将两个低能量光子向上转换为一个高能量光子的能力在太阳能电池、光检测器和数据存储中具有潜在应用。在本公开中，CdSe和PbSe半导体纳米晶体与分子发射体(二苯基蒽和红荧烯)组合以在可见和近红外光谱区二者中向上转换光子。通过纳米晶体吸收低能量光子之后，能量转移到分子三重态，然后经历三重态‑三重态湮没以产生发射向上转换光的高能量单重态。通过在纳米晶体上使用共轭有机配体形成能量级联，向上转换过程可以提高最多三个数量级。纳米晶体和发射体的不同组合的使用表明，该平台在激发和发射波长二者的选择上具有很大的灵活性。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】跨越可见和近红外的杂化分子-纳米晶体光子向上转换政府权利本专利技术在国家科学基金授予的核准号CHE-1152677(CJB)和美国军方的核准号W911NF-14-1-0260(MLT)的政府支持下完成。政府对本专利技术享有一定的权利。专利
本专利技术涉及跨越可见和近红外光谱区的杂化分子-纳米晶体光子向上转换。背景在低成本的地球丰富的半导体中扩展近红外(NIR)光子的收集效率是持续的挑战。例如，硅(带隙，Eg=1.1eV)和碲化镉(Eg=1.5eV)不能收集波长分别超过1100和800nm的红外光子。这种限制会影响太阳能转换，因为基于这些材料的单结光伏电池受到对其效率的Shockley-Queisser限制。“第三代”光伏技术的科学挑战是从所有太阳能波长中提取有用能量，并超越Shockley-Queisser效率限制。在向上转换中，可以将两个较低能量的光子组合成位于半导体带隙之上并且可以被太阳能电池吸收的单个较高能量的光子。这个过程可以导致整体太阳能转换效率的显著提高，例如，从在Shockley-Queisser限制下的32%提高到带隙为1.76eV的光伏电池的一次光照(onesun)下的43%。向上转换过程已经在有机系统中实现，其中敏化剂吸收长波光子，经历系统间跨越到其三重态，且然后将其能量转移到作为发射体的第二分子的三重态。当这种情况发生两次时，可发生三重态-三重态湮没(TTA)，其中两个三重态融合成发射体上较高能量的单重态。有机向上转换系统可以将光子收集到790nm，具有显著的效率，例如在NIR中约为1%。不幸的是，发现将允许有机向上转换系统提高商业相关光伏材料(如Si或CdTe)的效率的光稳定的长寿命的有机NIR发色团证明是具有挑战性的。稀土玻璃也被用于向上转换，但是由于用于向上转换的镧系元素的光学跃迁的禁止性质，它们具有有限的光谱覆盖率和低效率。为了影响当前的太阳能技术，挑战是将向上转换材料扩展到NIR光谱区。无机纳米晶体(NC)是相对光稳定的发色团，其带隙吸收光谱可以从近紫外到红外调节。先前有关从有机物到半导体的三重态能量转移的报道认为，NC激子态有可能与分子三重态交换能量。很好的实例是最近证明了并五苯和并四苯层中由单重态分裂产生的三重态激子可以有效地将其能量转移到相邻的半导体NC层。稀缺的是相反过程的证据，例如，从NC到有机分子的三重态的能量转移。早期的实验已经提供了一些证据证明这种转移是可能的，表明NC可以敏化单重态态氧，并且萘基配体的低位三重态可以作为CdSeNC的俘获状态。根据示例性实施方案，本公开证明NC-有机三重态敏化是可以通过配体化学来优化的稳健现象。另外，NC-有机三重态敏化可以用于跨越可见和红外光谱区向上转换光子。向上转换材料的应用可以包括多光子成像、数据存储、光学显示和照明。本专利技术还具有将向上转换扩展至红外光谱区的潜力，在此情况下其可用于提高商业上可行的光伏材料如CdTe和Si的效率。概述公开了将两个低能量光子向上转换为一个高能量光子的方法，所述方法包括：合成半导体纳米晶体；以及将这样合成的半导体纳米晶体与分子发射体组合以在可见和近红外光谱区二者中向上转换光子。附图简述图1显示NC-有机向上转换策略的示意图，其中在策略A中，PbSeNC的有机配体是电子惰性的，且能量必须直接转移到有机发射体红荧烯(RUB)的三重态，并且在策略B中，能量首先转移到基于蒽的配体9-蒽羧酸(9-ACA)的三重态，然后将其转移到二苯基蒽(DPA)发射体。图2显示a)在室温下在己烷中的3.3nmCdSe/DPA敏化剂/发射体对的吸收和发射光谱。插图是CdSe的全部吸收光谱，b)在室温下在甲苯中获取的2.1nmPbSe/RUB敏化剂/发射体对的吸收和发射光谱。插图是PbSe第一激子的吸收，其中箭头表示光子向上转换的激发波长。图3显示a)含有2.1nmPbSe/RUB混合物的比色杯中的向上转换的照片。