Forskare har utvecklat en ny molekyl som på ett ovanligt effektivt sätt kan omvandla lågenergiskt grönt ljus till högenergiskt violett ljus. Genombrottet kan bana väg för betydligt effektivare solceller, fotokatalys och andra tekniker som idag inte kan utnyttja en stor del av solens energi.
Den nya acceptormolekylen, kallad TP-An, uppvisar en ovanligt hög effektivitet även vid svagt ljus och höga koncentrationer – två egenskaper som länge varit ett hinder för praktiska tillämpningar av så kallad fotonuppkonvertering. Resultaten har publicerats i The Journal of Physical Chemistry Letters.
Tar tillvara ljus som annars går förlorat
Dagens solceller och fotokatalytiska material kan bara utnyttja en begränsad del av solljusets spektrum. En stor mängd ljus med längre våglängder passerar helt enkelt genom materialen utan att omvandlas till användbar energi.
För att lösa problemet har forskare under flera år utvecklat tekniken photon upconversion (PUC), där två fotoner med låg energi kombineras till en enda foton med högre energi. På så sätt kan exempelvis grönt ljus omvandlas till violett ljus som lättare absorberas av olika material.
Den metod som anses mest lovande bygger på en process som kallas triplet–triplet-annihilation photon upconversion (TTA-PUC).
Ny acceptormolekyl överträffade förväntningarna
Forskargruppen vid Osaka Metropolitan University utvecklade den nya molekylen TP-An med målet att skapa en nästan idealisk acceptormolekyl för TTA-PUC.
Resultatet blev bättre än väntat.
I laboratoriet uppvisade molekylen en fluorescenskvantutbyte på över 99 procent, vilket innebär att nästan varje absorberad foton omvandlades till användbart ljus istället för att förloras som värme eller vibrationer.
Grönt ljus in – violett ljus ut
När forskarna belyste lösningen med grönt laserljus med en våglängd på 533 nanometer började den avge violett ljus vid 413 nanometer.
Detta visar att uppkonverteringen fungerar precis som avsett – ljus med lägre energi omvandlas till ljus med högre energi.
Vid fortsatta tester uppmättes en uppkonverteringseffektivitet på omkring 23 procent, vilket ligger mycket nära de högsta värden som hittills rapporterats för den här typen av system.
Klarar höga koncentrationer
En av de största utmaningarna för tidigare acceptormolekyler har varit att de tappar effektivitet när koncentrationen ökar.
Den vanligaste molekylen inom området, 9,10-difenylantracen, fungerar utmärkt i utspädda lösningar men försämras kraftigt när molekylerna packas tätare – något som är nödvändigt i verkliga energisystem.
TP-An behåller däremot sin höga effektivitet även vid betydligt högre koncentrationer.
Det gör materialet betydligt mer intressant för framtida kommersiella tillämpningar där stora mängder aktiva molekyler krävs för att samla in solljus effektivt.
Kan förbättra framtidens energiteknik
Forskarna ser flera möjliga användningsområden för tekniken.
Genom att omvandla ljus som idag inte tas tillvara skulle framtida solceller kunna utnyttja en större del av solens spektrum och därmed producera mer elektricitet.
Tekniken kan även användas inom:
- fotokatalys
- fotokemiska reaktioner
- artificiell fotosyntes
- avancerade optiska material
- framtida energisystem
Eftersom processen fungerar även under svag belysning kan den dessutom bli användbar i miljöer där ljusintensiteten är låg.
Nästa steg är fasta material
Hittills har experimenten genomförts i lösning, men forskarnas nästa mål är att utveckla fasta material som kan uppnå samma höga effektivitet.
Om detta lyckas kan tekniken integreras direkt i solceller och andra optoelektroniska komponenter, vilket skulle föra fotonuppkonvertering betydligt närmare praktisk användning.
Forskarna hoppas också utveckla material som kan omvandla ett ännu bredare spektrum av solljus till mer energirika våglängder och därigenom ytterligare förbättra energieffektiviteten hos framtidens teknologier.
Publikationsuppgifter
Tomoki Nagaoka et al., A Symmetric and Rigid Tetrahydropentalene Derivative as an Ideal Acceptor for Efficient Triplet–Triplet Annihilation-Assisted Photon Upconversion, The Journal of Physical Chemistry Letters (2026). DOI: 10.1021/acs.jpclett.6c00660.
