ES2641665T3 - Materiales luminiscentes de Tm2+ para dispositivos de conversión de radiación solar - Google Patents

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Abstract

Dispositivo de conversión de radiación solar que comprende: un material inorgánico de Tm2+ luminiscente para la conversión de al menos parte de la radiación solar UV y/o visible y/o infrarroja en radiación infrarroja, preferentemente teniendo dicha radiación infrarroja una longitud de onda de aproximadamente 1.138 nm; y, un dispositivo fotovoltaico para la conversión de al menos parte de dicha radiación infrarroja en energía eléctrica.

Description

Materiales luminiscentes de Tm2+ para dispositivos de conversión de radiación solar
Campo de la invención
La invención se refiere a materiales luminiscentes de Tm2+ de absorción de banda ancha para dispositivos de conversión de radiación solar y, en particular, aunque no exclusivamente, dispositivos de conversión de radiación solar, tales como celdas fotovoltaicas o concentradores solares luminiscentes que comprenden un material luminiscente de Tm2+ de absorción de banda ancha, el uso de materiales luminiscentes de Tm2+ en dispositivos de conversión de radiación solar, procedimientos de sintetización de materiales luminiscentes basados en Tm2+ y un procedimiento para formar una capa de película fina (poli)cristalina luminiscente de Tm2+ sobre un sustrato. El documento de B.S. Richards y col., Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 90, n.º 9, páginas 1.189-1.207 (2006) desvela materiales que contienen tulio para aplicaciones fotovoltaicas.
Antecedentes de la invención
Los dispositivos de conversión de radiación solar, tales como los concentradores solares luminiscentes (LSC), tienen como objetivo reducir el coste de la generación de energía solar mediante la concentración de luz solar usando una placa luminiscente barata sobre las celdas fotovoltaicas de tira de área pequeña. En tal esquema, la luz solar es absorbida por un material luminiscente y reemitida en todas las direcciones. Una fracción considerable de la luz queda atrapada en la placa que actúa como una guía de luz por reflexión interna total. De esta manera, la luz es guiada al perímetro en el que las celdas fotovoltaicas la convierten en energía eléctrica. De manera similar, las capas de conversión luminiscentes simples (LCL) sobre la parte superior de o integradas en un dispositivo fotovoltaico, por ejemplo, una celda solar, pueden usarse para aumentar la eficacia de conversión global del dispositivo. En tal esquema, (parte de) la luz solar es absorbida por un material luminiscente y reemitida en todas las direcciones. Una fracción considerable de la luz se acopla al dispositivo, ya sea de manera indirecta o indirecta, por reflexión interna total. De esta manera, la eficacia de absorción en la celda se mejora debido a una longitud de trayecto óptico mejorada.
Aunque los paneles solares ya están contribuyendo a la producción de energía mundial, los LSC y las LCL aún no están disponibles en el mercado. Aunque el concepto es atractivo, la producción de LSC y LCL de gran tamaño con suficiente eficacia resulta ser un verdadero desafío. Los problemas que se encuentran se refieren principalmente a las deficiencias asociadas a los materiales luminiscentes que se usan en un LSC o una LCL.
Idealmente, un material luminiscente para un LSC o una LCL deben cumplir determinados requisitos. El material debe tener: una absorción espectral amplia, una eficacia de absorción alta en todo el espectro de absorción, espectros de absorción y de emisión no solapantes (es decir, un gran desplazamiento de Stokes), una eficacia cuántica luminiscente alta (porcentaje de fotones absorbidos que conducen a un fotón recién emitido), una emisión de fotones que coincide con la respuesta espectral de la celda fotovoltaica a la que está acoplada y debe ser compatible con los materiales que forman la guía de ondas.
El material luminiscente más común que se usa para los LSC son los colorantes orgánicos. Estos materiales son relativamente baratos, se producen fácilmente y pueden integrarse en una estructura de guía de ondas de una manera simple. Sin embargo, el ancho de su espectro de absorción está limitado y los espectros de absorción y de emisión se solapan dando como resultado pérdidas sustanciales debido a la autoabsorción.
Un grupo interesante de materiales luminiscentes que actualmente se investigan para aplicaciones en LCS son los compuestos de tierras raras. Estos materiales pueden presentar desplazamientos relativamente grandes entre la absorción y la emisión. Por ejemplo, en el artículo de De Boer y col., «Progress in phosphors and filters for luminescent solar concentrators», 1202, se describe un fósforo a base de Sm2+ que presenta una emisión de aproximadamente 700 nm y un borde de absorción por debajo de 600 nm.
