Intramolecular Electronic Interactions in Photon Upconversion and Singlet Fission
Doctoral thesis, 2021
Photon energy conversion includes both upconversion and downconversion. In this thesis, the photophysical processes of photon upconversion (PUC) by triplet-triplet annihilation and exciton downconversion by singlet fission (SF) have been investigated. The work presented in this thesis focuses on gaining knowledge and in-depth mechanistic understanding of the electronic interactions and excitation energy transfer events between chromophores that govern PUC and SF. More specifically, this thesis presents results from an investigation of intramolecular electronic interactions between chromophores within a molecular construct designed for PUC or SF. The mechanisms of intramolecular energy transfer between chromophores used for PUC have been investigated with respect to rate and efficiency. Intramolecular SF in a molecular dimer has been investigated in a detailed study of how the relative orientation of the chromophores and molecular conformational flexibility influence the kinetics of SF.
The results presented in this thesis show how the relative orientation of chromophores as well as the moiety connecting the chromophores, control the nature and magnitude of the intramolecular electronic coupling. This insight highlights the importance of controlling molecular orientations and conformation flexibility as a design parameter in the development of novel molecular systems for photon energy conversion. Further, it has been shown that the overall process of PUC or SF is faster in an intramolecular system compared to a corresponding intermolecular system. Finally, the work presented in this thesis has shown that careful design of molecular frameworks could enable efficient intramolecular PUC and SF materials, which have potential to increase the energy harvesting efficiency of solar energy technologies.
Singlet Fission
Photon Upconversion
Intramolecular
Excitation Energy Transfer
Solar Energy Conversion
Author
Fredrik Edhborg
Chalmers, Chemistry and Chemical Engineering, Chemistry and Biochemistry
Singlet and triplet energy transfer dynamics in self-assembled axial porphyrin-anthracene complexes: Towards supra-molecular structures for photon upconversion
Physical Chemistry Chemical Physics,;Vol. 20(2018)p. 7549-7558
Journal article
Singlet Energy Transfer in Anthracene-Porphyrin Complexes: Mechanism, Geometry, and Implications for Intramolecular Photon Upconversion
Journal of Physical Chemistry B,;Vol. 123(2019)p. 9934-9943
Journal article
Intramolecular Triplet-Triplet Annihilation Photon Upconversion in Diffusionally Restricted Anthracene Polymer
Journal of Physical Chemistry B,;Vol. 125(2021)p. 6255-6263
Journal article
Molecular rotational conformation controls the rate of singlet fission and triplet decay in pentacene dimers
Chemical Science,;Vol. In Press(2022)
Journal article
Solen har enorm potential som energikälla för att driva vårt energikrävande moderna samhälle. Solen förser oss med så mycket energi att det räcker och blir över. Det svåra är att effektivt fånga energin i solljuset och omvandla det till andra energiformer, såsom el eller bränslen.
Ljus kan ses som en ström av ljuspartiklar, fotoner. Hur mycket energi en foton har beror på ljusets färg. Solens vita ljus består av olika färger, vilket syns t.ex. i en regnbåge. En stor del i svårigheten med att ta vara på solens energi är att de tekniker vi använder är ineffektiva. T.ex. en solcell, som omvandlar solljus till elektrisk energi, kan bara använda en del av fotonerna från solen – de fotoner med för låg energi kan inte fångas upp och överskottet från de fotoner med för hög energi går förlorat. Det är alltså bara de fotoner som har rätt färg, med lagom mycket energi, som används effektivt.
I min forskning har jag studerat tekniker som kan ändra fotoners energi, d.v.s. att byta färg på ljus. Med så kallad foton-uppkonvertering kan en foton med hög energi skapas genom att kombinera två fotoner av lägre energi. Med foton-nedkonvertering, även kallad singlett fission, kan energin från en foton delas upp till två fotoner av lägre energi. Både upp- och nedkonvertering görs genom att olika sorters molekyler samverkar med varandra i en komplex process. Jag har studerat hur upp- och nedkonvertering fungerar när de olika molekylerna sätts ihop till en enda stor molekyl. Om vi förstår i detalj hur molekylerna växelverkar kan vi också utveckla nya bättre molekyler som gör att vi effektivare kan upp- och nedkonvertera ljus och därmed ta vara på större andel av solens energi.
Driving Forces
Sustainable development
Areas of Advance
Nanoscience and Nanotechnology
Subject Categories
Physical Chemistry
Atom and Molecular Physics and Optics
Infrastructure
Chalmers Materials Analysis Laboratory
ISBN
978-91-7905-589-9
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5056
Publisher
Chalmers
HC2, Hörsalsvägen 14
Opponent: professor Dirk M. Guldi, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg, Tyskland