АПКОНВЕРСИОННЫЕ ФТОРИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
1.1. Применение апконверсионных материалов в фотовольтаике 7
1.2. Исследование апконверсионной люминесценции при возбуждении в
области 1.5 мкм 13
1.3. Исследование апконверсионной люминесценции при возбуждении в
области 980 нм 18
1.4. Реальное применение апконверсионных материалов в кремневых
кристаллических солнечных элементах 21
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, ОПИСАНИЕ УСТАНОВОК И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 26
2.1 Объекты исследования 26
2.2 Описание установок и методов для регистрации спектров поглощения и
люминесценции ионов Er3+и Ho3+в монокристаллах CaF2-SrF2:Er3+, CaF2- SrF2:Ho3+и LiLiF4:Er 27
2.3 Методика определения внутреннего и внешнего энергетического выхода
апконверсионной люминесценции 30
2.4 Методика определения координат цветности и коррелированной
цветовой температуры 35
ГЛАВА 3. АПКОНВЕРСИОННАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ CaF2-SrF2:Er, CaF2-SrF2:Ho И LiLuF4:Er ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ ИНФРАКРАСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 39
3.1 Апконверсионная люминесценция монокристаллов CaF2-SrF2:Er при
возбуждении на уровень 4I13/2 ионов Er3+ 39
3.2 Апконверсионная люминесценция монокристаллов LiLuF4:Er при
возбуждении на уровень 4I13/2 ионов Er3+ 45
3.3 Апконверсионная люминесценция монокристаллов CaF2-SrF2:Ho при
возбуждении на уровень 5I7 ионов Ho3+ 50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
Список используемой литературы 57
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
1.1. Применение апконверсионных материалов в фотовольтаике 7
1.2. Исследование апконверсионной люминесценции при возбуждении в
области 1.5 мкм 13
1.3. Исследование апконверсионной люминесценции при возбуждении в
области 980 нм 18
1.4. Реальное применение апконверсионных материалов в кремневых
кристаллических солнечных элементах 21
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, ОПИСАНИЕ УСТАНОВОК И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 26
2.1 Объекты исследования 26
2.2 Описание установок и методов для регистрации спектров поглощения и
люминесценции ионов Er3+и Ho3+в монокристаллах CaF2-SrF2:Er3+, CaF2- SrF2:Ho3+и LiLiF4:Er 27
2.3 Методика определения внутреннего и внешнего энергетического выхода
апконверсионной люминесценции 30
2.4 Методика определения координат цветности и коррелированной
цветовой температуры 35
ГЛАВА 3. АПКОНВЕРСИОННАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ CaF2-SrF2:Er, CaF2-SrF2:Ho И LiLuF4:Er ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ ИНФРАКРАСНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 39
3.1 Апконверсионная люминесценция монокристаллов CaF2-SrF2:Er при
возбуждении на уровень 4I13/2 ионов Er3+ 39
3.2 Апконверсионная люминесценция монокристаллов LiLuF4:Er при
возбуждении на уровень 4I13/2 ионов Er3+ 45
3.3 Апконверсионная люминесценция монокристаллов CaF2-SrF2:Ho при
возбуждении на уровень 5I7 ионов Ho3+ 50
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 55
Список используемой литературы 57
Солнечные батареи являются безопасным, экологически чистым и дешевым источником энергии. В настоящее время они используются в самых различных отраслях и применяются в электромобилях, в авиации, в дорожном покрытии, в космических аппаратах, в медицине, в портативной электронике, в энергообеспечении зданий. Однако существует проблема, заключающаяся в спектральной ограниченности этих фотоэлектрических устройств. Например, область преобразования солнечного излучения в электрическую энергию для солнечных панелей из кристаллического кремния, лежит в диапазоне 350-1100 нм. До 19% энергии солнца не используется солнечными батареями. В связи с этим, расширение спектрального диапазона работы и увеличение эффективности солнечных ячеек является важной задачей для исследователей. Использование апконверсионных материалов способных преобразовывать инфракрасное излучение в люминесценцию входящую в рабочий диапазон солнечных элементов является одним из решений данной проблемы [1-2]. Таким образом, актуальной задачей фотовольтаики является поиск эффективных антистоксовых материалов для солнечных батарей.
