Material vitrocerámico transparente nanoestructurado dopado con tres iones de tierras raras (Eu3+Yb3+-Er3+),

preparado por la técnica sol-gel, en el que 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.

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.... [Seguir leyendo]

1. Material que convierte simultáneamente energía UV e IR en Visible, caracterizado por una matriz de SiO2, LaF3 y SnO2, dopada con alguno de los siguientes elementos Yb3+, Er3+ yEu3+ cada uno agregado en una proporción entre 0.01-10%.

2. Material que convierte simultáneamente energía UV e IR en Visible, caracterizado por una matriz de 90% SiO2, 5mol%deLaF3 y5mol%deSnO2, dopada con 0.3 mol % de Yb3+, 0.1 mol%deEr3+ y0.1 mol%deEu3+ .

3. Procedimiento para la formación de dos fases nanocristalinas coexistentes en el material caracterizado según reivindicación 1, que consiste en someter al vidrio precursor a un tratamiento térmico, desde temperatura ambiente a una temperatura de 900ºC con una rampa de calentamiento alrededor de 60ºC/hora, y una vez alcanzados los 900ºC mantenerlo alrededor de 4 horas.