Solution-processed materials for solar spectral conversion in photovoltaics

September 28, 2022

A eficiência das células solares fotovoltaicas (PV) de silício é severamente limitada pelo desfasamento entre o espectro solar e o espectro de absorção do silício. Uma das soluções possíveis para ultrapassar o limite Shockley-Queisser (SQ) (eficiência máxima de 30% para um hiato electrónico de 1,1 eV no caso de uma célula PV de Si de junção simples) é a conversão espectral, que modifica o espectro solar incidente para se obter uma melhor correspondência com o espectro de absorção do Si. Ao explorar processos óticos como a conversão ascendente de fotões (UC) em iões dopantes de lantanídeos (Ln), adaptada às actuais células solares PV através de revestimentos dopados com elementos Ln, é possível ultrapassar o limite SQ e aumentar significativamente a eficiência das células solares PV. Uma boa matriz para iões Ln deve ter energias vibracionais baixas para evitar mecanismos de decaimento não radiativos, boa estabilidade química e elevada solubilidade para iões Ln. Assim, a matriz de YF3 foi investigada neste trabalho, sendo preparada em solução, por decomposição térmica do precursor trifluoroacetato de ítrio (Y-TFA). Devido à composição química simples, o YF3 é um bom candidato para a técnica de processamento sol-gel, de baixo custo, para depositar revestimentos numa variedade de substratos à temperatura ambiente, que podem ser subsequentemente densificados por tratamento térmico a temperaturas moderadas. Os derivados do Y-TFA, quando dopados com Er3+/Yb3+ e excitados a 980 nm, mostram fortes emissões de UC verde e vermelha. Quando um número n de fotões é absorvido sequencialmente (por exemplo 2 a 980 nm para UC com Er3+/Yb3+), a intensidade da emissão de UC mostrará um comportamento linear num gráfico log-log em função da potência de excitação. Os resultados de emissão UC para o YF3 dopado com Er3+ um forte efeito de concentração, com o mecanismo da UC a depender das concentrações do dopante. Além disso, utilizou-se também um método de padrão interno para comparar o YF3 com outras matrizes de óxidos para os iões Ln, nomeadamente o vidro de aluminossilicato (90 SiO2 -10 AlO1.5), a titânia (TiO2) e a ítria (Y2O3). Outra estratégia para melhorar ainda mais a eficiência das células PV é a utilização de materiais mesoporosos híbridos periódicos dopados com Perylenodiimidas (PDIs) alinhados na rede porosa. A emissão de fluorescência necessária pode ser afinada pela incorporação de diferentes substitutos no núcleo de perileno e a eficiência da transferência de energia de Förster (FRET) otimizada pela distância entre o dador e o aceitador. Num dispositivo fotovoltaico, poderiam ser adicionadas películas finas de materiais para conversão de frequência ascendente e descendente, por forma a aumentar ainda mais a eficiência, explorando simultaneamente os mecanismos de UC e de FRET. The efficiency of silicon solar cells is severely limited by the mismatch between the solar and the silicon absorption spectra. One of the possible solutions to overcome the Shockley-Queisser (SQ) limit (30% efficiency for 1.1 eV band gap silicon single junction photovoltaic (PV) solar cells) is spectral conversion, which modifies the incident solar spectrum to obtain a better match with the Si absorption spectrum. By exploiting optical processes such as photon up-conversion (UC), occurring in Lanthanide (Ln) dopant ions and adapting it to the existing solar cells by means of thin film coatings, it is possible to exceed the SQ limit and increase the PV solar cell efficiency significantly. A good host matrix for Ln ions, with low lattice phonon energies to avoid non-radiative relaxation mechanisms, good chemical stability and high Ln solubility is YF3, which has presently been investigated, prepared via a solution-based method together with thermal decomposition of yttrium trifluoroacetate (Y-TFA) precursor. Due to its simple chemical composition, this compound is a good candidate for low-cost sol-gel processing technique to deposit coatings on a variety of substrates at room temperature, which can subsequently be densified through heat treatment at moderate temperatures. Ln-doped Y-TFA derivatives, when excited at 980 nm, show strong green and red UC emission. When a number n of sequential photons is absorbed (e.g., 2 for green/red UC in Er3+/Yb3+), the emission intensity will show a linear dependence on the excitation power on a log-log plot. Such results for Er3+ and Er3+/Yb3+ -doped YF3 have shown a strong concentration effect, with the UC mechanism changing with the dopant concentrations. Moreover, an internal standard method has been utilized to compare YF3 with other selected oxide matrices for lanthanides, namely aluminosilicate glass (90 SiO2-10 AlO1.5), titania (TiO2) and yttria (Y2O3). Another strategy to further improve the efficiency in PV cells is to use periodic hybrid mesoporous materials with Perylenediimides (PDIs) aligned in the porous network. The fluorescence emission needed may be tuned by the incorporation of different substituents in the perylene core and the FRET efficiency optimized by the distance between donor and acceptor. In a PV device, thin film layers of upand down-converting materials could be added to further increase the efficiency, exploiting both UC and FRET mechanisms.

Authors in the community:

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  C

  Carlotta Micale

  ist427231

Supervisors of this institution:

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  R

  Rui Manuel Amaral de Almeida

  ist11323

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  C

  Carlos Miguel Calisto Baleizão

  ist90102

101712626

Doutoramento em Química

chemical-sciences - Chemical sciences

Keywords

• Conversão Espectral
• Fluoreto de Ítrio
• Lantanídeos
• Filmes
• Nanopartículas Mesoporosas
• Spectral Conversion
• Yttrium Fluoride
• Lanthanide-doping
• Thin Films
• Mesoporous Nanoparticles

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Title of the project, award or grant: Doctoral program ChemMat