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JACS: 川大TTA上轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲突破|前沿用戶(hù)報(bào)道

來(lái)源:HORIBA科學(xué)儀器事業(yè)部   2019年12月11日 17:19  

原創(chuàng): HORIBA HORIBA科學(xué)儀器事業(yè)部 

供稿:范春英

編輯:Joanna

TTA上轉(zhuǎn)換技術(shù)(三重態(tài)-三重態(tài)湮滅上轉(zhuǎn)換Triplet-triplet Annihilation Upconversion)可以將光子由低能量轉(zhuǎn)化為高能量,對(duì)提高太陽(yáng)能利用率有很大幫助,也因此被人們廣泛的應(yīng)用于光伏、光催化、熒光生物成像等領(lǐng)域。2017年日本鐘化集團(tuán)開(kāi)發(fā)的一塊180cm² 太陽(yáng)能電池,創(chuàng)下了26.6%的轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄,可惜依然未能突破30%的肖克利-奎伊瑟限值。近四川大學(xué)新TTA上轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得重大突破, 未來(lái)或許有望進(jìn)一步借助TTA上轉(zhuǎn)換技術(shù)突破太陽(yáng)能電池30%轉(zhuǎn)換效率限。

圖片來(lái)源:pixabay

 

TTA上轉(zhuǎn)換技術(shù)核心關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)較大反斯托克位移的同時(shí),是否可以獲得較高上轉(zhuǎn)換量子效率???/span>惜常見(jiàn)上轉(zhuǎn)換體系都很難實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。在目前已有的報(bào)道中,TTA上轉(zhuǎn)換體系大反斯托克位移也只有0.97 eV,且上轉(zhuǎn)換效率僅為2.7%。近期四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院楊成教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)獲得了迄今為止大反斯托克位移1.08 eV,并實(shí)現(xiàn)了高達(dá)21%的上轉(zhuǎn)換量子效率。

四川大學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得迄今為止大反斯托克位移1.08 eV

 

以光敏劑為切入點(diǎn),優(yōu)化TTA上轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)

楊成教授團(tuán)隊(duì)是如何做到的呢?揭秘前我們需要先認(rèn)識(shí)一下TTA上轉(zhuǎn)換體系中的2大重要主角——光敏劑及受體分子。TTA上轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)移,就是通過(guò)這兩個(gè)角色間的不斷碰撞實(shí)現(xiàn)的。

楊成教授及其團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路,便是針對(duì)光敏劑進(jìn)行優(yōu)化處理。首先他們?cè)O(shè)計(jì)合成了一系列鉑-席夫堿配合物光敏劑,并利用化學(xué)修飾方法對(duì)這些光敏劑進(jìn)行調(diào)節(jié),來(lái)減少上轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損失,進(jìn)而增加反斯托克位移。此外楊教授團(tuán)隊(duì)對(duì)這些光敏劑的光物理性質(zhì)也進(jìn)行了優(yōu)化,用以提高實(shí)驗(yàn)效率。

 

熒光光譜助力研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人欣喜

終效果如何呢?楊教授團(tuán)隊(duì)對(duì)敏化劑的室溫發(fā)光、低溫磷光以及磷光壽命分別進(jìn)行了表征,同時(shí)對(duì)TTA上轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)也進(jìn)行了檢測(cè),如TTA上轉(zhuǎn)換發(fā)光、上轉(zhuǎn)換發(fā)光隨濃度、功率的變化以及時(shí)間分辨發(fā)光光譜等。

終檢測(cè)結(jié)果顯示優(yōu)化后的上轉(zhuǎn)換過(guò)程中能量損失由0.56 eV 減少到了0.18 eV,有效的增大了反斯托克斯位移,并終獲得目前為止大反斯托克位移1.08 eV

不僅如此,楊教授團(tuán)隊(duì)還將TTA上轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)體系,由原來(lái)的無(wú)氧溶液實(shí)驗(yàn)環(huán)境擴(kuò)展到了空氣飽和的有氧溶液體系中,并在兩種體系中分別實(shí)現(xiàn)了高達(dá)21%和14.8%的TTA上轉(zhuǎn)換量子效率這些結(jié)果都在表明突破肖克利-奎伊瑟限理論限或許指日可待。

實(shí)驗(yàn)中,楊教授團(tuán)隊(duì)使用Fluoromax系列熒光光譜儀進(jìn)行檢測(cè)。他們利用Fluoromax系列熒光光譜儀高靈敏度(SNR 16000:1)和超寬檢測(cè)范圍(200-1700nm可選)的特點(diǎn),確保了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性;此外Fluoromax系列光譜儀功能齊全,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)熒光、壽命和時(shí)間分辨光譜等的測(cè)試功能,這讓他們的檢測(cè)更加簡(jiǎn)單方便,大幅度提高了工作效率。

 

HORIBA FluoroMax+/(P/TCSPC)高靈敏一體式熒光光譜儀

 

四川大學(xué)的這些發(fā)現(xiàn)為提高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率帶來(lái)頗具潛力的應(yīng)用前景。這一研究成果近期也發(fā)表在Journal of the American Chemical Society。

 

 

文章作者&論文直達(dá)

文章作者:C. Fan.; L. Wei.; T. Niu.; M. Rao.; G. Cheng.; J. J. Chruma.; W. Wu*.; C. Yang*.

題目&雜志:Efficient Triplet-Triplet Annihilation Upconversion with an Anti-Stokes Shift of 1.08 eV Achieved by Chemically Tuning Sensitizers.

DOI:10.1021/jacs.9b05824.

 

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