Um zwei niederenergetische Photonen effizient zu einem hochenergetischen Photon zu kombinieren, muss die Energie frei, aber nicht zu schnell, zwischen zufällig ausgerichteten Molekülen eines Festkörpers hin- und herspringen können. Diese Entdeckung der Universität Kobe liefert eine dringend benötigte Designrichtlinie für die Entwicklung von Materialien für effizientere PV-Zellen, Displays oder sogar Krebstherapien.
Licht verschiedener Farben hat unterschiedliche Energien und ist daher für ganz unterschiedliche Zwecke nützlich. Für die Entwicklung effizienterer PV-Zellen, OLED-Displays oder Krebstherapien ist es wünschenswert, zwei niederenergetische Photonen in ein hochenergetisches Photon umwandeln zu können, und viele Forscher weltweit arbeiten an Materialien für dieses Upcycling. Konvertierung.
Dabei wird Licht vom Material absorbiert und seine Energie als sogenanntes „Triplett-Exziton“ an die Moleküle des Materials weitergegeben. Es war jedoch unklar, was es zwei Triplett-Exzitonen ermöglicht, ihre Energien effizient in einen anderen angeregten Zustand eines einzelnen Moleküls zu kombinieren, das dann ein hochenergetisches Photon emittiert, und diese Wissenslücke war ein ernsthafter Engpass bei der Entwicklung solcher Materialien.
Der Fotowissenschaftler Kobori Yasuhiro von der Universität Kobe und seine Forschungsgruppe haben an einer Eigenschaft namens „Elektronenspinzustände“ bewegter und interagierender angeregter Zustände gearbeitet. Sie erkannten, dass ihr Fachwissen genau das war, was zur Lösung des Problems der Aufwärtskonvertierung erforderlich war, und wandten es auf ein Material an, das für ihre Analyse besonders geeignet war.
Yasuhiro erklärt: „In Lösungssystemen ist es aufgrund der Hochgeschwindigkeitsrotation der Moleküle schwierig, die magnetischen Eigenschaften der Elektronenspins zu beobachten, und in herkömmlichen Festkörpersystemen ist die Reaktionseffizienz für Elektronenspinresonanzstudien zu gering.“ „Das in unserer Studie verwendete Dünnfilm-Festkörpermaterial war jedoch geeignet, die magnetischen Eigenschaften von Elektronenspins zu beobachten und ausreichende Triplett-Exzitonenkonzentrationen zu erzeugen.“
Ihre Ergebnisse, jetzt veröffentlicht in Das Journal of Physical Chemistry Letterszeigen, dass für die Übertragung von Energien auf ein lichtemittierendes Molekül die Elektronenspinzustände 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 mit vielen unterschiedlichen Orientierungen bewegen können. Außerdem darf dieses Springen nicht zu schnell erfolgen, damit genügend Zeit für die gegenseitige Umwandlung unterschiedlicher angeregter Zustände bleibt.
Yasuhiro erklärt: „Wir haben zunächst direkt die zeitliche Entwicklung des Elektronenspinzustands in Upconversion-Materialien in Festkörpersystemen beobachtet, dann die beobachtete Elektronenspinbewegung modelliert und schließlich ein neues theoretisches Modell dafür vorgeschlagen, wie sich der Elektronenspinzustand darauf bezieht.“ der Up-Conversion-Prozess.“
Diese Ergebnisse liefern schließlich einen Leitfaden für die Entwicklung hocheffizienter Photonen-Upconversion-Materialien, die auf der Kenntnis des mikroskopischen Mechanismus des Prozesses basieren.
„Ich erwarte, dass dieses Wissen zur Entwicklung hocheffizienter Solarzellen zur Linderung unserer Energieprobleme beitragen wird, aber auch zu einer Ausweitung auf ein breites Spektrum von Bereichen wie der photodynamischen Krebstherapie und der Diagnostik führt, bei denen Nahinfrarotlicht zur optischen Aufwärtskonvertierung genutzt wird.“ ohne den menschlichen Körper zu schädigen“, sagt Yasuhiro.
Mehr Informationen:
Kobori Yasuhiro et al., Effiziente Spin-Umwandlung durch molekulare Konformationsdynamik eines Triplettpaares für die Photonen-Hochkonversion in einem amorphen Festkörper, Das Journal of Physical Chemistry Letters (2024). DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c03602