Zwak licht nu ook inzetbaar voor toepassingen

-Gezamenlijk persbericht van de Stichting FOM en de Rijksuniversiteit Groningen-

Scheikundigen en materiaalwetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen en de Stichting FOM hebben een manier gevonden om infrarood licht efficiënter te ‘oogsten’. Zij gebruikten daarvoor speciale moleculen, die als lichtantennes de energie van het zwakke infrarood licht opvangen. De antennes geven de energie door aan de nanodeeltjes waar ze op vastzitten. Die maken vervolgens van twee opgevangen zwakke fotonen één sterk, energierijk foton, een proces dat upconversie heet. De nieuwe antennemoleculen versterken dit proces 3300 keer, een aanzienlijke verbetering voor bijvoorbeeld zonnecellen of medische beeldvormingstechnieken. Het onderzoek is 15 juli 2012 gepubliceerd op de website van het tijdschrift Nature Photonics.

Infrarood licht heeft te weinig energie om elektronen vrij te maken in bijvoorbeeld zonnecellen. Dit relatief zwakke licht gaat dan verloren. Eén van de mogelijke manieren om ook infrarood licht toch te kunnen gebruiken is 'upconversie': de energie van twee zwakke fotonen 'optellen' om één sterker (zichtbaar licht) foton te maken.

Factor 3300 toename

‘Er bestaan anorganische materialen, gemaakt van zeldzame aardmetalen, die dit upconversie proces kunnen bewerkstellingen’, legt hoogleraar Kees Hummelen, leider van de FOM-focusgroep 'Next generation organic photovoltaics' uit. ‘Maar deze materialen absorberen zelf erg weinig infrarode fotonen. Daarom hebben we er organische moleculen aan gekoppeld die deze fotonen opvangen en de energie doorgeven aan het upconversiemateriaal. Daarmee is het hele proces van infraroodabsorptie, upconversie en zichtbaar licht uitzenden met een factor 3300 toegenomen.’

Oogst mogelijk

De groep van Hummelen gaat proberen de oogst van infrarode fotonen verder te vergroten. ‘Ook met onze antennes vangen we nog steeds maar een beperkt deel van het infrarode licht op. Daar valt nog winst te behalen’, voorziet Hummelen. Maar het proces van upconversie binnenin het nanokristal verloopt nog erg inefficiënt. ‘Er moeten twee fotonen binnen een kort tijdsbestek samenkomen in het materiaal. In de praktijk is de efficiëntie van dit proces nog erg laag. Maar het oogsten is nu alvast veel beter gelukt, dat is stap 1!’, aldus Hummelen. Het werk van de Groningse onderzoekers is dan ook vooral een bewijs dat de oogst van infrarode fotonen via upconversie mogelijk is.

Zonnecellen

De meest voor de hand liggende toepassing is in zonnecellen. Want ongeveer de helft van alle zonne-energie die het oppervlak van de aarde bereikt, bestaat uit infrarood licht. ‘Een Duitse groep gaat onze nanokristallen met antennes in zonnecellen inbouwen, om ze in de praktijk te testen,’ aldus Hummelen, die sinds vorig jaar een FOM-focusgroep leidt waarin wordt gewerkt aan de nieuwe generatie organische zonnecellen. Door meer infrarood licht op te vangen kunnen zonnecellen de zogeheten Shockley-Queisser efficiëntielimiet doorbreken. Voor zonnecellen die uit één kleur bestaan ligt die limiet op 32 procent.

Medische beeldvormingstechniek

Het systeem voor upconversie van infrarood licht kent ook andere toepassingen, waaronder in medische beeldvormende technieken. ‘Infrarood licht dringt dieper in biologische weefsels door dan zichtbaar licht. Wanneer je verbindingen die upconversie uitvoeren, laat binden aan specifieke cellen in weefsels, kan je door infraroodbelichting afbeeldingen maken’, licht Hummelen toe.

Combinatie van werelden

In de FOM-focusgroep aan de Rijksuniversiteit Groningen combineerden de onderzoekers organische en anorganische chemie. ‘Die werelden zijn doorgaans nogal strikt gescheiden:’, zegt Hummelen. ‘Wij hebben ze bij elkaar gebracht, met dit succes als resultaat.’ De onderzoekers pasten een organische kleurstof die infrarood licht kan absorberen aan, zodat deze als een antenne aan een nanokristal van lanthaniden was te zetten. Op één kristal komen een stuk of zestig van deze antennes. ‘Als je er meer op zet, gaan ze elkaar storen.’ De antennes vangen de infrarode energie op en geven die door aan het nanokristal, die er vervolgens energierijkere fotonen van maakt, met een energie die voldoende is om een elektron vrij te maken in bijvoorbeeld zonnecellen. ‘Onze inspiratie kwam deels van het fotosynthesecomplex van planten’, verklaart Hummelen. ‘Daar heb je een krans van lichtabsorberende moleculen rond een actief centrum.’

Zernike Institute for Advanced Materials

Het onderzoek is grotendeels uitgevoerd door FOM-oio Wenqiang Zou, masterstudent Jeremio Maduro en postdoc Cindy Visser en vond plaats binnen het Stratingh Instituut voor Chemie en het Zernike Institute for Advanced Materials (ZIAM), beide onderdeel van de Faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen van de Rijksuniversiteit Groningen. Kees Hummelen en Maxim Pchenitchnikov begeleidden het werk.

Noot voor de redactie

•     Meer informatie: prof.dr. J.C. (Kees) Hummelen, j.c.hummelen rug.nl, tel. 050-363 55 53 of dr. M.S. (Maxim S) Pchenitchnikov , m.s.pchenitchnikov rug.nl, tel. 050- 363 41 59.
•     Website FOM-focusgroep: www.groningensolar.nl/
•     Bekijk hier een filmpje over de FOM-focusgroep
• Referentie: Broadband Dye-Sensitized Upconversion of Near-IR Light , Wenqiang Zou¹, Cindy Visser¹, Jeremio A.Maduro¹, Maxim S. Pshenichnikov² and Jan C. Hummelen^1,2*; ¹Stratingh Institute for Chemistry, University of Groningen, ²Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen, The Netherlands; Nature Photonics, DOI 10.1038/nphoton.2012.158

Figuur 1. Schema van het nanokristal met infrarood-absorberende antennes. NIR = near infrared, ET = Energy transfer, VIS = emissie van zichtbaar licht.

Figuur 2. Inspiratie uit de natuur. Links een natuurlijk fotosynthese systeem met licht-oogstende moleculen (LH, Light Harvesting) en een reactief centrum (RC), rechts schematisch het nanokristal dat upconversie uitvoert (UC) met daarop de antennes in groen.

Figuur 3. Spectrum van het zonlicht op zeeniveau. Ongeveer 49 procent van de straling is (nabij) infrarood.