В данном исследовании в качестве таких апконверсионных материалов выступали фторидные монокристаллы, легированные редкоземельными ионами Er3+и Ho3+. Исследование эффективности данных кристаллов для применения в солнечной энергетике, основывается на проведении глубокого изучения их спектрально-люминесцентных и энергетических характеристик. В соответствии с этим, целью настоящей выпускной работы являлось: исследование апконверсионной люминесценции фторидных монокристаллов при возбуждении инфракрасным лазерным излучением для применения в фотовольтаике.
Для достижения поставленной цели в данной работе решались следующие задачи:
1) исследование спектрально-люминесцентных свойств кристаллов CaF2-SrF2:Er, LiLuFyEr и CaF^SrFy
2) исследование механизмов апконверсионной люминесценции кристаллов CaF2-SrF2:Er, LiLuFyEr и CaF2-SrF2:Ho при возбуждении инфракрасным лазерным излучением в диапазоне 1.5-2 мкм;
3) определение количественных характеристик апконверсионной люминесценции кристаллов CaF2-SrF2:Er, LiLuFyEr и CaF2-SrF2:Ho: энергетический выход, координаты цветности и коррелированные цветовые температуры;
4) оценка эффективности использования кристаллов CaF2-SrF2:Er, LiLuFyEr и CaF2-SrF2:Ho для увеличения кпд работы солнечных батарей.
В данном исследовании в качестве таких апконверсионных материалов выступали фторидные монокристаллы, легированные редкоземельными ионами Er3+и Ho3+. Исследование эффективности данных кристаллов для применения в солнечной энергетике, основывается на проведении глубокого изучения их спектрально-люминесцентных и энергетических характеристик. В соответствии с этим, целью настоящей выпускной работы являлось: исследование апконверсионной люминесценции фторидных монокристаллов при возбуждении инфракрасным лазерным излучением для применения в фотовольтаике.
Для достижения поставленной цели в данной работе решались следующие задачи:
1) исследование спектрально-люминесцентных свойств кристаллов CaF2-SrF2:Er, LiLuFyEr и CaF^SrFy
2) исследование механизмов апконверсионной люминесценции кристаллов CaF2-SrF2:Er, LiLuFyEr и CaF2-SrF2:Ho при возбуждении инфракрасным лазерным излучением в диапазоне 1.5-2 мкм;
3) определение количественных характеристик апконверсионной люминесценции кристаллов CaF2-SrF2:Er, LiLuFyEr и CaF2-SrF2:Ho: энергетический выход, координаты цветности и коррелированные цветовые температуры;
4) оценка эффективности использования кристаллов CaF2-SrF2:Er, LiLuFyEr и CaF2-SrF2:Ho для увеличения кпд работы солнечных батарей.
В настоящей работе исследовалась апконверсионная люминесценция фторидных кристаллов со структурой флюорита и шеелита, легированных ионами Er3+и Ho3+, при возбуждении инфракрасным лазерным излучением.
В работе получены следующие основные результаты:
1) Предложен способ увеличения кпд двухсторонних солнечных батарей на основе кристаллического кремния за счет дополнительного апконверсионного преобразования солнечного излучения в области 1.4 -2.1 мкм.
