La conversion de l'énergie solaire en électricité est actuellement limitée par un concept connu sous le nom de limite de Shockley-Quesser. Cette limitation ne permet d'utiliser que des photons ayant des énergies supérieures à celles de la bande interdite, tandis que ceux avec des énergies inférieures sont gaspillés. Afin d'obtenir une solution à ce problème et de rendre la conversion de l'énergie solaire plus efficace, les chercheurs ont développé un processus de conversion des photons avec des énergies plus faibles en ceux avec des énergies plus élevées, appelée conversion ascendante de photons.

Dans la dernière décennie, une méthode de conversion ascendante des photons qui utilise l'annihilation triplet-triplet (TTA) de molécules organiques a attiré l'attention car c'est actuellement la seule méthode applicable à une lumière faible telle que la lumière solaire. Cette méthode combine deux types de molécules organiques ou chromophores, un sensibilisateur et un émetteur. Le sensibilisateur absorbera un photon et le convertira en son état triplet excité. L'énergie d'excitation est alors transférée à l'émetteur. Lorsque deux émetteurs avec une énergie d'excitation entrent en collision, l'un se convertira à son état singulet excité le plus bas et libérera un photon converti à la hausse qui peut être récolté pour la conversion d'énergie.

Alors que de nombreuses études sur l'upconversion des photons ont été menées dans des solvants organiques, leur utilisation pratique est limitée en raison des pressions de vapeur élevées, toxicité des vapeurs, inflammabilité, et le manque de stabilité thermique des mélanges de solvants. Plusieurs approches ont été proposées pour surmonter ces limitations, y compris l'utilisation de milieux fluidiques visqueux comme les liquides ioniques qui ont de faibles pressions de vapeur et une stabilité thermique élevée. Les liquides ioniques sont également limités en termes de praticité, cependant, en raison des coûts relativement élevés des matières premières et des procédés de synthèse, ainsi que leur faible biodégradabilité.

Pour résoudre fondamentalement ces problèmes précédents, des scientifiques de Tokyo Tech ont développé une conversion ascendante de photons TTA à l'aide d'une nouvelle classe de liquides appelés solvants eutectiques profonds (DES). Les DES sont une alternative potentielle aux fluides ioniques, parce qu'ils possèdent des propriétés souhaitables similaires à celles des fluides ioniques et peuvent être créés par un simple mélange de deux substances, un donneur de liaison hydrogène et un accepteur de liaison hydrogène, sans avoir besoin de procédés synthétiques. Les substances de départ pour la génération de DES sont également généralement beaucoup moins chères, plus sûrs et plus biodégradables que ceux nécessaires à la création de liquides ioniques, ce qui en fait une alternative idéale.

Des photographies des DES et des convertisseurs élévateurs de photons sont présentées sur la figure 1. Le DES préparé était optiquement transparent et incolore et utilisé comme solvant pour les chromophores sensibilisateurs et émetteurs. L'échantillon convertit la lumière verte incidente faible (longueur d'onde :532 nm; puissance :2-3 mW) en émission bleue (longueur d'onde :~440 nm). La stabilité thermique élevée attendue a été confirmée par l'absence d'inflammation et de fumée lors de l'exposition à une flamme de brûleur pendant 1 min.

Notamment, le rendement quantique de conversion ascendante des photons des échantillons a atteint 0,21 (où le rendement quantique maximal est défini comme 0,5 ; un photon de plus haute énergie est créé en utilisant deux photons de plus faible énergie au maximum dans la conversion ascendante des photons). Cela correspond à l'efficacité quantique de conversion ascendante de 42 % (dont le maximum est défini comme 100 %). Il s'agit d'un rendement relativement élevé.

Les scientifiques ont développé une nouvelle plate-forme matérielle pour la conversion ascendante de photons TTA en utilisant moins cher, moins toxique, et des DES thermiquement stables. Cette réalisation est considérée comme un point de repère important pour la réalisation de l'application pratique de la technologie de conversion ascendante des photons.