Aunque este material parece prometedor teniendo en cuenta los problemas de reabsorción de los colorantes convencionales, las propiedades absorbentes son relativamente deficientes ya que solo cubre una parte del espectro solar total que está disponible para la conversión. Por lo tanto, existe una necesidad de materiales luminiscentes mejorados que presenten tanto absorción de banda ancha (es decir, la absorción sobre una gran parte del espectro solar) y poca autoabsorción como un espectro de emisión que pueda ser fácilmente compatible con dispositivos fotovoltaicos.
Sumario de la invención
Un objeto de la invención es reducir o eliminar al menos uno de los inconvenientes conocidos de la técnica anterior. En un primer aspecto, la invención puede referirse a un dispositivo de conversión de radiación solar que comprende un material luminiscente inorgánico basado en Tm2+ para la conversión de radiación solar de al menos parte del espectro solar UV y/o visible y/o infrarrojo en radiación solar infrarroja, preferentemente teniendo dicha radiación solar infrarroja una longitud de onda de aproximadamente 1.138 nm; y, un dispositivo fotovoltaico para la conversión de al menos parte de dicha radiación solar infrarroja en energía eléctrica.
El material luminiscente inorgánico basado en Tm2+ presenta un gran desplazamiento de Stoke, por lo que no se produce el problema de autoabsorción en el dispositivo de conversión de radiación solar. El material luminiscente inorgánico basado en Tm2+ absorbe más del doble de la cantidad de potencia del espectro de luz solar, en comparación con la absorción de la radiación solar de materiales luminiscentes convencionales, tales como colorantes. Al contrario de los colorantes bien conocidos, los materiales luminiscentes basados en Tm2+ son incoloros, lo que mejora la aplicabilidad en el entorno de la construcción. Además, el pico de emisión infrarroja a
1.138 nm de los materiales luminiscentes inorgánicos basados en Tm2+coincide de manera ventajosa con el ancho de banda de 1,13 eV para la conversión óptima del espectro solar amplio (en particular, el espectro solar AMI 1,5) sobre la base de una celda de una única unión. Esta característica permite mejorar la eficacia de conversión global de un LSC o una LCL.
En una realización, dicho material luminiscente puede comprender un material receptor cristalino inorgánico binario, ternario y/o cuaternario que está dopado con iones de Tm2+. En una realización, dicha luminiscencia (emisión) proviene de iones de Tm2+. En otra realización, dichos iones de Tm2+ están presentes en una concentración entre el 0,1 y el 100 %. En otra realización más, en una concentración entre el 1 % y el 90 %. En una realización adicional, entre el 1 % y el 50 %, y en otra realización adicional entre el 0,2 % y el 11 %.
En una realización, dicho material receptor inorgánico binario puede estar definido por la fórmula general ML, en la que M = Na, K, Rb, Cs y L = Cl, Br, I. En otra realización, el material receptor inorgánico binario puede estar definido por la fórmula general NL2, en la que N = Mg, Ca, Sr, Ba y L = Cl, Br, I, F. En otra realización más, dicho material receptor inorgánico binario puede estar definido por la fórmula general NL2, en la que N = Mg, Ca, Sr, Ba. Se pueden usar muchos materiales receptores para los iones de Tm2+. Se ha hallado que, en particular, puede usarse CaI2 o NaI como material convertidor luminiscente inorgánico de Tm2+. Estos materiales presentan características de absorción superiores para el espectro solar.
El material receptor también puede ser una aleación o una mezcla descrita por la fórmula general M1(1-x)M2(x)L, siendo M1 y M2 cualquiera de los elementos M, o ML1(1-x)L2(x), siendo L1 y L2 cualquiera de los elementos L. Los materiales receptores también pueden ser una aleación o una mezcla de la fórmula general M1(1-x)M2(x)L1(1-y)L2(y). Los materiales receptores también pueden ser una aleación o una mezcla de 3 o más elementos M o L. Los materiales receptores también pueden ser una aleación o una mezcla de la fórmula general N1(1-x)N2(x)L2, siendo N1 y N2 cualquiera de los elementos N, o NL1(1-x)L2(x), siendo L1 y L2 cualquiera de los elementos L. Los materiales receptores también pueden ser una aleación o una mezcla de la fórmula general N1(1-x)N2(x)L1(1-y)L2(y). Los materiales receptores también pueden ser una aleación o mezcla de 3 o más elementos N o L.