2) Проведенное исследование показало, что кристаллы CaF2-SrF2:Er обладают интенсивной апконверсионной люминесценцией обусловленной электронными переходами 2HH/2^4I15/2,%/2^4115/2, 5F9/2^4I15/2, 419/2^4115/2, 4I11/2^4I15/2ионов Er3+при возбуждении лазерным излучением в области 1.5 мкм. Для исследованных составов с концентрациями ионов Er3+0.5%, 1%, 1.5% и 2% наблюдается свечение с коррелированными цветовыми температурами в диапазоне 1737 K, 2585 K, 3136 K и 3904 К, соответственно. Изменение плотности мощности возбуждения в диапазоне 100-300 Вт/см2 не приводит к изменению КЦТ излучения люминофоров. Максимальное значение энергетического выхода антистоксовой люминесценции в спектральных диапазонах 380-1100 нм и 380-780 нм составило 11.4% и 2.1%, соответственно.
3) Кристаллы CaF2-SrF2:Er обладают широкими полосами поглощения в инфракрасной спектральной области и способны поглощать широкий спектральный диапазон излучения солнца как на поверхности земли, так и над атмосферой. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что кристаллические соединения CaF2-SrF2:Er могут быть использованы для увеличения эффективности работы солнечных батарей.
4) При возбуждении излучением с длиной волны 1532 нм кристаллы LiLuF4:Er обладают апконверсионной люминесценции в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Наблюдаемая люминесценция соответствует переходам 2H9/2 — 4I15/2, 4F5/2 — 4I15/2, 4F7/2 — 4I15/2, 2Hii/2 — 4I15/2, 4S3/2 — 4I15/2, 4F9/2 — 4I15/2, 4I9/2 — 4I15/2 и 4I11/2 — 4I15/2 ионов Er3+. Данные соединения обладают зеленым свечением, которое соответствует изменению цветовой температуры 5138 K, 5482 K и 5496 K для концентраций 5%, 10% и 15% ионов Er3+, соответственно. Изменение концентраций ионов Er3+не приводит к значительным изменениям отношения интенсивности люминесценции в красном и зеленом спектральном диапазоне длин волн.
5) Максимальный энергетический выход люминесценции для диапазона
380-1100 нм составил 10 % и соответствовал кристаллу LiLuF4:Er(10%). Широкие полосы поглощения, высокое значение сечения поглощения и энергетического выхода делают монокристаллы LiLuF4:Er(10%) перспективными кандидатами для использования в солнечных батареях.
6) Кристаллы CaF2-SrF2:Ho при возбуждении лазерным излучением в
области 2 мкм обладают интенсивной апконверсионной люминесценцией, ТЛ/ХТЧ/МЛЛ /т /хгтт» Л'-Г'/'Ч'-r'TIX ГЛОТ ТТЛ1ЛЛЛ7/" ТТЛ» I 5 L' _5Т 5с F5 L* Х.5т 5 Г к_5Т 5т <5т которая соответствует переходам F3——I8, S2(F4)——I8, F5——I8, I4——I8, 5I5—5I8, 5F5—5I7 ионов Ho3+. Процессы межионного взаимодействия
доминируют в загрузке верхних энергетических уровней ионов Ho3+в кристаллах CaF2-SrF2 при возбуждении на уровень 5I7 этих ионов. Красное свечение кристаллов CaF2-SrF2:Ho характеризуется коррелированными цветовыми температурами в диапазоне 5112 K - 6827 K. Наблюдаемые спектры люминесценции располагаются близко к области максимальной спектральной чувствительности кристаллического кремния из которого изготавливают солнечные элементы.
7) Максимальное значение энергетический выхода люминесценции в области 380-1100 нм составило 0.7%. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что кристаллы CaF2-SrF2:Ho способны эффективно поглощать излучение солнца в области 2 мкм над атмосферой земли и преобразовывать его в излучение, которое хорошо поглощается кремниевой солнечной панелью.
В работе получены следующие основные результаты:
1) Предложен способ увеличения кпд двухсторонних солнечных батарей на основе кристаллического кремния за счет дополнительного апконверсионного преобразования солнечного излучения в области 1.4 -2.1 мкм.
