Gelişmiş Kristal Kullanarak Foton Dönüştürme

Duyarlılaştırıcı moleküller (yeşil) düşük enerjili fotonları (uzun dalga boylu ışık) emer ve üçlü hallere uyarılır. Bu üçlü haller daha sonra yakındaki yok edici moleküllere (mavi) aktarılır ve bunlar daha sonra onları yok edicinin kristal dizisi boyunca iletir. İki seyahat eden üçlü durum tek bir yok edici molekülde buluşursa, birleşik fazla enerji daha yüksek enerjili bir foton (daha kısa dalga boylu ışık) üretir. Kredi: Tokyo Tech’den Yoichi Murakami

Katı-çözeltili organik kristaller, şu anda boşa harcanan uzun dalga boylu ışığı daha kullanışlı daha kısa dalga boylu ışığa dönüştüren üstün foton yukarı-dönüştürme malzemeleri arayışına girmiştir. Tokyo Teknoloji Enstitüsü’nden bilim adamları, daha önce cansız sayılan bir malzeme yaklaşımını yeniden gözden geçirdiler – orijinal olarak organik LED’ler için geliştirilmiş bir molekül kullanarak – olağanüstü performans ve verimlilik elde ettiler. Bulguları, daha iyi güneş pilleri ve hidrojen ve hidrokarbon üretimleri için fotokatalistler gibi birçok yeni fotonik teknolojinin yolunu açıyor.

Işık, doğru kullanıldığında inatçı kimyasal reaksiyonları yürütmek, elektrik üretmek ve optoelektronik cihazları çalıştırmak için kullanılabilen güçlü bir enerji kaynağıdır. Ancak çoğu uygulamada ışığın tüm dalga boyları kullanılamaz. Bunun nedeni, her bir fotonun taşıdığı enerjinin dalga boyu ile ters orantılı olmasıdır ve kimyasal ve fiziksel süreçler, yalnızca bireysel fotonlar tarafından sağlanan enerji belirli bir eşiği aştığında ışık tarafından tetiklenir.

Bu, güneş pilleri gibi cihazların, hem yüksek hem de düşük enerjili fotonların bir karışımını içerdiğinden, güneş ışığında bulunan tüm renklerden yararlanamayacağı anlamına gelir. Dünya çapındaki bilim adamları, daha düşük enerjili (daha uzun dalga boyları) fotonların yakalandığı ve daha yüksek enerjili (daha kısa dalga boyları) fotonlar olarak yeniden yayıldığı foton dönüşümünü (PUC) gerçekleştirmek için aktif olarak materyalleri araştırıyorlar. Bunu gerçekleştirmenin umut verici bir yolu, üçlü üçlü imhadır (TTA). Bu işlem, bir hassaslaştırıcı malzeme ve bir yok edici malzeme kombinasyonunu gerektirir. Hassaslaştırıcı, düşük enerjili fotonları (uzun dalga boylu ışık) emer ve uyarılmış enerjisini, TTA’nın bir sonucu olarak daha yüksek enerjili fotonlar (daha kısa dalga boylu ışık) yayan yok ediciye aktarır (Şekil 1).

PUC için iyi katı malzemeler bulmanın uzun süredir zorlu olduğu kanıtlanmıştır. Sıvı numuneler nispeten yüksek PUC verimliliğine ulaşabilse de, sıvılarla, özellikle organik çözücüler içerenlerle çalışmak, birçok uygulamada doğal olarak riskli ve zahmetlidir. Bununla birlikte, PUC katılarını oluşturmak için önceki denemeler, genellikle, üçlü uyarılmış durumların kısa seyahat mesafelerine ve dolayısıyla düşük PUC verimliliğine yol açan, zayıf kristal kalitesi ve küçük kristal alanlarından muzdaripti. Ek olarak, önceki katı PUC numunelerinin çoğunda, sürekli foto-ışınlama altında stabilite test edilmedi ve deneysel veriler genellikle inert gaz atmosferlerinde elde edildi. Bu nedenle, düşük verimlilik ve yetersiz malzeme stabilitesi uzun süredir endişe kaynağı olmuştur.

Şimdi, Japonya’nın Tokyo Tech kentinden Doçent Yoichi Murakami tarafından yürütülen yakın tarihli bir çalışmada, bir araştırma ekibi bu zorluğun cevabını buldu. Materials Horizon’da yayınlanan makaleleri (açık erişim), yüksek verimli PUC katılarının arayışı için düşünülmemiş klasik bir malzeme sınıfı olan van der Waals kristallerine nasıl odaklandıklarını anlatıyor. 9-(2-naftil)-10- olduğunu keşfettikten sonra[4-(1-naphthyl)phenyl]Başlangıçta mavi organik LED’ler için geliştirilmiş bir hidrokarbon molekülü olan antrasen (ANNP), konseptlerini somutlaştırmak için mükemmel bir yok ediciydi, onu yeşil ışığı emen bir temel hassaslaştırıcı olan platin oktaetilporfirin (PtOEP) ile karıştırmayı denediler.

Ekip, yeterince düşük PtOEP ila ANNP oranı (yaklaşık 1:50000) ile bir van der Waals katı çözeltisinin kristal fazını kullanarak duyarlılaştırıcı moleküllerin toplanmasının tamamen önlenebileceğini buldu. Elde edilen kristalleri kapsamlı bir şekilde karakterize etmeye devam ettiler ve diğer mevcut yok ediciler önceki çalışmalarda bunu başaramadığında ANNP yok edicisinin kullanılmasının neden hassaslaştırıcının birikmesini önlediğine dair bir fikir buldular. Ayrıca, Dr. Murakami’nin belirttiği gibi, ekibin ürettiği katı kristaller oldukça kararlıydı ve olağanüstü performans sergiledi: “Simüle edilmiş güneş ışığını kullanan deneylerimizin sonuçları, karasal güneş ışığını verimli bir şekilde yukarı dönüştürmek için lensler gibi güneş konsantrasyon optiklerine artık ihtiyaç olmadığını gösteriyor.”

Genel olarak, bu çalışma van der Waals kristallerini çok yönlü hidrokarbon yok ediciler kullanarak olağanüstü katı malzemeler yaratmanın etkili bir yolu olarak PUC oyununa geri getiriyor. Dr. Murakami, “Makalemizde sunduğumuz kavram kanıtı, gelecekte çeşitli fotonik teknolojilerinin önünü açacak olan yüksek performanslı PUC katıları arayışında ileriye doğru atılmış büyük bir teknik adımdır.” Umalım ki bu konuda daha fazla araştırma ışığı verimli bir şekilde en kullanışlı biçimlerine dönüştürmemize izin versin.

Referans: Riku Enomoto, Megumi Hoshi, Hironaga Oyama, Hideki Agata, Shinichi Kurokawa, Hitoshi Kuma, Hidehiro Uekusa ve Yoichi Murakami, 28 Ekim 2021, Malzemeler Ufuklar.
DOI: 10.1039 / D1MH01542G





#Kristaller #Işığı #Verimli #Bir #Şekilde #Daha #Kullanışlı #Dalga #Boylarına #Dönüştürür #Daha #İyi #Güneş #Pilleri #İçin #Asfaltlama #Yolu