La conversión de energía solar en electricidad está actualmente restringida por un concepto conocido como límite Shockley-Quesser. Esta limitación permite que solo se utilicen fotones que tienen energías más altas que las de la banda prohibida, mientras que aquellos con energías más bajas se desperdician. En un esfuerzo por obtener una solución a este problema y hacer que la conversión de energía solar sea más eficiente, Los investigadores han desarrollado un proceso de conversión de fotones con energías más bajas en otros con energías más altas, llamado conversión ascendente de fotones.

En la última decada, un método de conversión ascendente de fotones que utiliza la aniquilación triplete-triplete (TTA) de moléculas orgánicas ha llamado la atención porque actualmente es el único método aplicable a la luz débil como la luz solar. Este método combina dos tipos de moléculas orgánicas o cromóforos, un sensibilizador y un emisor. El sensibilizador absorberá un fotón y lo convertirá a su estado triplete excitado. Luego, la energía de excitación se transfiere al emisor. Cuando chocan dos emisores con energía de excitación, uno se convertirá a su estado singlete excitado más bajo y liberará un fotón de conversión ascendente que se puede recolectar para la conversión de energía.

Si bien se han realizado muchos estudios sobre la conversión ascendente de fotones en disolventes orgánicos, su uso práctico es limitado debido a las altas presiones de vapor, toxicidad por vapor, inflamabilidad y falta de estabilidad térmica de las mezclas de disolventes. Se han propuesto múltiples enfoques para superar estas limitaciones, incluido el uso de medios fluidos viscosos como líquidos iónicos que tienen bajas presiones de vapor y alta estabilidad térmica. Los líquidos iónicos también son limitados en practicidad, sin embargo, debido a los costos relativamente altos de los materiales de partida y los procesos sintéticos, así como su escasa biodegradabilidad.

Para resolver fundamentalmente estos problemas anteriores, Los científicos de Tokyo Tech desarrollaron una conversión ascendente de fotones TTA utilizando una nueva clase de líquidos conocidos como solventes eutécticos profundos (DES). Los DES son una alternativa potencial a los fluidos iónicos, porque poseen propiedades deseables similares a las de los fluidos iónicos y pueden crearse mediante una simple mezcla de dos sustancias, un donante de enlaces de hidrógeno y un aceptor de enlaces de hidrógeno, sin necesidad de procesos sintéticos. Las sustancias de partida para la generación de SLF también son generalmente mucho más baratas, más seguros y biodegradables que los necesarios para la creación de líquidos iónicos, haciéndolos una alternativa ideal.

Las fotografías de los DES y los convertidores ascendentes de fotones se muestran en la Fig. 1. El DES preparado era ópticamente transparente e incoloro y se usó como disolvente para los cromóforos sensibilizadores y emisores. La muestra convierte la luz verde incidente débil (longitud de onda:532 nm; potencia:2-3 mW) en emisión azul (longitud de onda:~ 440 nm). La alta estabilidad térmica esperada se confirmó por la ausencia de ignición y humos durante la exposición a la llama de un quemador durante 1 min.

Notablemente, el rendimiento cuántico de conversión ascendente de fotones de las muestras alcanzó 0,21 (donde el rendimiento cuántico máximo se define como 0,5; se crea un fotón de mayor energía mediante el uso de dos fotones de menor energía al máximo en la conversión ascendente de fotones). Esto corresponde a la eficiencia cuántica de conversión ascendente del 42 por ciento (cuyo máximo se define como 100 por ciento). Ésta es una eficiencia relativamente alta.

Los científicos desarrollaron una plataforma de material novedosa para la conversión ascendente de fotones TTA utilizando menos tóxico, y DES térmicamente estables. Este logro se considera un hito importante para la realización de la aplicación práctica de la tecnología de conversión ascendente de fotones.