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)開發(fā)的一塊180cm² 太陽能電池，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， 未來或許有望進(jìn)一步借助TTA上轉(zhuǎn)換技術(shù)突破太陽能電池30%轉(zhuǎn)換效率限。

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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)換過程中的能量轉(zhuǎn)移，就是通過這兩個(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)，來減少上轉(zhuǎn)換過程中的能量損失，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，由原來的無氧溶液實(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)為提高太陽能轉(zhuǎn)換效率帶來頗具潛力的應(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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