La conversione dell'energia solare in elettricità è attualmente limitata da un concetto noto come limite di Shockley-Quesser. Questa limitazione consente di utilizzare solo fotoni che hanno energie superiori a quelle del bandgap, mentre quelli con energie inferiori sono sprecati. Nel tentativo di ottenere una soluzione a questo problema e rendere più efficiente la conversione dell'energia solare, i ricercatori hanno sviluppato un processo di conversione dei fotoni con energie più basse in quelli con energie più alte, chiamato fotone upconversion.

Nell'ultimo decennio, un metodo di conversione di fotoni che utilizza l'annichilazione tripletta-tripletta (TTA) di molecole organiche ha attirato l'attenzione perché è attualmente l'unico metodo applicabile alla luce debole come la luce solare. Questo metodo combina due tipi di molecole organiche o cromofori, un sensibilizzatore e un emettitore. Il sensibilizzatore assorbirà un fotone e lo convertirà nel suo stato di tripletto eccitato. L'energia di eccitazione viene quindi trasferita all'emettitore. Quando due emettitori con energia di eccitazione si scontrano, uno si convertirà al suo stato di singoletto eccitato più basso e rilascerà un fotone convertito che può essere raccolto per la conversione di energia.

Sebbene molti studi sulla conversione dei fotoni siano stati condotti in solventi organici, il loro utilizzo pratico è limitato a causa delle elevate pressioni di vapore, tossicità da vapore, infiammabilità, e mancanza di stabilità termica delle miscele di solventi. Diversi approcci sono stati proposti per superare queste limitazioni, compreso l'uso di fluidi viscosi come liquidi ionici che hanno basse pressioni di vapore ed elevata stabilità termica. I liquidi ionici sono anche limitati nella praticità, però, a causa dei costi relativamente elevati dei materiali di partenza e dei processi sintetici, così come la loro scarsa biodegradabilità.

Per risolvere sostanzialmente questi problemi precedenti, gli scienziati della Tokyo Tech hanno sviluppato un'upconversion di fotoni TTA utilizzando una nuova classe di liquidi noti come solventi eutettici profondi (DES). I DES sono una potenziale alternativa ai fluidi ionici, perché possiedono proprietà desiderabili simili a quelle dei fluidi ionici e possono essere create attraverso una semplice miscelazione di due sostanze, un donatore di legami idrogeno e un accettore di legami idrogeno, senza la necessità di processi sintetici. Anche le sostanze di partenza per la generazione di DES sono generalmente molto più economiche, più sicuri e più biodegradabili di quelli necessari per la creazione di liquidi ionici, rendendoli un'alternativa ideale.

Le fotografie dei DES e dei convertitori di fotoni sono mostrate in Fig. 1. Il DES preparato era otticamente trasparente e incolore e utilizzato come solvente per il sensibilizzatore e i cromofori dell'emettitore. Il campione converte la debole luce verde incidente (lunghezza d'onda:532 nm; potenza:2-3 mW) in emissione blu (lunghezza d'onda:~ 440 nm). L'elevata stabilità termica attesa è stata confermata dall'assenza di ignizione e fumo durante l'esposizione alla fiamma di un bruciatore per 1 min.

In particolare, la resa quantica di upconversion di fotoni dei campioni ha raggiunto 0,21 (dove la resa quantica massima è definita come 0,5; un fotone di energia superiore viene creato utilizzando due fotoni di energia inferiore al massimo nella conversione di fotoni). Ciò corrisponde all'efficienza quantica di upconversion del 42 percento (il cui massimo è definito come 100 percento). Questa è un'efficienza relativamente alta.

Gli scienziati hanno sviluppato una nuova piattaforma di materiali per l'upconversion dei fotoni TTA utilizzando meno costosi, meno tossico, e DES termicamente stabili. Questo risultato è considerato un importante punto di riferimento per la realizzazione dell'applicazione pratica della tecnologia di conversione dei fotoni.