一直以來，固態上轉換技術都依賴於硫化鉛量子點這類無機材料。這些材料雖然有效，但是優化提升空間有限。
在近期一項研究中，美國史丹福大學團隊通過轉向更加豐富和可調控的有機材料，解決了上述技術限制。
（來源：ACS Nano）
有機材料的引入不僅提供了更廣泛的吸收光譜範圍，而且還有可能通過分子設計，實現對於上轉換過程的精細控制。
研究中，該課題組揭示了有機材料在進行光上轉換的過程中，介面處形成的電荷轉移狀態對於產生三重態激子的高效性。
這一發現不僅可以增進人們對光物理過程的理解，也為開發新型光電轉換材料提供了理論基礎。
此外，在介面設計上該團隊受到有機太陽能電池的啟發，提出了體相異質結上轉化器件的概念。這種設計可以有效克服介面受限的問題，通過在材料之間創造更多的有效接觸面積，極大地提高光上轉換性能。
總的來說，課題組通過採用一種簡單的製備方法，來生產近紅外到可見體相異質結構的光上轉換薄膜。
這種方法不僅展示了與雙層膜相似的上轉換性能，並通過光譜學的研究詳細表征了能量轉移的每個步驟。
儘管評審專家認為體相異質結構系統的最大上轉換效率仍有待提高，但是他們認為這種新方法為近紅外到可見光上轉換薄膜的應用拓展了範圍。
同時，這一成果不僅深化了人們對於光上轉換材料和技術的理解，也預示著上轉換技術在能源、醫療、安全監控等領域的應用前景。
（來源：ACS Nano）
具體的應用前景主要分為三方面：
其一，可用於夜視與安全監控。
搭載這種技術的設備，可以把微弱的近紅外光轉換為可見光，以用於夜間監控、野外救援和軍事偵察等場景。通過集成這款上轉換技術，能讓夜視設備大幅減輕重量且無需外部電源，從而可以極大便攜性和便捷性。
其二，可用於提升太陽能電池效率。
當將上轉換膜用於太陽能電池板的時候，可以讓電池捕獲轉換太陽光譜中的更多能量：上轉化薄膜將無法被傳統太陽能電池吸收的近紅外部分轉化為可被太陽能電池吸收的可見光。
這意味著太陽能電池板的能效將被顯著提高，有助於推動太陽能可再生能源的更廣泛採用。
其三，可用於防偽技術。
利用上轉換技術製成的防偽標籤，可以在日常環境下隱形，這樣一來必須使用特定波長的紅外光才能揭示它的存在，從而能為文件、藝術品、奢侈品等，提供一種全新的難以複製的安全驗證方式。
（來源：ACS Nano）
那麼，這樣一項成果是如何誕生的？如前所述，此前主流研究普遍採用硫化鉛量子點來實現薄膜的近紅到可見光的上轉換，而該團隊注意到使用有機材料可能會更高效。
特別是在材料介面處形成的電荷轉移狀態，可以產生更多的三重態激子。於是，他們開始探索如何有效地利用這些有機材料。
後來，他們從有機太陽能電池的設計中得到啟發，決定將傳統的多層膜結構改進為體相異質結結構，藉此提高了兩種材料間的電荷轉移。
通過精心地設計實驗，課題組優化了體相異質結之中兩種材料的分布情況，讓三重態激子的產生和上轉換效率得以最大化。
為了評估相關材料和結構的性能，他們開發了一系列的表征方法，包括使用光譜學手段來分析能量轉移過程，以及使用電化學方法和光電化學方法來評估電荷分離和傳輸效率。
另據悉，本次研究基於一篇日本研究人員的論文發展而來。日本研究者使用了多層膜的平面異質結結構來實現上轉換，其所報告的效率數據出奇地高，比常規數據高出十倍之多。
這一結果讓全球研究團隊都感到震驚，因為它代表著該領域的一個巨大突破。然而，這樣的高效率也引起了本次史丹福團隊的懷疑。
為了探究這一異常數據，史丹福團隊主動聯繫了日本研究人員，期望後者可以複查表征數據。日本研究人員答應了複查，但之後幾個月里，卻沒有給到任何回復。
這種沉默讓史丹福團隊陷入等待和不確定之中。同時，史丹福團隊也向其他同行請教，恰好遇到了這篇論文的審稿者。
史丹福團隊表示：「當這位教授了解到數據存在問題時，他表示對於當初在審稿中未能發現這一錯誤感到遺憾和後悔。」
與此同時，史丹福團隊的研究仍在進行，在相關論文即將發表之際，日本研究人員仍舊沒有任何更新。
史丹福團隊表示：「雖然我們的數據看起來不如他們報告的那樣『吸引人』，但是我們的效率數據更準確、更可信。」
該團隊繼續表示：「這一經歷帶給我們一個寶貴教訓：在科學研究中，驗證和透明是至關重要的，堅持真實和準確的數據比一時的光芒更能經受時間的考驗。最終，我們的工作憑藉堅實的基礎和真實的貢獻，而獲得了科研界的認可。」
日前，相關論文以《通過一步溶液沉積製備體異質結上轉換薄膜》（Bulk Heterojunction Upconversion Thin Films Fabricated via One-Step Solution Deposition）為題發在 ACS Nano[1]。
圖 | 相關論文（來源：ACS Nano）
史丹福大學博士生胡滿琛是第一作者，史丹福大學教授丹尼爾·康格里夫（Daniel N. Congreve）擔任通訊作者。
圖 | 胡滿琛（來源：胡滿琛）
未來，他們打算繼續優化上轉換材料和結構，包括改進材料的光吸收特性、提高電荷轉移效率以及上轉換過程的量子效率。
通過調控材料合成工藝和加工工藝，他們期望能將這一技術推向更廣闊的應用前景。
此外，課題組也正考慮開發一種基於上轉換技術的隱形眼鏡，以實現夜視功能。如果能夠實現，這將是醫療設備和個人電子產品市場的一個創新突破。
另外，他們也在探索如何將這項技術用於傳統太陽能電池。課題組也在尋找合作夥伴，共同開發和測試基於這些概念的產品。
該團隊表示：「預計這項技術的成功實施會對太陽能行業產生重大影響，即能夠提供一種新方式來降低太陽能發電成本，並使其在全球能源市場中更具競爭力。」
參考資料：
1.Hu, M., Belliveau, E., Wu, Y., Narayanan, P., Feng, D., Hamid, R., ... & Congreve, D. N. (2023). Bulk Heterojunction Upconversion Thin Films Fabricated via One-Step Solution Deposition.ACS nano, 17(22), 22642-22655.
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