC寻找良好的固体材料已被证明具有挑战性。尽管液体样品可以达到相对较高的PUC效率，但在许多应用中，用液体工作，特别是那些包含有机溶剂的液体，本质上是有风险的且非常麻烦。然而，以前创造PUC固体的试验一般都存在晶体质量差和晶体域小的问题，这导致三线激发态的行进距离短，因此，PUC效率低。此外，在大多数以前的固体PUC样品中，没有测试在连续光照下的稳定性，实验数据往往是在惰性气体环境中获得的。因此，低效率和材料稳定性不足的问题已经被关注了很久。

现在，在由日本东京理工大学的Yoichi Murakami副教授领导的一项最新研究中，一个研究小组找到了解决这一挑战的答案。他们的论文发表在《Materials Horizon》上，其描述了研究小组如何专注于范德瓦耳斯晶体--这是一个经典的材料类别，在寻求高效率的PUC固体方面还没有被考虑。在发现9-(2-萘基)-10-[4-(1-萘基)苯基]蒽(ANNP)--一种最初为蓝色有机LED开发的碳氢化合物分子--是体现其概念的优秀湮灭剂之后，研究人员尝试将其跟一种吸收绿光的主食增感剂--八乙基卟啉铂(PtOEP)混合。

该小组发现，通过利用范德瓦耳斯固体溶液的晶相，能够以足够低的PtOEP与ANNP的比例（约1:50000）完全避免敏化剂分子的聚集。他们对所获得的晶体进行了彻底的表征并发现了一些关于为什么使用ANNP湮灭剂可以防止感光剂的聚集，而其他现有的湮灭剂在以前的研究中却未能做到这一点。此外，该团队生产的固体晶体高度稳定并表现出出色的性能，正如Murakami博士所说的那样：“我们使用模拟太阳光的实验结果表明，不再需要透镜等太阳能浓缩光学器件来有效地向上转换地球上的太阳光。”

总体来说，这项研究使范德瓦耳斯晶体重新回到了PUC的游戏中并成为使用多功能碳氢化合物湮灭剂创造杰出固体材料的有效途径。Murakami博士总结称：“我们在论文中提出的概念证明是在寻求高性能PUC固体方面的一次重大技术飞跃，这将在未来开辟多样化的光子技术。让我们希望对这一主题的进一步研究能使我们有效地将光转化为最有用的形式。”