Splitting Singlets Solar cell efficiency is limited because light at wavelengths shorter than the cell's absorption threshold does not channel any of its excess energy into the generated electricity. Congreve et al. (p. 334 ) have developed a method to harvest the excess energy in carbon-based absorbers through a process termed “singlet fission.” In this process, high-energy photons propel two current carriers, rather than just one, by populating a singlet state that spontaneously divides into a pair of triplet states. Although it works in a functioning organic solar cell, the efficiency needs improving.

Recent advances in photoredox catalysis have made it possible to achieve various challenging synthetic transformations, polymerizations and surface modifications1–3. All of these reactions require ultraviolet- or visible-light stimuli; however, the use of visible-light irradiation has intrinsic challenges. For example, the penetration of visible light through most reaction media is very low, leading to problems in large-scale reactions. Moreover, reactants can compete with photocatalysts for the absorption of incident light, limiting the scope of the reactions. These problems can be overcome by the use of near-infrared light, which has a much higher penetration depth through various media, notably biological tissue4. Here we demonstrate various photoredox transformations under infrared radiation by utilizing the photophysical process of triplet fusion upconversion, a mechanism by which two low-energy photons are converted into a higher-energy photon. We show that this is a general strategy applicable to a wide range of photoredox reactions. We tune the upconversion components to adjust the output light, accessing both orange light and blue light from low-energy infrared light, by pairwise manipulation of the sensitizer and annihilator. We further demonstrate that the annihilator itself can be used as a photocatalyst, thus simplifying the reaction. This approach enables catalysis of high-energy transformations through several opaque barriers using low-energy infrared light. Photoredox transformations are achieved with infrared light by using triplet fusion upconversion that converts infrared into visible light, enabling the use of photoredox chemistry on larger scales and through barriers that are impenetrable by visible light.

Light-emitting diodes based on halide perovskites have undergone rapid development in recent years and can now offer external quantum efficiencies of over 23%. However, the practical application of such devices is still limited by a number of factors, including the poor efficiency of blue-emitting devices, difficulty in accessing emission wavelengths above 800 nm, a decrease in external quantum efficiency at high current density, a lack of understanding of the effect of the electric field on mobile ions present in the perovskite materials, and short device lifetimes. Here we review the development of perovskite light-emitting diodes. We examine the key challenges involved in creating efficient and stable devices, and consider methods to alleviate the poor efficiency of blue-emitting devices, leverage emission in the long infrared region and create spin-polarized light-emitting diodes. This Review examines the development of perovskite light-emitting diodes, exploring the key challenges involved in creating efficient and stable devices.

Despite heavy research, blue perovskite nanocrystal LEDs have struggled to match the high efficiencies of their red and green cousins, particularly at wavelengths blue enough to meet the NTSC blue standard. One of the most critical problems is the low photoluminescence yield of the nanocrystals in thin films. Recently, manganese doping has been shown to increase the photoluminescence yield of the perovskite even as a decay pathway to a long-lived emissive state on the manganese ion is introduced. Here, we employ a two-step synthetic approach to carefully tune the manganese doping to increase the blue photoluminescence while preventing significant manganese emission, allowing for blue perovskite LEDs with quantum efficiencies over 2% that meet the NTSC standard. Manganese doping increases the photoluminescence yield and lifetime, reduces trap states, and makes the dots more monodisperse, reducing the emission bandwidth. Finally, we utilize perovskite nanocrystal downconverters to build an all-perovskite white LED.

Singlet exciton fission, a process that generates two excitons from a single photon, is perhaps the most efficient of the various multiexciton-generation processes studied to date, offering the potential to increase the efficiency of solar devices. But its unique characteristic, splitting a photogenerated singlet exciton into two dark triplet states, means that the empty absorption region between the singlet and triplet excitons must be filled by adding another material that captures low-energy photons. This has required the development of specialized device architectures. In this Account, we review work to develop devices that harness the theoretical benefits of singlet exciton fission. First, we discuss singlet fission in the archetypal material, pentacene. Pentacene-based photovoltaic devices typically show high external and internal quantum efficiencies. They have enabled researchers to characterize fission, including yield and the impact of competing loss processes, within functional devices. We review in situ probes of singlet fission that modulate the photocurrent using a magnetic field. We also summarize studies of the dissociation of triplet excitons into charge at the pentacene-buckyball (C60) donor-acceptor interface. Multiple independent measurements confirm that pentacene triplet excitons can dissociate at the C60 interface despite their relatively low energy. Because triplet excitons produced by singlet fission each have no more than half the energy of the original photoexcitation, they limit the potential open circuit voltage within a solar cell. Thus, if singlet fission is to increase the overall efficiency of a solar cell and not just double the photocurrent at the cost of halving the voltage, it is necessary to also harvest photons in the absorption gap between the singlet and triplet energies of the singlet fission material. We review two device architectures that attempt this using long-wavelength materials: a three-layer structure that uses long- and short-wavelength donors and an acceptor and a simpler, two-layer combination of a singlet-fission donor and a long-wavelength acceptor. An example of the trilayer structure is singlet fission in tetracene with copper phthalocyanine inserted at the C60 interface. The bilayer approach includes pentacene photovoltaic cells with an acceptor of infrared-absorbing lead sulfide or lead selenide nanocrystals. Lead selenide nanocrystals appear to be the most promising acceptors, exhibiting efficient triplet exciton dissociation and high power conversion efficiency. Finally, we review architectures that use singlet fission materials to sensitize other absorbers, thereby effectively converting conventional donor materials to singlet fission dyes. In these devices, photoexcitation occurs in a particular molecule and then energy is transferred to a singlet fission dye where the fission occurs. For example, rubrene inserted between a donor and an acceptor decouples the ability to perform singlet fission from other major photovoltaic properties such as light absorption.

Light-emitting diodes utilizing perovskite nanocrystals have generated strong interest in the past several years, with green and red devices showing high efficiencies. Blue devices, however, have lagged significantly behind. Here, it is shown that the device architecture plays a key role in this lag and that NiOx , a transport layer in one of the highest efficiency devices to date, causes a significant reduction in perovskite luminescence lifetime. An alternate transport layer structure which maintains robust nanocrystal emission is proposed. Devices with this architecture show external quantum efficiencies of 0.50% at 469 nm, seven times higher than state-of-the-art devices at that wavelength. Finally, it is demonstrated that this architecture enables efficient devices across the entire blue-green portion of the spectrum. The improvements demonstrated here open the door to efficient blue perovskite light-emitting diodes.