分子熱工学に基づく高性能な光アップコンバージョン結晶系の創出と学術基盤の構築

基于分子热工程的高性能光学上转换晶体系统的创建和学术基础设施的建设

基本信息

批准号：
20H02082
负责人：
村上陽一
金额：
$ 11.32万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は，太陽電池等で未利用な長波長な光（低エネルギーな光子群）を，利用可能なより短波長な光（より高エネルギーな光子群）に変換する光アップコンバージョン（UC）に関する．今年度は，交付申請書に記載した1番目の研究目的，「応用に適した熱力学的に安定かつ高効率な結晶性UC有機分子材料の創出」について著しい成果を得た．具体的に，本課題における提案着想の実現に成功し，熱力学的に安定かつ前例のない高性能を示す「α固溶体相」のUC有機結晶の創製に成功した．固体UC材料では一般に，光子を吸収する「増感分子」と，そこから励起状態を受け取り励起子として空間を伝播させUCを行う「発光分子」とを分子レベルで均一混合する必要があるが，従来は熱力学安定状態での二種分子のミクロな均一混合ができていなかった．本研究ではこの解決として「混合エントロピー」を二種分子混合の駆動力に用いた．本材料は平衡状態近傍で生成されるため高い結晶性を有し，材料内における励起子拡散長が1μm以上と，従来の固体UC材料より２桁程度長い励起子拡散長を実現した．これにより理論最大効率の32 %（UC量子効率16%），空気中における長時間光照射に対して安定，および，励起の閾値強度が自然太陽光の1/5程度と，前例のない極めて高性能な固体UC材料を創出した．本成果は査読付論文（Materials Horizons, IF: 13.266）に出版され，さらに新聞を含む多くのメディアに掲載された．本成果の過程で，交付申請書に記載した2番目の研究目的，「材料形成の成否を支配する根本要因の解明」も部分的に達成に至った．3番目の研究目的である「UC有機分子結晶中における励起子輸送の特性およびその支配因子の解明」は，その計測システム構築が難航し当初の計画から遅れたが，年度内に構想したシステムの構築を完了することができた．

这项研究涉及光学上转换（UC），该光学上转换在太阳能电池等中未使用的长波长（低能光子基团）转换为较短的波长光（高能量光子基团）。今年，我们在申请表中列出的第一个研究目标上取得了显着的结果，“创建适用于应用的热力学稳定且高效的结晶UC有机分子材料”。具体而言，我们已经成功地意识到了有关此问题的建议，并成功地创建了具有α-固定溶液相的UC有机晶体，该溶液阶段表现出热力学稳定性和前所未有的高性能。在固体UC材料中，通常有必要将吸收光子和“发光分子”的“敏化分子”均匀混合，这些分子接收到它们的激发态，并以示例传播，以表现出色，但在过去，在过去的稳定的热力学状态下，两个分子的微均均匀混合均可能是稳定的。在这项研究中，我们使用“混合熵”作为解决此问题的解决方案。该材料在平衡附近产生，因此它具有高的结晶度，并且具有激子扩散长度为1μm或更高，实现了比传统的固体UC材料的激子扩散长度约为两个数量级。这产生了前所未有的，极为高的固体固体材料，理论效率最高为32％（UC量子效率为16％），稳定在空气中的长期光照射，并且激发约1/5的阈值强度约为1/5。这一发现发表在经过同行评审的论文（If Materials Horizons，If：13.266）中，并且也已在包括报纸在内的许多媒体店发表。在这项成就的过程中，授予应用程序中列出的第二个研究目标是“了解构成物质形成成功或失败的基本因素”，部分实现了。第三个研究目标是“理解UC有机分子晶体中激子运输的特征及其治理因素”，由于难以构建测量系统的困难而延迟了原始计划，但可能在财政年度构建的系统的构建是可能的。