该黄斑是来自RUB的发射，源于未聚焦的cw800nm激光，激光强度为1W/cm2，和b)PbSe/RUB混合物的向上转换信号相对于激光强度(W/cm2)的对数-对数图，显示从二次(斜率=2)到线性(斜率=1)方式的转变，其中(a)和(b)在室温下用3.84mM红荧烯和58.1μMPbSeNC在干燥和脱气的甲苯中进行。图4显示a)在100ns时间窗口中PbSe/RUB(红线)和RUB(黑线)样品的即时荧光衰减，插图：伴随指数拟合的衰减的对数图(十字)，且单重态衰减时间从单独的RUB的16.2ns减少到PbSe混合物的14.3ns；和b)在微秒时间标度上PbSe/RUB(红色)和RUB(黑色)样品的延迟荧光衰减的对数图。在时间=0的尖峰是由于RUB的直接双光子激发引起的即时荧光造成的。插图：用41微秒衰减时间和5%偏移量拟合叠加的延迟荧光组分的对数图。图5显示(a)3.3nmCdSe/9-ACA/DPA敏化剂/配体/发射体系统的向上转换相对于激光强度的对数-对数图，显示从二次(斜率=2)到线性(斜率=1)方式的转变，(b)与CdSeNC连接的不同的传送体蒽配体和十八烷基膦酸(ODPA)配体的相对向上转换效率，并且其中(a)和(b)分别在干燥和脱气的己烷和甲苯中用1mMDPA和5μMCdSeNC在室温下进行。图6显示根据示例性实施方案使用的3.28nm直径的CdSeNC的TEM。图7显示根据示例性实施方案使用的3.10nm直径的PbS纳米颗粒的TEM图像。图8显示根据示例性实施方案使用的2.10nm直径的PbSe纳米颗粒的TEM图像。图9显示来自DPA的发射，由通过CdSe敏化时其发射最大值(432nm)的强度给出，相对于配体交换溶液中传送体9-ACA的浓度作图，其中通过用峰最大值除以[CdSe](μM)将向上转换信号归一化，测量在室温下进行，使用具有1mMDPA的甲苯中的官能化CdSeNC，通过532nmcwCoherentSapphire激光激发，且激光功率为9.2mW，在用500mm焦距透镜聚焦后测量。图10显示具有图9中来自DPA的最高向上转换信号的在配体交换溶液中具有0.015M的9-ACA的样品的芳族区的NMR谱，并且其中每个CdSeNC结合了约13个传送体9-ACA配体。图11显示图10中样品的全NMR谱。图12显示不同蒽配体的向上转换光致发光光谱。用配体交换溶液中的1.62mM蒽配体制备样品。[DPA]=1mM，并且其中向上转换信号通过用光谱除以[CdSe](μM)来缩放。图13显示在(a)线性标度和(b)对数标度上作图的CdSe/9-ACA/DPA和CdSe/ODPA/DPA样品的向上转换光致发光光谱。如第2章部分A中所述制备样品，[CdSe/9-ACA]=3.52×10-6M，[CdSe/ODPA]=2.10×10-6M，且[DPA]=1mM。图14显示(a)当由PbSe敏化时，来自甲苯中的1.0mM的RUB的发射对于不同浓度的PbSe作图，(b)将560nm处来自(a)的峰最大值对增加浓度的PbSeNC作图。使用1cm比色杯用800nm连续波(cw)激光器以正面检测进行测量，且激光功率为166mW。图15显示(a)由PbSe(0.764mM)敏化的甲苯中的不同摩尔浓度下的来自RUB的发本文档来自技高网...
【技术保护点】
将两个低能量光子向上转换为一个高能量光子的方法，所述方法包括：合成半导体纳米晶体；以及将所述这样合成的半导体纳米晶体与分子发射体组合以在可见和近红外光谱区二者中向上转换光子。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.02 US 62/1883661.将两个低能量光子向上转换为一个高能量光子的方法，所述方法包括：合成半导体纳米晶体；以及将所述这样合成的半导体纳米晶体与分子发射体组合以在可见和近红外光谱区二者中向上转换光子。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体纳米晶体选自CdSe和PbSe半导体纳米晶体。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述分子发射体选自以下一种或多种：二苯基蒽(DPA)和红荧烯(RUB)。4.根据权利要求1所述的方法，包括：用天然烷基封端的羧酸或膦酸配体包围所述这样合成的N...
【专利技术属性】
技术研发人员：CJ巴迪恩，邓明莉，KM汉森，黄智源，李昕，
申请(专利权)人：加州大学评议会，
类型：发明
国别省市：美国,US
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