A conversão de energia solar em eletricidade é atualmente restrita por um conceito conhecido como limite de Shockley-Quesser. Esta limitação permite que apenas fótons que têm energias mais altas do que aqueles do bandgap sejam usados, enquanto aqueles com energias mais baixas são desperdiçados. Em um esforço para obter uma solução para este problema e tornar a conversão de energia solar mais eficiente, pesquisadores desenvolveram um processo de conversão de fótons com energias mais baixas em outros com energias mais altas, chamado upconversion de fótons.

Na década passada, um método de conversão ascendente de fótons que usa aniquilação tripleto-tripleto (TTA) de moléculas orgânicas chamou a atenção porque é atualmente o único método aplicável à luz fraca, como a luz solar. Este método combina dois tipos de moléculas orgânicas ou cromóforos, um sensibilizador e um emissor. O sensibilizador absorverá um fóton e o converterá em seu estado tripleto excitado. A energia de excitação é então transferida para o emissor. Quando dois emissores com energia de excitação colidem, um se converterá ao seu estado de singlete excitado mais baixo e liberará um fóton convertido que pode ser coletado para conversão de energia.

Embora muitos estudos sobre conversão ascendente de fótons tenham sido realizados em solventes orgânicos, seu uso prático é limitado devido às altas pressões de vapor, toxicidade de vapor, inflamabilidade, e falta de estabilidade térmica das misturas de solventes. Várias abordagens foram propostas para superar essas limitações, incluindo o uso de meios fluidos viscosos como líquidos iônicos que têm baixas pressões de vapor e alta estabilidade térmica. Líquidos iônicos também são limitados em praticidade, Contudo, devido aos custos relativamente altos de materiais de partida e processos sintéticos, bem como sua baixa biodegradabilidade.

Para resolver fundamentalmente esses problemas anteriores, cientistas da Tokyo Tech desenvolveram uma conversão ascendente de fótons TTA usando uma nova classe de líquidos conhecida como solventes eutéticos profundos (DESs). DESs são uma alternativa potencial para fluidos iônicos, porque eles possuem propriedades desejáveis ​​semelhantes às dos fluidos iônicos e podem ser criados através de uma simples mistura de duas substâncias, um doador de ligação de hidrogênio e um aceitador de ligação de hidrogênio, sem a necessidade de processos sintéticos. As substâncias iniciais para a geração de DESs também são geralmente muito mais baratas, mais seguro e biodegradável do que aqueles necessários para a criação de líquidos iônicos, tornando-os uma alternativa ideal.

As fotografias dos DESs e dos conversores ascendentes de fótons são mostradas na Fig. 1. O DES preparado era opticamente transparente e incolor e usado como solvente para os cromóforos sensibilizadores e emissores. A amostra converte luz verde incidente fraca (comprimento de onda:532 nm; potência:2-3 mW) em emissão azul (comprimento de onda:~ 440 nm). A alta estabilidade térmica esperada foi confirmada pela ausência de ignição e fumaça durante a exposição à chama de um queimador por 1 min.

Notavelmente, o rendimento quântico de conversão ascendente de fótons das amostras atingiu 0,21 (onde o rendimento quântico máximo é definido como 0,5; um fóton de energia mais alta é criado usando dois fótons de energia mais baixa no máximo na conversão ascendente de fótons). Isso corresponde à eficiência quântica de conversão ascendente de 42 por cento (cujo máximo é definido como 100 por cento). Esta é uma eficiência relativamente alta.

Os cientistas desenvolveram uma nova plataforma de material para upconversion de fótons TTA usando mais barato, menos tóxico, e DESs termicamente estáveis. Esta conquista é considerada um marco importante para a realização da aplicação prática da tecnologia de conversão ascendente de fótons.