Up- and Down- Conversion in Rare Earth-Doped Fluoride Crystalline Materials for Photovoltaic Applications

Die Nachfrage nach erneuerbaren Energien steigt jedes Jahr. Dazu gehören Windkraft, Wasserkraft, Wellenkraft und viele andere, wobei Solarenergie eine der zugänglichsten Quellen für grüne Energie ist. Um Solarenergie erschwinglicher zu machen, muss die Effizienz von Solarzellen weiter verbessert werden. Silizium-Solarzellen, die den Markt dominieren, reagieren am empfindlichsten im nahen Infrarot- und sichtbaren Teil des solaren Spektrums und sind unempfindlich gegenüber dem ultravioletten Teil. Daher sollte der ultraviolette Teil des Spektrums durch einen Prozess namens Downshifting in das Infrarote umgewandelt werden.

Perowskit-Solarzellen sind eine alternative Technologie, die im ultravioletten und sichtbaren Teil des Spektrums anspricht, aber unempfindlich gegenüber dem Infrarotanteil der Solarradiation ist. Um die Effizienz zu steigern, ist eine Umwandlung vom Infraroten zum sichtbaren Teil des Spektrums erforderlich. Dies ist durch einen Prozess namens Upconversion möglich.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue spektrale Umwandlungsmaterialien zu untersuchen - BaF$_2$- und PbF$_2$-Kristalle, dotiert mit Er$^{3+}$ und Yb$^{3+}$ als Upconversion-Materialien sowie BaF$_2$-Kristalle, dotiert mit Er$^{3+}$ und YF$_3$-Partikeln, dotiert mit Ce$^{3+}$ und Yb$^{3+}$, als Downshifting-Materialien. ... mehrAlle Materialien werden in einem Mehrkanal-Graphittiegel in einem Vakuumofen synthetisiert. Die Dotierungskonzentrationsreihe ermöglicht die Bestimmung der chemischen Zusammensetzungen, die die höchste Umwandlungseffizienz ergeben. Diese wird durch absolute Photolumineszenzquantenausbeutemessungen bestimmt, die mit einem Aufbau um eine Integrationskugel durchgeführt werden.

Im Fall der Upconversion-Materialien wird die Quantenausbeute über einen weiten Intensitätsbereich (0.1 - 350 W/cm$^2$) der 976-nm-Anregung studiert. Es wird entdeckt, dass die höchste Upconversion-Quantenausbeute in BaF$_2$ mit 2 Mol\% Er$^{3+}$ und 3 Mol\% Yb$^{3+}$ bei einer Anregungsintensität von 490 W/cm$^2$ gefunden wird. Um die Grenzen des Upconversion-Prozesses zu finden, werden die Quantenausbeutewerte unter direkter Anregung einiger höher liegender Zustände der Er$^{3+}$-Ionen ebenfalls untersucht. Diese Ergebnisse ermöglichen die Analyse der Energiemigration zwischen den Dotierionen sowie der Populationswege der angeregten Zustände. Einer der mit Er$^{3+}$ und Yb$^{3+}$ dotierten BaF$_2$-Kristalle wird dann mit einer Perowskit-Solarzelle kombiniert, und der Anstieg des Kurzschlussstroms aufgrund der Upconversion wird analysiert.

Bei der Untersuchung der Downshifting-Materialien wird festgestellt, dass BaF$_2$-Kristalle im Bereich von 1 - 12 Mol\% Quantenausbeutewerte von über 100\% und bis zu 153\% erreichen können. Um zu untersuchen, wie sich dieser Effekt auf die Leistung eines photovoltaischen Geräts auswirken kann, wird ein Kristall mit einer Ge-Photodiode kombiniert und der Anstieg des Kurzschlussstroms aufgrund der spektralen Umwandlung wird analysiert.

Im Fall von YF$_3$-Pulvern, dotiert mit Ce$^{3+}$ und Yb$^{3+}$, wird der Energieübertrag zwischen den Dotantionen untersucht, und es wird festgestellt, dass der Ladungstransfer für den Prozess verantwortlich ist. Die höchste beobachtete Quantenausbeute beträgt nur 0.91\%.

Die Verwendung der mit Er$^{3+}$ und Yb$^{3+}$ dotierten SrF$_2$-Kristalle als Referenz für relative Quantenausbeutemessungen wird ebenfalls untersucht. Es wird mit NaYF$_4$:18\%Yb$^{3+}$2\%Er$^{3+}$@CaF$_2$-Nanopartikeln getestet, und es wird eine gute Übereinstimmung zwischen absoluten und relativen Messungen erzielt. Darüber hinaus werden Peptide als vielversprechende neue Gastgeber für die Ionen der Seltenen Erden angeboten, und einige Vorversuche werden durchgeführt.

Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit neue spektrale Umwandlungsmaterialien. Einige mögliche Anwendungen werden getestet, und die Ergebnisse zeigen, dass die Materialien in vielen Bereichen von Forschung und Industrie nützlich sein können.