Material que convierte simultáneamente energía UV e IR en visible.
Sector de la técnica
Física de materiales. Espectroscopia.
Materiales luminiscentes transparentes nanoestructurados dopados con iones de tierras raras. Elaboración y caracterización.
Introducción
La eficiencia de las actuales células solares fotovoltaicas puede ser apreciablemente aumentada mediante procesos que convierten fotones del infrarrojo cercano y de la región UV-azul al visible, donde la célula solar presenta una respuesta óptima (“up-conversion” y “down-shifting”, respectivamente) . Estos procesos de conversión de fotones se pueden obtener mediante capas luminiscentes añadidas a la célula solar sin interferir con el material activo. Es ampliamente conocida la aplicación de estas capas luminiscentes a células solares comerciales, sin embargo, el diseño de estas capas está orientada inicialmente, bien para aprovechar por un lado longitudes de onda largas, o por otro lado, longitudes de onda cortas. Por lo tanto, no existen hasta donde sabemos, materiales nano-vitrocerámicos luminiscentes capaces de convertir simultáneamente ambas zonas del espectro en fotones visibles de la zona óptima para las células fotovoltaicas. En este sentido, la presente invención da cuenta de un material conversor simultáneo de energía UV e IR a visible, basado en un vitrocerámico transparente nanoestructurado preparado por la técnica sol-gel, en el que coexisten dos fases nanocristalinas.
Estado de la técnica
El aumento en la eficiencia de las células solares fotovoltaicas es, hoy en día, un desafío en la lucha contra el cambio climático mediante fuentes de energía renovables. La relativamente limitada respuesta frente al amplio espectro solar de una célula fotovoltaica comercial, basada en materiales semiconductores como el silicio, constituye la principal causa de pérdidas energéticas [1, 2].
Los fotones con energía mayor que el ancho del gap del semiconductor pueden ser absorbidos produciendo pares electrón-hueco y generando corriente eléctrica (efecto fotoeléctrico) , aunque la eficiencia de este proceso disminuye cuando aumenta la energía del fotón [1, 3]. Además el exceso de energía de estos fotones, por encima del ancho del gap, se pierde por procesos de termalización que provocan el calentamiento de la célula.
Los fotones con energía por debajo del ancho del gap son transmitidos a través de la célula solar, con lo que se desaprovecha una parte importante de energía solar incidente [3].
Por estos motivos, la eficiencia de las actuales células solares fotovoltaicas podría ser apreciablemente aumentada mediante procesos de “down-shifting” y “up-conversion”, que convierten fotones de la región UV-azul y del infrarrojo cercano a la región visible, respectivamente, donde las células solares presentan una respuesta óptima. Estos procesos de conversión de fotones se pueden obtener mediante capas luminiscentes añadidas a la célula solar sin interferir con el material activo [1]. Los materiales nano-estructurados dopados con iones de tierras raras pueden ser útiles debido a su particular estructura de niveles de energía, dando lugar a transiciones en todo el rango óptico (UV-VIS-NIR) [4, 5]. Estos iones exhiben altas eficiencias cuánticas de luminiscencia cuando están en entornos de baja energía fonónica, aunque con la desventaja de presentar bajos coeficientes de absorción. Este problema se podría resolver utilizando un componente que actúe como antena o receptor, con una capacidad de absorción mucho mayor, y además que presente una transferencia de energía muy eficiente hacia los iones de tierras raras emisores. Es de destacar que los nanocristales semiconductores de óxido de estaño, SnO2 (puntos cuánticos) , presentan una banda ancha de absorción de energía en un amplio rango UV y una eficiente transferencia de energía hacia los iones de tierras raras dando lugar a emisiones visibles [6, 7]. Por otra parte, el fluoruro de lantano, LaF3, es un excelente material matriz para todos los iones de tierras raras debido a su considerable solubilidad y muy baja energía fonónica (300-400 cm−1) que reduce la inhibición de la luminiscencia y permite obtener una conversión muy eficiente de fotones infrarrojos al visible, mediante el codopaje con pares de iones, por ejemplo Yb3+ yEr3+ [8-10].
Es importante mencionar, con respecto a las técnicas de obtención de materiales vítreos y vitrocerámicos, que el proceso sol-gel es un método de preparación que presenta numerosas ventajas, como son las bajas temperaturas del proceso (temperatura ambiente) , la homogeneidad a nivel molecular, el bajo costo y la fácil preparación de polvos, fibras, películas delgadas y monolitos, sin los requerimientos y dificultades asociadas a técnicas de fundido a altas temperaturas en atmósferas controladas [11, 6-8].
Es conocida la aplicación de capas luminiscentes a células solares comerciales para producir fenómenos de conversión de fotones. Sin embargo, el diseño de estas capas está orientada, inicialmente, bien para aprovechar las longitudes de onda largas para transformarla en el visible (up-conversion) , o bien el correspondiente aprovechamiento de las longitudes de onda cortas (down-shifting) . No existen, hasta donde sabemos, materiales nano-vitrocerámicos luminiscentes capaces de convertir simultáneamente ambas zonas del espectro solar en fotones visibles, zona de óptima de respuesta espectral de las células solares fotovoltaicas.
Referencias
[1] Richards, B.S.; Solar Energy Materials and Solar Cells 2006, 90, 1189.
