Síntesis, caracterización y propiedades ópticas de BaTiO3:Ln y SrSnO3:Ln (Ln = Er3+, Ho3+, Tm3+ y Yb3+): Materiales luminiscentes para conversión ascendente en celdas solares

Abstract

De acuerdo a Shockley y Queisser, el límite de eficiencia teórico para una celda solar de silicio es de aproximadamente un 33%, y su eficiencia actualmente ronda el 25%. Esto se debe a una serie de procesos que disminuyen la eficiencia, entre los cuales se encuentran la termalización, la transmisión, recombinaciones de pares electrón – hueco, pérdidas en la zona de la juntura p-n y en la zona de los contactos. Debido a que las pérdidas de eficiencia más relevantes provienen de las llamadas pérdidas espectrales, es decir, de la capacidad del semiconductor de absorber fotones (Eg), las estrategias para mejorar la eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos están concentradas en mejorar la coincidencia entre el espectro solar y la banda prohibida. Dentro de estas estrategias, la conversión espectral o conversión de fotones, asoma como una alternativa interesante, ya que permite transformar, a través de procesos luminiscentes, la longitud de onda de fotones incidentes en longitudes de onda que coincidan con las propiedades de absorción del material semiconductor. Particularmente, la conversión ascendente, permite transformar fotones de baja energía en un fotón de mayor energía. De esta forma, fotones de menor energía que antes eran transmitidos por la celda solar ahora son aprovechados. En este trabajo se presenta la síntesis, caracterización y propiedades ópticas de fósforos inorgánicos de fórmula BaTiO3, SrSnO3 dopados con iones Ln3+ (Ln3+ = Ho3+, Er3+ y Tm3+) y co-dopados con ion Yb3+, con el objetivo de obtener materiales luminiscentes que puedan ser utilizados como conversores ascendentes en celdas solares. La síntesis de estos fósforos se llevó a cabo mediante el método sol – gel y las fases obtenidas fueron caracterizadas por Difracción de Rayos X, Espectroscopia Raman, Microscopía Electrónica de Barrido y Energía Dispersiva de Rayos X. Las propiedades ópticas y luminiscentes fueron estudiadas mediante Espectroscopia de Absorción, Espectroscopia de Emisión y Espectroscopia Resuelta en el Tiempo. El análisis espectroscópico permitió dilucidar los mecanismos de conversión ascendente observados. Los resultados muestran que las fases sintetizadas son altamente cristalinas y homogéneas. Las fases BaTiO3:Ln3+ y BaTiO3:Ln3+-Yb3+ cristalizan en una estructura tipo perovskita, donde están presentes dos fases, cúbica y tetragonal. Por su parte, SrSnO3:Ln3+ cristaliza en una estructura perovskita ortorrómbica. A partir de los espectros de absorción se seleccionaron los niveles energéticos de los iones Ln3+ que serían excitados para generar la conversión ascendente. Además, se pudo realizar de manera satisfactoria un análisis radiativo mediante la obtención de los parámetros de Judd – Ofelt. Los espectros de emisión muestran que se obtuvo conversión ascendente en las fases BaTiO3:Er3+, BaTiO3:Er3+-Yb3+ y BaTiO3:Ho3+-Yb3+, a partir de la absorción de fotones de 1500 y 980 nm, generando emisiones en la región visible del espectro, obteniéndose también el número de fotones absorbidos para generar cada emisión. El estudio de la dinámica de las emisiones generadas se utilizó para dilucidar y proponer los mecanismos de conversión ascendente, los cuales son Absorción de Estado Fundamental/Absorción de Estados Excitados para BaTiO3:Er3+ y BaTiO3:Er3+-Yb3+; y Absorción de Estado Fundamental/Conversión Ascendente por Transferencia de Energía para BaTiO3:Ho3+-Yb3+. La conversión ascendente obtenida en estas fases puede ser de utilidad para mejorar la eficiencia de celdas solares tanto de silicio como de otras celdas con gap de mayor energía.

According to Shockley and Queisser, the theoretical efficiency limit for a silicon solar cell is approximately 33%, and its efficiency is currently around 25%. This is due to a series of processes that decrease efficiency, among which are thermalization, transmission, recombinations of electron-hole pairs, losses in the p-n junction and the contacts. Because the most relevant efficiency losses come from the so-called spectral losses, that is, the ability of the semiconductor to absorb photons (Eg), strategies to improve the efficiency of photovoltaic devices are focused on improving the coincidence between the spectrum solar and the band gap. Within these strategies, the spectral conversion or photons conversion, appears as an interesting alternative, since it allows transforming, through luminescent processes, the wavelength of incident photons in wavelengths that coincide with the absorption properties of the semiconductor material. Particularly, the up-conversion, allows transforming low-energy photons into a photon of higher energy. In this way, lower energy photons that were previously transmitted by the solar cell are now exploited. In this work we present the synthesis, characterization and optical properties of inorganic phosphors of formula BaTiO3, SrSnO3 doped with Ln3+ ions (Ln3+ = Ho3+, Er3+ and Tm3+) and co-doped with Yb3+ ion, in order to obtain luminescent materials that can to be used as up-converting materials in solar cells. The synthesis of these phosphors was carried out using the sol - gel method and the phases obtained were characterized by X-Ray Diffraction, Raman Spectroscopy, Scanning Electron Microscopy and X-Ray Scattering Energy. The optical and luminescent properties were studied by means of Absorption, Emission and Time Resolved Spectroscopy. This spectroscopic analysis allowed to elucidate the up-conversion mechanisms observed. Our results show that the synthesized phases are highly crystalline and homogeneous. The phases BaTiO3:Ln3+ and BaTiO3:Ln3+-Yb3+ crystallize in a perovskite structure, where two phases, cubic and tetragonal, are present. On the other hand, SrSnO3: Ln3+ crystallizes in an orthorhombic perovskite structure. From the absorption spectra the energy levels of the Ln3+ ions that would be excited to generate the up-conversion were selected. In addition, a radiative analysis could be performed satisfactorily by obtaining the Judd - Ofelt parameters. The emission spectra show that up-conversion was obtained in the BaTiO3:Er3+, BaTiO3:Er3+-Yb3+ and BaTiO3:Ho3+-Yb3+ phases, from the absorption of photons at 1500 and 980 nm, generating emissions in the visible region, also obtaining the number of photons absorbed to generate each emission. The study of the dynamics of the generated emissions was used to elucidate and propose the mechanisms of up-conversion, which are Ground State Absorption/ Excited State Absorption for BaTiO3:Er3+ and BaTiO3:Er3+-Yb3+; and Ground State Absorption/Energy Transfer Up-Conversion for BaTiO3:Ho3+-Yb3+. The up-conversion obtained in these phases can be useful to improve the efficiency of silicon solar cells and other cells with higher band gap energy.