En una realización, dicho material inorgánico dopado con Tm2+ luminiscente puede comprender una capa de película fina (poli)cristalina o partículas cristalinas, preferentemente partículas a escala nanométrica, en el que dichas partículas están embebidas en un material de matriz. El material luminiscente inorgánico basado en Tm2+ puede sintetizarse usando diferentes procedimientos, incluyendo los procedimientos de deposición que son compatibles con los procedimientos convencionales de procesamiento de semiconductores de manera que el material luminiscente inorgánico basado en Tm2+ puede integrarse fácilmente en dispositivos fotovoltaicos de película fina.
En una realización, dicho material inorgánico dopado con Tm2+ luminiscente puede ser parte de o estar asociado a una estructura de guía de onda para guiar dicha radiación solar de una longitud de onda predeterminada a dicho dispositivo fotovoltaico.
En una realización, dicha estructura de guía de onda puede comprender una primera superficie (superior) y una segunda superficie (inferior), en la que se proporciona una capa de Tm2+ luminiscente sobre al menos parte de dicha superficie primera y/o segunda, preferentemente comprendiendo dicha capa una capa de película fina (poli)cristalina
o una capa de un material de matriz en la que están embebidas las partículas cristalinas (nanométricas). En este caso, la expresión partículas nanométricas puede referirse a partículas que tienen un tamaño promedio seleccionado entre 1 y 1.000 nm, preferentemente entre 2 y 800 nm, más preferentemente entre 3 y 500 nm. En una realización adicional, las partículas pueden seleccionarse entre 25 y 600 nm, preferentemente entre 50 y 200 nm. Las partículas nanométricas proporcionan el efecto de que se reducen las pérdidas debido a la dispersión en el dispositivo.
En una realización, dicha estructura de guía de onda puede comprender una primera superficie (superior) y una segunda superficie (inferior), en la que puede estar embebido dicho material de Tm2+ luminiscente, por ejemplo, como partículas (nanométricas) en dicha estructura de guía de onda. En una realización, dicho material de matriz puede ser un polímero orgánico transparente. En una realización, dicho polímero orgánico transparente puede ser un poli(metil metacrilato) (PMMA) o un policarbonato. Por tanto, el material inorgánico basado en Tm2+ es especialmente adecuado para su uso en el concentrador de energía solar luminiscente.
En una realización, dichos dispositivos de conversión de radiación solar comprenden una capa de conversión de longitud de onda, en los que el material inorgánico de Tm2+ luminiscente se proporciona sobre una cara receptora de luz de dicho dispositivo fotovoltaico. En una realización, dicho dispositivo fotovoltaico puede comprender dicho material inorgánico de Tm2+ luminiscente. En una realización, dicho dispositivo fotovoltaico puede comprender una capa de película fina que comprende dicho material inorgánico de Tm2+ luminiscente.
En una realización, dicho dispositivo fotovoltaico puede comprender una capa activa de absorción de infrarrojos, más preferentemente comprendiendo dicha capa de absorción de infrarrojos al menos uno de: un compuesto semiconductor de tipo IV, III-V o II-VI, (di)seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), (di)seleniuro de cobre e indio (CIS), puntos cuánticos de absorción de infrarrojos, un polímero de absorción de infrarrojos, grafeno o nanotubos (de carbono). Por tanto, el material inorgánico basado en Tm2+ puede usarse para ampliar la eficacia de un dispositivo fotovoltaico de infrarrojos sencillo, convirtiendo de este modo de manera eficaz el dispositivo fotovoltaico de infrarrojos en un dispositivo de conversión de radiación solar de banda ancha.
En una realización, en dicho material luminiscente de Tm2+, la absorción de radiación solar se produce en las configuraciones 5d (estados 5d) de Tm2+, mientras que la emisión (luminiscencia) es del estado Tm2+ 4f13(2F5/2) al estado base Tm2+ 4f13(2F7/2).
En un aspecto adicional, la invención puede referirse al uso de un material cristalino inorgánico de Tm2+ luminiscente en un concentrador de energía solar luminiscente o una celda solar.