[2] Strümpel, C.; McCann, M.; Beaucarne, G.; Arkhipov, V.; Slaoui, A.; Svrcek, V.; del Cañizo, C.; Tobias, I.; Solar Energy Materials and Solar Cells 2007, 91, 238.
[3] Shalav, A.; Richards, B.S.; Green, M.A.; Solar Energy Materials and Solar Cells 2007, 91, 829.
[4] Y. Wang and J. Ohwaki, Appl. Phys. Lett. 1993, 63, 3268.
[5] Patente US005420080A.
[6] Yanes, A.C.; del-Castillo, J.; Torres, M.E.; Peraza, J.; Rodríguez, V.D; and Méndez-Ramos, J.; Appl. Phys. Lett., 2004, 85, 2343.
[7] Nogami, M.; Enomoto, T.; Hayakawa, T.; J. Lumin 2002, 97, 147.
[8] Biswas A, Maciel G.S, Friend C.S. and. Prasad P.N, J. Non-Cr y st Solids 2003, 316, 393.
[9] Rodríguez VD, del-Castillo J, Yanes AC, Méndez-Ramos J, Torres ME, Peraza J, Opt. Mater, 2007, 29, 1557.
[10] Solicitud de patente de número de prioridad P200701609.
[11] Brinker JC, Sherer GW (1990) Sol-gel science. The physics and Chemistr y of sol-gel processing. Academic Press Inc, NY.
Descripción de la invención
Breve descripción de la invención
La presente invención da cuenta de un material vitrocerámico transparente nanoestructurado dopado con tres iones de tierras raras (Eu3+ -Yb3+ -Er3+) preparado por la técnica sol-gel. En el material coexisten simultáneamente dos fases nanocristalinas (SnO2 y LaF3) dispersas en una matriz de SiO2, quedando los iones de tierras raras incorporados en estos nanocristales. Ambas fases nanocristalinas proporcionan las propiedades luminiscentes necesarias para la conversión simultánea de energía infrarroja y ultravioleta al rango visible, lo que permite aumentar la eficiencia de las células solares fotovoltaicas.
Descripción detallada de la invención
La presente invención consiste en un material vitrocerámico obtenido por la técnica sol-gel, donde coexisten nanocristales de SnO2 y LaF3 dopados con los iones Eu3+, Yb3+ yEr3+, lo que proporciona unas características luminiscentes que permiten convertir simultáneamente fotones del rango infrarrojo y del ultravioleta hacia el visible, y con ello una mejora en la respuesta espectral de las células solares fotovoltaicas convencionales. En cuanto a la síntesis del material, los nano-vitrocerámicos son obtenidos a partir de un tratamiento térmico de vidrios transparentes precursores preparados por la técnica sol-gel. Este proceso de síntesis es un método de preparación a temperatura ambiente que presenta ventajas por su simplicidad, bajo costo y control de la homogeneidad del material resultante a nivel molecular, sin los requerimientos técnicos y las dificultades asociadas a las técnicas de fundido a altas temperaturas en atmósferas controladas.
Posteriormente y tras un tratamiento térmico adecuado, cristales de tamaño nanométrico de ambas fases, SnO2 y LaF3, precipitan en su interior permaneciendo dispersos en la matriz de SiO2 y quedando los iones de tierras raras utilizados incorporados en los nanocristales.
Descripción de las figuras
En la Figura 1 se muestran imágenes de microscopía electrónica de transmisión que, junto con los diagramas de difracción de rayos X, confirman la presencia simultánea de las dos fases nanocristalinas de SnO2 y LaF3.
En la Figura 2 se presentan las propiedades luminiscentes del material objeto de nuestra invención: Fig. 2a muestra la banda ancha de absorción de energía en un amplio rango UV, característica del SnO2. Excitando esta banda se obtiene emisión de los iones Eu3+ que están en el interior de los nanocristales de SnO2 y que emiten luz roja, junto con la emisión intrínseca visible del SnO2, (down-shifting, DS) ver Fig. 2b. Por otra parte (Fig. 2c) , el material es capaz de absorber energía infrarroja y convertirla en visible mediante la pareja de iones Yb3+-Er3+ (up-conversion, UC) .
Modos de realización de la invención
Como ejemplo, se plantea las características correspondientes a un material nano-vitrocerámico transparente obtenido por un tratamiento térmico a 900ºC durante 4 horas de un vidrio precursor sintetizado por la técnica sol-gel, de acuerdo con la composición de la siguiente fórmula en mol%:
SiO2 -5 SnO2 -5 LaF3 -0.1Eu3+ -0.3 Yb3+ -0.1 Er3+
La obtención del nano-vitrocerámico mediante una sola etapa de tratamiento térmico del vidrio sol-gel, permite el control sobre la formación y crecimiento de los nanocristales y nivel de dopante, simplificando el proceso y reduciendo el coste. El dopaje llevado a cabo con los tres iones de tierras raras utilizados (Eu3+ -Yb3+ -Er3+ ) , permite la obtención de luz en el rango visible, bajo excitación ultravioleta o infrarroja. El material de la presente invención en el que coexisten dos fases nanocristalinas permite la conversión simultánea de energía UV e IR a visible para mejorar la respuesta espectral de las células solares fotovoltaicas.
