Systematic Studies of Triplet Annihilating Species for Photochemical Upconversion
Doctoral thesis, 2023

With climate change already setting new temperature records and causing more extreme weather events, transitioning to clean and renewable energy sources is more urgent than ever. Solar energy harvesting arguably holds the most promise with the abundance of terrestrial sunlight available. However, significant improvements to existing solar technologies would be beneficial as large parts of the solar spectrum currently can’t be properly exploited in devices.

Triplet-triplet annihilation photochemical upconversion (TTA-UC) is a process in which the interplay between a light-absorbing sensitizer and an emissive annihilator compound renders the conversion of low-energy to high-energy light; a promising prospect for existing solar devices. Photovoltaic systems require incident photons that hold an energy above a certain threshold value called the band gap, and TTA-UC could be used to make use of photons with energies below the band gap of the photovoltaic cell. Additionally, many photochemical reactions require high-energy photons, commonly in the ultraviolet (UV) region, to proceed. TTA-UC provides a pathway towards driving such demanding reactions with visible light instead.

In this thesis, the properties of the annihilator species are investigated in a systematic fashion. TTA-UC is a process dependent on several energy transfer events which are diffusion-controlled in fluid media, but for device incorporation solid state solutions are often needed. Dimers based on diphenylanthracene (DPA) are investigated as potential candidates to perform intramolecular (i)-TTA, with the two annihilating triplets emanating from within the same molecule. It is shown that DPA dimers indeed can perform i-TTA, and important insights regarding the underlying mechanism are highlighted.

Visible-to-UV TTA-UC has long suffered from much lower efficiencies than other spectral transformations. Pairing a set of annihilator molecules with nanocrystal (NC) sensitizers based on CdS yield important insights into the energetics regarding NC-sensitized TTA-UC, as well as improved conversion efficiencies when using 2,5-diphenyloxazole as the annihilator. Further improvements are achieved when switching to the organic sensitizer 4CzBN, which when paired with several UV-emitting annihilators yield efficient visible-to-UV TTA-UC. A record TTA-UC quantum yield of 16.8% is reported for the best-performing system, which is an almost 2-fold improvement on the previous record.

Finally, it is shown that triplet excimer formation competes with TTA in annihilator species based on naphthalene, which will cause TTA-UC efficiencies to decrease. The excimer formation pathway can be modulated by switching the type of substituent used, with more bulky substituents promoting TTA. The collective insights gathered herein provide a roadmap for future annihilator design, moving us closer to the ultimate goal of harnessing TTA-UC for solar energy conversion.

triplet-triplet annihilation

solar energy conversion

photochemical upconversion

HA3
Opponent: Angelo Monguzzi, Dipartimento di Scienza dei Materiali University of Milano-Bicocca, Italien

Author

Axel Olesund

Chalmers, Chemistry and Chemical Engineering, Chemistry and Biochemistry

Att manipulera ljus för bättre nyttjande av solen som energikälla

Användandet av solen som energikälla behöver både utökas och förbättras, men det
är svårt att hitta system där solens energi utnyttjas maximalt. För att bidra till
lösningar till detta problem har jag i min forskning fokuserat på en process som
kallas för fotonuppkonvertering (UC), i vilken ljus med låg energi omvandlas till ljus
med högre energi.

Primärt har molekyler som kan användas för att omvandla synligt till ultraviolett (UV)
ljus undersökts, och i min forskning har nya, mer effektiva system för denna
transformation utvecklats. UC kräver att två olika sorters molekyler interagerar med
varandra, och jag har främst studerat den ena typen av molekyl för att bättre förstå
vilka egenskaper som krävs hos denna för att UC ska fungera effektivt. Utöver
förbättringar i effektivitet har forskningen bidragit till ökad förståelse för de
underliggande mekanismer UC bygger på, och förklaringar till varför vissa molekyler
fungerar bättre än andra.

Med UC kan solljusets sammansättning manipuleras, och förhoppningen är att
resultaten från min forskning kan bidra till utvecklingen av UC-system som kan
nyttjas inom solenergiomvandling. UC skulle kunna användas t.ex. för att förbättra
effektiviteten hos solceller, samt appliceras inom tillverkningen av förnybart
vätgasbränsle. Båda dessa processer är beroende av ljus och att detta har tillräckligt
hög energi, och UC kan därför komma att bli en viktig kugge i övergången till ett
samhälle där solenergiomvandling spelar en central roll.

Driving Forces

Sustainable development

Areas of Advance

Nanoscience and Nanotechnology

Materials Science

Subject Categories

Physical Chemistry

Materials Chemistry

Chemical Sciences

Roots

Basic sciences

ISBN

978-91-7905-887-6

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5353

Publisher

Chalmers

HA3

Online

Opponent: Angelo Monguzzi, Dipartimento di Scienza dei Materiali University of Milano-Bicocca, Italien

More information

Latest update

12/7/2023