Conversão descendente de energia envolvendo íons lantanídeos. Vidros emissores de luz na região de 1000 nm

Abstract

Glass light emitting in the IR (1000 nm) region have attracted interest as potential materials for improving the efficiency of commercial silicon solar cell through energy downconversion where a photon in the visible region is converted into two photons in the ~1000 nm, which is the region of band gap of silicon. In this sense, materials doped with lanthanide ions that are very promising due to its spectral richness, has aroused interest in recent years and many pairs of lanthanide ions have been proposed, among then the pair Pr3+:Yb3+, but without any elucidation of the transfer processes involved. This work presents a study in fluoroindate glasses doped with Pr3+ and co-doped with Pr3+ / Yb3+ about the down-conversion energy process Pr3+→Yb3+ and the mechanism involved. The vitreous following compositions were used: [(100-x) 40InF3-20SrF2-20BaF2- 20ZnF2:xPrF3], (x=0,01; 0,02; 0,05 e 1,0 % mol) e [(99-x) 40InF3-20SrF2-20BaF2- 20ZnF2:1PrF3 : xYbF3], (0 ≤ x ≥ 3.0 % mol). The spectroscopic and thermal study of these samples produced by the classical method of melting-quenching showed a good thermal stability against crystallization and window transparency of ~ 8 microns, consequence of the relatively low phonon energy (~500 cm-1) seemed in Raman spectra. Measurements of luminescence in the glasses co-doped with Pr3+: Yb3+ showed the down-conversion process important for application in silicon solar cells due to emission at 1000 nm of Yb3+ as a result of excitation of the Pr3+ ions in the visible region. The downconversion process occurs by at least three mechanisms, in that two of then the emission occurs from 3PJ levels and one from the 1D2 level of Pr3+ ion. Transfer efficiency of 60.8% and 79% were observed for the sample containing 1 mol% Pr3+ and 3 mol% Yb3+. After the excitation of the 3PJ levels energy transfer occurs, where first the energy is transferred to an Yb3+ ion by cross relaxation [Pr3+ (3P0 → 1G4)...

Vidros emissores de luz vêm despertando interesse como potenciais materiais para melhorar a eficiência de células solares comerciais de silício através da conversão descendente de energia onde um fóton da região do visível é convertido em dois fótons na região de ~1000 nm, que é a região da banda proibida do silício. Neste sentido, materiais dopados com íons lantanídeos que são muito promissores devido sua riqueza espectral, tem despertado o interesse nos últimos anos e muitos pares de íons lantanídeos tem sido propostos, dentre eles o par Pr3+-Yb3+, porém sem toda elucidação dos processos de transferência envolvidos. Este trabalho apresenta um estudo realizado em vidros fluoroindatos dopados com íons Pr3+ e co-dopados com íons Pr3+/Yb3+ quanto aos processos de conversão descendente Pr3+→Yb3+ e seus mecanismos. As seguintes composições vítreas foram estudadas: [(100-x) 40InF3-20SrF2-20BaF2- 20ZnF2:xPrF3], (x=0,01; 0,02; 0,05 e 1,0 % mol) e [(99-x) 40InF3-20SrF2-20BaF2- 20ZnF2:1PrF3:xYbF3], (0 ≤ x ≥ 3.0 % mol). O estudo térmico e espectroscópico dessas amostras produzidas pelo método clássico de fusão choque-térmico, mostrou uma boa estabilidade térmica frente à cristalização e uma janela de transparência de até ~ 8 μm, consequência da relativamente baixa energia de modos vibracionais (~500 cm-1) observadas no espectro Raman. As medidas de luminescência nos vidros co-dopados com Pr3+:Yb3+ evidenciaram o processo de conversão descendente de energia, importante para a aplicação em células solares de silício devido a emissão em 980 nm do Yb3+, como resultado da excitação dos íons Pr3+ na região do visível. O processo de conversão descendente de energia se dá por pelo menos três mecanismos, sendo que em dois deles a emissão ocorre a partir dos níveis 3PJ e um a partir do nível 1D2 do íon Pr3+. Valores de eficiência de transferência de 60,8% e 79% foram observados para a amostra...