Intramolecular Electronic Interactions in Photon Upconversion and Singlet Fission
Doktorsavhandling, 2021

The sun provides our planet with an abundance of energy in the form of solar light – a continuous stream of photons. Increasing our direct utilization of solar energy will constitute a necessary part in our ongoing replacement of fossil fuels with energy sources free from greenhouse gas emissions. The sunlight contains a broad spectrum of photon energies, but only a fraction of the photons in this spectrum can be harvested by a solar energy device. In fact, the energy harvesting efficiency of solar energy technologies is mainly limited by the mismatch between the solar spectrum and the photon energies that the solar energy device can utilize efficiently. Photon energy conversion techniques provide a way to circumvent this mismatch by converting incoming photons of too high or too low energy to photons with energy that matches the absorption of the solar energy device, thus enabling utilization of a larger part of the solar spectrum.

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.

Excitation Energy Transfer

Solar Energy Conversion

Photon Upconversion

Singlet Fission

Intramolecular

HC2, Hörsalsvägen 14
Opponent: professor Dirk M. Guldi, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg, Tyskland

Författare

Fredrik Edhborg

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Kemi och biokemi

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

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Intramolecular Triplet-Triplet Annihilation Photon Upconversion in Diffusionally Restricted Anthracene Polymer

Journal of Physical Chemistry B,; Vol. 125(2021)p. 6255-6263

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Rasmus Ringström, Fredrik Edhborg, Zachary W. Schroeder, Lan Chen, Michael J. Ferguson, Rik R. Tykwinski and Bo Albinsson. Molecular Rotational Conformation Controls the Rate of Singlet Fission and Triplet Decay in Pentacene Dimers.

Att byta färg på solens ljus

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.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik (SO 2010-2017, EI 2018-)

Ämneskategorier

Fysikalisk kemi

Infrastruktur

Chalmers materialanalyslaboratorium

ISBN

978-91-7905-589-9

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5056

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

HC2, Hörsalsvägen 14

Opponent: professor Dirk M. Guldi, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen Nürnberg, Tyskland

Mer information

Senast uppdaterat

2021-11-15