一直以来，固态上转换技术都依赖于硫化铅量子点这类无机材料。这些材料虽然有效，但是优化提升空间有限。
在近期一项研究中，美国斯坦福大学团队通过转向更加丰富和可调控的有机材料，解决了上述技术限制。
（来源：ACS Nano）
有机材料的引入不仅提供了更广泛的吸收光谱范围，而且还有可能通过分子设计，实现对于上转换过程的精细控制。
研究中，该课题组揭示了有机材料在进行光上转换的过程中，界面处形成的电荷转移状态对于产生三重态激子的高效性。
这一发现不仅可以增进人们对光物理过程的理解，也为开发新型光电转换材料提供了理论基础。
此外，在界面设计上该团队受到有机太阳能电池的启发，提出了体相异质结上转化器件的概念。这种设计可以有效克服界面受限的问题，通过在材料之间创造更多的有效接触面积，极大地提高光上转换性能。
总的来说，课题组通过采用一种简单的制备方法，来生产近红外到可见体相异质结构的光上转换薄膜。
这种方法不仅展示了与双层膜相似的上转换性能，并通过光谱学的研究详细表征了能量转移的每个步骤。
尽管评审专家认为体相异质结构系统的最大上转换效率仍有待提高，但是他们认为这种新方法为近红外到可见光上转换薄膜的应用拓展了范围。
同时，这一成果不仅深化了人们对于光上转换材料和技术的理解，也预示着上转换技术在能源、医疗、安全监控等领域的应用前景。
（来源：ACS Nano）
具体的应用前景主要分为三方面：
其一，可用于夜视与安全监控。
搭载这种技术的设备，可以把微弱的近红外光转换为可见光，以用于夜间监控、野外救援和军事侦察等场景。通过集成这款上转换技术，能让夜视设备大幅减轻重量且无需外部电源，从而可以极大便携性和便捷性。
其二，可用于提升太阳能电池效率。
当将上转换膜用于太阳能电池板的时候，可以让电池捕获转换太阳光谱中的更多能量：上转化薄膜将无法被传统太阳能电池吸收的近红外部分转化为可被太阳能电池吸收的可见光。
这意味着太阳能电池板的能效将被显著提高，有助于推动太阳能可再生能源的更广泛采用。
其三，可用于防伪技术。
利用上转换技术制成的防伪标签，可以在日常环境下隐形，这样一来必须使用特定波长的红外光才能揭示它的存在，从而能为文件、艺术品、奢侈品等，提供一种全新的难以复制的安全验证方式。
（来源：ACS Nano）
那么，这样一项成果是如何诞生的？如前所述，此前主流研究普遍采用硫化铅量子点来实现薄膜的近红到可见光的上转换，而该团队注意到使用有机材料可能会更高效。
特别是在材料界面处形成的电荷转移状态，可以产生更多的三重态激子。于是，他们开始探索如何有效地利用这些有机材料。
后来，他们从有机太阳能电池的设计中得到启发，决定将传统的多层膜结构改进为体相异质结结构，借此提高了两种材料间的电荷转移。
通过精心地设计实验，课题组优化了体相异质结之中两种材料的分布情况，让三重态激子的产生和上转换效率得以最大化。
为了评估相关材料和结构的性能，他们开发了一系列的表征方法，包括使用光谱学手段来分析能量转移过程，以及使用电化学方法和光电化学方法来评估电荷分离和传输效率。
另据悉，本次研究基于一篇日本研究人员的论文发展而来。日本研究者使用了多层膜的平面异质结结构来实现上转换，其所报告的效率数据出奇地高，比常规数据高出十倍之多。
这一结果让全球研究团队都感到震惊，因为它代表着该领域的一个巨大突破。然而，这样的高效率也引起了本次斯坦福团队的怀疑。
为了探究这一异常数据，斯坦福团队主动联系了日本研究人员，期望后者可以复查表征数据。日本研究人员答应了复查，但之后几个月里，却没有给到任何回复。
这种沉默让斯坦福团队陷入等待和不确定之中。同时，斯坦福团队也向其他同行请教，恰好遇到了这篇论文的审稿者。
斯坦福团队表示：“当这位教授了解到数据存在问题时，他表示对于当初在审稿中未能发现这一错误感到遗憾和后悔。”
与此同时，斯坦福团队的研究仍在进行，在相关论文即将发表之际，日本研究人员仍旧没有任何更新。
斯坦福团队表示：“虽然我们的数据看起来不如他们报告的那样‘吸引人’，但是我们的效率数据更准确、更可信。”
该团队继续表示：“这一经历带给我们一个宝贵教训：在科学研究中，验证和透明是至关重要的，坚持真实和准确的数据比一时的光芒更能经受时间的考验。最终，我们的工作凭借坚实的基础和真实的贡献，而获得了科研界的认可。”
日前，相关论文以《通过一步溶液沉积制备体异质结上转换薄膜》（Bulk Heterojunction Upconversion Thin Films Fabricated via One-Step Solution Deposition）为题发在 ACS Nano[1]。
图 | 相关论文（来源：ACS Nano）
斯坦福大学博士生胡满琛是第一作者，斯坦福大学教授丹尼尔·康格里夫（Daniel N. Congreve）担任通讯作者。
图 | 胡满琛（来源：胡满琛）
未来，他们打算继续优化上转换材料和结构，包括改进材料的光吸收特性、提高电荷转移效率以及上转换过程的量子效率。
通过调控材料合成工艺和加工工艺，他们期望能将这一技术推向更广阔的应用前景。
此外，课题组也正考虑开发一种基于上转换技术的隐形眼镜，以实现夜视功能。如果能够实现，这将是医疗设备和个人电子产品市场的一个创新突破。
另外，他们也在探索如何将这项技术用于传统太阳能电池。课题组也在寻找合作伙伴，共同开发和测试基于这些概念的产品。
该团队表示：“预计这项技术的成功实施会对太阳能行业产生重大影响，即能够提供一种新方式来降低太阳能发电成本，并使其在全球能源市场中更具竞争力。”
参考资料：
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.
运营/排版：何晨龙