分子研,近赤外→可視光に有機半導体でアップコン

分子科学研究所は,有機半導体薄膜の界面を用いて,近赤外光を高効率に可視光に変換する新技術を開発した(ニュースリリース)。

エネルギーの低い長波長の光を吸収し,エネルギーの高い短波長の光を発光するフォトンアップコンバージョン(UC)は,太陽電池や光触媒の効率向上,光センサや生体内光遺伝子治療などへの応用が期待されている。

これまでUCでは,光吸収の直後に感光体分子内で生成するスピンが反平行な一重項の励起子を,分子内に含まれる“重い”原子を使って,スピンが平行な三重項の励起子に変換する項間交差が用いられてきた。その後,この二つの三重項励起子からエネルギーの高い一重項励起子が一つ生成され,高エネルギー発光が観測される。

しかし,この重原子効果によるスピンの反転にはレアメタルや有害元素が必須で,高強度の励起光が必要,溶液中での報告例がほとんど,固体中では変換効率(外部量子収率)が非常に低いなどの問題があった。

今回,研究グループは,二種類の有機半導体材料の積層膜を用いることで,その界面で近赤外光を可視光に高効率に変換する新技術を発明した。その光変換は,感光体層中で光吸収により生成した一重項の励起子が,二種類の有機半導体:感光体/発光体の界面で,一旦,スピン状態がランダムな電子とホールに分離することから始まる。

それらが界面で出会い再結合する際に,スピンが平行な三重項の励起子と反平行な一重項の励起子が,統計的に3:1の割合で自動的に生成される。その後,その三重項励起子が界面から発光体層へと移動し,二つの三重項励起子から一つの高エネルギーの一重項励起子が生成し,最終的に高エネルギーの短波長発光が観測される。

つまり,従来のように感光体分子内の重原子効果を用いてスピンを反転させ三重項を生成するのではなく,有機半導体の界面での電荷分離・再結合により三重項を生成し,UCを実現した。

この新原理のUCは,近赤外光から黄色の可視光への光変換効率(外部量子収率)が2.3%と,従来の固体中でのUCより約100倍高いことがわかった。この要因は,使用した吸収効率の高い有機半導体の薄膜が,入射した光の大部分を界面に捕集し,三重項励起子に変換できたからだとわかった。

この新原理UCは有機軽元素のみで構成され,レアメタルや有害元素を必要としない。さらに,レーザー光などの高強度の励起光ではなく,市販のLEDの光でも高効率なUCが可能となった。また,有機半導体材料を塗布によって製膜したフレキシブル基板上でのUCを世界で初めて実現した。

研究グループは,この技術が様々な分野の研究展開につながる光エネルギー変換の基盤技術になるとしている。

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