美国特拉华大学获得W.M. Keck基金会的100万美元拨款，用以探索一个提高太阳能电池效率、医学成像和癌症治疗的新理念。目标是把低能量的光颜色(如红色)变成更高能量的颜色(如蓝色或绿色)。
改变光的颜色会极大改进太阳能电池技术。传统太阳能电池只能吸收一定阈值以上的光能。红外线照射时其能量未被吸收。但是，如果低能量光转化为更高光能，太阳能电池将吸收更多太阳能。研究小组预测，新方法可以使商用太阳电池转换效率增加25-30%。
改变光的颜色
植根于特拉华大学工程学院，该研究小组主管是材料科学与工程系副教授，兼任大学纳米加工设施副主任Matthew Doty。合作者包括材料科学与工程系的Joshua Zide, Diane Sellers 和 Chris Kloxin，生物医学工程系的Emily Day 和John Slater。
Doty说，“每个光子的能量与光的颜色直接相关，红色光子比蓝色光子能量低。科学家不能简单地把红色光子变成蓝色光子，但是可以把2个或更多红色光子能量相结合，制造一个蓝色光子。”对于此光子上变频过程，团队希望设计一种新型纳米结构，其作用像一个棘轮：它陆续吸收两个红色光子，将电子推进到激发态，从而发射一个高能蓝色光子。半导体棘轮结构是利用梯子之间捕获电子，直到下一个光子到达将前一个光子推向高能级。
特拉华大学团队致力于开发包含多层不同材料的新结构，如砷化铝和镓铋砷，每层只有几纳米厚。这种“量身定制”结构将控制电子流向不同潜在能级态，把曾经浪费的光子转换成有用能量。该团队已经从理论上证明其结构可以达到86%的上转换效率，这比目前最好材料验证的36%上转换效率取得一个巨大进步。同时，光吸收量和结构发射能量可定制到多种应用，从灯泡到激光引导手术。该团队将利用分子束外延(MBE)制备纳米结构。每一个结构都将被测试，以了解它如何吸收和发射光，结果将被用来调整结构以改善性能。
研究人员也将开发充满数百万个相同单个纳米粒子的溶液，每一个包含多个不同材料层，以实现光子棘轮的想法。通过这样的工作，团队设想一个未来上转换'涂料'，可以很容易地应用于太阳能电池，窗户和其他商业产品上。
该研究小组的目标是开发纳米结构，将2个红色光子的能量结合成单一蓝色光子。一些诊断性试验和医学治疗，包括计算机层析成像(CT)和正电子发射断层成像(PET)扫描到化疗，依靠荧光染料释放和药物。理想情况下，这样的有效载荷在特定时间施加于特定疾病部位，但这是很难控制的实践。
改进医疗测试和治疗
虽然3年项目最初重点是提高太阳能采集量，该小组还将探索生物医学应用。特拉华大学团队目的是开发一种上转换纳米粒子，被光触发后可释放有效载荷。目标是实现药物疗法的可控释放，即使是在病变的人体深处组织，同时减少对正常组织的周边损害，最小化所需激光功率。
Doty评论说，“这是高风险高回报研究。高风险是因为我们没有概念数据的证明。高回报是因为它对可再生能源和医学有巨大的潜在影响。同样技术可以用来收获更多的太阳能和治疗癌症。”
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