2) Проведенное исследование показало, что кристаллы CaF2-SrF2:Er обладают интенсивной апконверсионной люминесценцией обусловленной электронными переходами 2HH/2^4I15/2,%/2^4115/2, 5F9/2^4I15/2, 419/2^4115/2, 4I11/2^4I15/2ионов Er3+при возбуждении лазерным излучением в области 1.5 мкм. Для исследованных составов с концентрациями ионов Er3+0.5%, 1%, 1.5% и 2% наблюдается свечение с коррелированными цветовыми температурами в диапазоне 1737 K, 2585 K, 3136 K и 3904 К, соответственно. Изменение плотности мощности возбуждения в диапазоне 100-300 Вт/см2 не приводит к изменению КЦТ излучения люминофоров. Максимальное значение энергетического выхода антистоксовой люминесценции в спектральных диапазонах 380-1100 нм и 380-780 нм составило 11.4% и 2.1%, соответственно.
3) Кристаллы CaF2-SrF2:Er обладают широкими полосами поглощения в инфракрасной спектральной области и способны поглощать широкий спектральный диапазон излучения солнца как на поверхности земли, так и над атмосферой. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что кристаллические соединения CaF2-SrF2:Er могут быть использованы для увеличения эффективности работы солнечных батарей.
4) При возбуждении излучением с длиной волны 1532 нм кристаллы LiLuF4:Er обладают апконверсионной люминесценции в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Наблюдаемая люминесценция соответствует переходам 2H9/2 — 4I15/2, 4F5/2 — 4I15/2, 4F7/2 — 4I15/2, 2Hii/2 — 4I15/2, 4S3/2 — 4I15/2, 4F9/2 — 4I15/2, 4I9/2 — 4I15/2 и 4I11/2 — 4I15/2 ионов Er3+. Данные соединения обладают зеленым свечением, которое соответствует изменению цветовой температуры 5138 K, 5482 K и 5496 K для концентраций 5%, 10% и 15% ионов Er3+, соответственно. Изменение концентраций ионов Er3+не приводит к значительным изменениям отношения интенсивности люминесценции в красном и зеленом спектральном диапазоне длин волн.
5) Максимальный энергетический выход люминесценции для диапазона
380-1100 нм составил 10 % и соответствовал кристаллу LiLuF4:Er(10%). Широкие полосы поглощения, высокое значение сечения поглощения и энергетического выхода делают монокристаллы LiLuF4:Er(10%) перспективными кандидатами для использования в солнечных батареях.
6) Кристаллы CaF2-SrF2:Ho при возбуждении лазерным излучением в
области 2 мкм обладают интенсивной апконверсионной люминесценцией, ТЛ/ХТЧ/МЛЛ /т /хгтт» Л'-Г'/'Ч'-r'TIX ГЛОТ ТТЛ1ЛЛЛ7/" ТТЛ» I 5 L' _5Т 5с F5 L* Х.5т 5 Г к_5Т 5т <5т которая соответствует переходам F3——I8, S2(F4)——I8, F5——I8, I4——I8, 5I5—5I8, 5F5—5I7 ионов Ho3+. Процессы межионного взаимодействия
доминируют в загрузке верхних энергетических уровней ионов Ho3+в кристаллах CaF2-SrF2 при возбуждении на уровень 5I7 этих ионов. Красное свечение кристаллов CaF2-SrF2:Ho характеризуется коррелированными цветовыми температурами в диапазоне 5112 K - 6827 K. Наблюдаемые спектры люминесценции располагаются близко к области максимальной спектральной чувствительности кристаллического кремния из которого изготавливают солнечные элементы.
7) Максимальное значение энергетический выхода люминесценции в области 380-1100 нм составило 0.7%. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что кристаллы CaF2-SrF2:Ho способны эффективно поглощать излучение солнца в области 2 мкм над атмосферой земли и преобразовывать его в излучение, которое хорошо поглощается кремниевой солнечной панелью.