Les molécules sensibilisantes (vertes) absorbent les photons de faible énergie (lumière à grande longueur d’onde) et deviennent excitées dans des états de triplet. Ces états triplet sont ensuite transférés aux molécules d’annihilateur voisines (bleu), qui les font ensuite circuler dans tout le réseau cristallin de l’annihilateur. Si deux états triplets itinérants se rencontrent au niveau d’une seule molécule d’annihilation, l’excès d’énergie combiné produit un photon d’énergie plus élevée (lumière de longueur d’onde plus courte). Crédit : Yoichi Murakami de Tokyo Tech
Des cristaux organiques en solution solide ont été amenés à rechercher des matériaux de conversion ascendante de photons supérieurs, qui transforment la lumière de longue longueur d’onde actuellement perdue en une lumière de longueur d’onde plus courte plus utile. Des scientifiques de l’Institut de technologie de Tokyo ont revisité une approche des matériaux précédemment jugée terne – en utilisant une molécule développée à l’origine pour les LED organiques – en obtenant des performances et une efficacité exceptionnelles. Leurs découvertes ouvrent la voie à de nombreuses nouvelles technologies photoniques, telles que de meilleures cellules solaires et photocatalyseurs pour la production d’hydrogène et d’hydrocarbures.
La lumière est une puissante source d’énergie qui, si elle est correctement exploitée, peut être utilisée pour provoquer des réactions chimiques tenaces, générer de l’électricité et faire fonctionner des dispositifs optoélectroniques. Cependant, dans la plupart des applications, toutes les longueurs d’onde de la lumière ne peuvent pas être utilisées. En effet, l’énergie transportée par chaque photon est inversement proportionnelle à sa longueur d’onde, et les processus chimiques et physiques ne sont déclenchés par la lumière que lorsque l’énergie fournie par les photons individuels dépasse un certain seuil.
Cela signifie que les appareils comme les cellules solaires ne peuvent pas profiter de toute la couleur contenue dans la lumière du soleil, car elle comprend un mélange de photons à haute et basse énergie. Les scientifiques du monde entier explorent activement des matériaux pour réaliser la conversion ascendante des photons (PUC), par laquelle les photons avec des énergies plus faibles (longueurs d’onde plus longues) sont capturés et réémis sous forme de photons avec des énergies plus élevées (longueurs d’onde plus courtes). L’annihilation triplet-triplet (TTA) est un moyen prometteur de réaliser cela. Ce processus nécessite la combinaison d’un matériau sensibilisateur et d’un matériau annihilateur. Le sensibilisateur absorbe les photons de faible énergie (lumière à grande longueur d’onde) et transfère son énergie excitée à l’annihilateur, qui émet des photons à plus haute énergie (lumière de longueur d’onde plus courte) en raison de la TTA (Figure 1).
Trouver de bons matériaux solides pour le PUC s’est avéré difficile pendant longtemps. Bien que les échantillons liquides puissent atteindre une efficacité PUC relativement élevée, travailler avec des liquides, en particulier ceux comprenant des solvants organiques, est intrinsèquement risqué et fastidieux dans de nombreuses applications. Cependant, les essais précédents pour créer des solides PUC souffraient généralement d’une qualité cristalline médiocre et de petits domaines cristallins, ce qui conduit à de courtes distances de déplacement des états excités triplet et donc à une faible efficacité PUC. De plus, dans la plupart des échantillons solides précédents de PUC, la stabilité sous photoirradiation continue n’a pas été testée et les données expérimentales ont souvent été acquises dans des atmosphères de gaz inerte. Par conséquent, la faible efficacité et la stabilité insuffisante des matériaux étaient un sujet de préoccupation depuis longtemps.
Maintenant, dans une étude récente dirigée par le professeur agrégé Yoichi Murakami de Tokyo Tech, au Japon, une équipe de chercheurs a trouvé la réponse à ce défi. Publié dans Materials Horizon, leur article (en accès libre) décrit comment ils se sont concentrés sur les cristaux de van der Waals, une classe de matériaux classiques qui n’a pas été prise en compte pour la quête de solides PUC à haute efficacité. Après avoir découvert que le 9-(2-naphtyl)-10-[4-(1-naphthyl)phenyl]l’anthracène (ANNP), une molécule d’hydrocarbure développée à l’origine pour les LED organiques bleues, était un excellent annihilateur pour incarner leur concept, ils ont essayé de le mélanger avec de l’octaéthylporphyrine de platine (PtOEP), un sensibilisateur de base qui absorbe la lumière verte.
L’équipe a découvert que l’agrégation des molécules sensibilisantes pouvait être complètement évitée en utilisant la phase cristalline d’une solution solide de van der Waals avec une proportion suffisamment faible de PtOEP à ANNP (environ 1:50000). Ils ont procédé à une caractérisation approfondie des cristaux obtenus et ont découvert pourquoi l’utilisation de l’annihilateur ANNP a empêché l’agrégation du sensibilisateur alors que d’autres annihilateurs existants n’avaient pas réussi à le faire dans les études précédentes. De plus, les cristaux solides produits par l’équipe étaient très stables et présentaient des performances exceptionnelles, comme le fait remarquer le Dr Murakami : « Les résultats de nos expériences utilisant la lumière solaire simulée indiquent que les optiques de concentration solaire telles que les lentilles ne sont plus nécessaires pour convertir efficacement la lumière solaire terrestre ».
Dans l’ensemble, cette étude ramène les cristaux de van der Waals dans le jeu du PUC en tant que moyen efficace de créer des matériaux solides exceptionnels à l’aide d’annihilateurs d’hydrocarbures polyvalents. « La preuve de concept que nous avons présentée dans notre article est un bond en avant technique majeur dans la quête de solides PUC haute performance, qui ouvriront diverses technologies photoniques à l’avenir », conclut le Dr Murakami. Espérons que d’autres recherches sur ce sujet nous permettront de transformer efficacement la lumière dans ses formes les plus utiles.
Référence : « Cristaux en solution solide de van der Waals pour une conversion élevée de photons dans l’air sous un rayonnement subsolaire » par Riku Enomoto, Megumi Hoshi, Hironaga Oyama, Hideki Agata, Shinichi Kurokawa, Hitoshi Kuma, Hidehiro Uekusa et Yoichi Murakami, 28 octobre 2021, Horizons de matériaux.
DOI : 10.1039 / D1MH01542G
