Estudo do processo de transferência de energia entre os íons Ce3+ E Yb3+ na matriz lscas para aplicação em células solares

Abstract

Resumo: O investimento em fontes renováveis de energia, como energia solar, está em expansão em todo o mundo. A conversão de energia solar em energia elétrica se dá por meio de células fotovoltaicas, que possui uma eficiência experimental de 15% e limite teórico de 30%. Partindo dessa limitação, cada vez mais se tem buscado meios de aumentar a eficiência desse sistema. Uma das maneiras propostas é utilizando materiais capazes de modificar o espectro solar, conhecidos como foto conversores. É conhecido que o espectro de absorção do silício, material utilizado nessas células, e o espectro solar não coincidem de uma maneira eficiente, logo, os foto conversores atuam da seguinte maneira: transferem a energia de regiões do espectro solar onde a célula não é eficiente para regiões onde sua eficiência é maior. Neste trabalho foi proposto investigar vidros alumino silicatos de cálcio com baixa concentração de sílica co-dopados com Ce3+-Yb3+ para atuar como foto conversor, transferindo energia do ultravioleta e visível para o infravermelho, onde a célula apresenta maior eficiência. Foram produzidas oito amostras LSCAS dopadas com 1% CeO2 e co-dopadas com 0 a 8% de Yb2O3 em porcentagem de massa, e investigado o processo de transferência desses íons utilizando técnicas foto térmicas. Por meio dessas investigações verificou-se que embora exista um aumento de luminescência correspondente à emissão do Yb3+ e diminuição na intensidade da luminescência referente ao Ce3+, o tempo de vida do Ce3+ não se modifica, indicando que a energia responsável pela emissão do Yb3+ não parte desse íon, ou seja, não ocorre transferência de energia entre Ce3+-Yb3+. Analisando a absorção nas amostras foi verificado a existência de íons Yb2+, e como a absorção desse íon ocorre na mesma região que o Ce3+, compete com a absorção deste, reduzindo a emissão do mesmo. Na literatura existem relatos de transferência entre Yb2+-Yb3+ em fósforos aluminatos, e esse processo ocorre via quantum cutting, com parte da energia dissipada na forma de fônons. Os resultados de lente térmica indicam um aumento no calor produzido nas amostras, colaborando com a hipótese de que este processo possa ocorrer no sistema estudado. Dessa maneira, foi verificado que nas amostras LSCAS co-dopadas com Ce3+-Yb3+ não há transferência de energia entre esses íons, provavelmente o aumento da emissão do Yb3+ se deve a energia transferida via Yb2+.

Abstract: Investment in renewable energy sources, such as solar energy, is expanding worldwide. The conversion of solar energy into electrical energy takes place through photovoltaic cells, which has an experimental efficiency of 15% and a theoretical limit of 30%. Based on this limitation, they have been searched to increase the efficiency of this system. One of the ways proposed is to use capable materials to modify the solar spectrum, known as photoconverters. It is known that the absorption spectrum of silicon, material used in these cells, and the solar spectrum do not match efficiently, so the photo converters act as follows: they transfer the energy from regions of the solar spectrum where the cell is not efficient to regions where their efficiency is greater. In this work, it was proposed to investigate low silica calcium aluminosilicate glasses co-doped with Ce3+-Yb3+ to act as a photo converter, transferring ultraviolet and visible energy to the infrared, where the cell presents higher efficiency. Eight LSCAS samples doped with 1% CeO2 and co-doped with 0 to 8% of Yb2O3 in mass percentage were produced and the energy transfer process investigated of these ions using photothermal techniques. It was verified that although there is an increase of luminescence corresponding to the emission of Yb3+ and decrease in the intensity of the luminescence related to Ce3+, the lifetime of Ce3+ does not change, indicating that the energy responsible for the emission of Yb3+ does not come from that ion, that is, there is no transfer of energy between Ce3+-Yb3+. Analyzing the absorption in the samples was verified the existence of Yb2+ ions, and as the absorption of this ion occurs in the same region as the Ce3+, competing with the absorption of it, reducing its emission. In the literature there are reports of energy transfer between Yb2+ and Yb3+ in aluminate phosphors, and this process occurs through quantum cutting, with part of the energy dissipated as phonons. The result of thermal lens indicate an increase in the heat produced in the samples, collaborating with the hypothesis that this process can occur in the studied system. Thus, it was verified that in the LSCAS samples co-doped with Ce3+ -Yb3+ there is no transfer of energy between these ions, probably the increase of the emission of Yb3+ is due to the energy transferred from the Yb2+.