En otro aspecto, la invención puede referirse a un procedimiento para la sintetización de un material cristalino inorgánico dopado con Tm2+ luminiscente, en el que el procedimiento puede comprender: fusionar una cantidad de al menos un primer compuesto iónico inorgánico con un segundo compuesto iónico inorgánico, comprendiendo dicho segundo compuesto iónico un catión de Tm2+ con el fin de formar un primer compuesto iónico dopado con Tm2+; y, durante dicha fusión, mantener la presión por debajo de 51 kPa (5.10-4 mbar), preferentemente por debajo de 11 kPa (1.10-4 mbar).
En otro aspecto adicional, la invención puede referirse a un procedimiento de formación de una película fina policristalina inorgánica dopada con Tm2+ luminiscente sobre un sustrato, en el que el procedimiento puede comprender: proporcionar una primera diana de pulverización catódica con un primer material de pulverización catódica que comprende un primer compuesto iónico inorgánico y una segunda diana de pulverización con un segundo material de pulverización catódica es tulio; introducir un gas en la cámara de pulverización catódica; calentar dicho sustrato a una temperatura entre 10 y 700 °C, preferentemente entre 10 y 600 °C; y, aplicar un potencial eléctrico de RF a dicha primera diana de pulverización catódica y un potencial eléctrico de CC a dicha segunda diana de pulverización catódica, causando de este modo la pulverización catódica de dicho primer y segundo material a partir de dicha primera y segunda dianas sobre dicho sustrato con el fin de desarrollar una película fina (poli)cristalina de dicho primer compuesto iónico inorgánico que está dopado con cationes de Tm2+.
La invención se ilustrará adicionalmente con referencia a los dibujos adjuntos, que mostrarán, de manera esquemática, realizaciones según la invención. Se entenderá que la invención no se limita de modo alguno a estas realizaciones específicas.
Breve descripción de los dibujos
Las Figuras 1A-1C representan los espectros de absorción, excitación y emisión de materiales inorgánicos dopados de Tm2+ según diversas realizaciones de la invención. La Figura 2 representa los espectros de absorción del colorante Red305 y el espectro de absorción de CaI2 dopado con Tm2+. La Figura 3 representa el factor de pérdida debido a la autoabsorción de un colorante Red305 en función del diámetro de un LCS circular. Las Figuras 4A y 4B muestran imágenes de SEM de una capa de película fina dopada con Tm2+ según diversas realizaciones de la invención. La Figura 5 representa una medición de XRD de una película fina de NaCl dopado con Tm2+ pulverizada catódicamente según una realización de la invención. La Figura 6 representa espectros de excitación de una película fina de Tm2+:NaCl y de una muestra de polvo de Tm2+:NaCl según una realización de la invención. La Figura 7 representa el espectro de emisión de película fina de Tm2+:NaCl y de una muestra de polvo de Tm2+:NaCl. La Figura 8 representa un ajuste de espectro de transmisión de una película de NaCl dopado con Tm2+ alrededor de la región de absorción de Tm2+4f13-4f13. Las Figuras 9A-9C representan secciones transversales esquemáticas de concentradores de energía solar luminiscentes que comprenden un material inorgánico dopado con Tm2+ según diversas realizaciones de la invención. Las Figuras 10A y 10B representan secciones transversales de dispositivos de conversión de radiación solar esquemáticos según otra realización de la invención.
Descripción detallada
En la presente divulgación, se describen los materiales luminiscentes inorgánicos basados en tulio (Tm2+) divalente que tienen propiedades superiores y mejoradas, en comparación con otros fósforos dopados con tierras raras y otros materiales luminiscentes para su uso en un concentrador solar luminiscente (LSC) o una capa de conversión espectral en dispositivos de celdas solares de película fina que son conocidos en la técnica anterior.
Se ha hallado, de manera sorprendente, que determinados materiales receptores cristalinos orgánicos que comprenden Tm2+ (por ejemplo, fósforos dopados con Tm2+) presentan propiedades de absorción y luminiscentes que pueden usarse, de manera ventajosa, en dispositivos de LSC o SCL. En particular, se ha hallado que los materiales cristalinos orgánicos dopados con Tm2+ pueden absorber la parte UV y visible y al menos parte de la parte IR del espectro solar (en total, más del 60 % de la potencia del solar) y tienen una emisión de pico 4f-4f aguda en el infrarrojo de alrededor de 1.138 nm. Como resultado del gran desplazamiento de Stokes, no se produce el problema de autoabsorción.
Además, el pico de emisión infrarroja a 1.138 nm, de manera ventajosa, coincide con el ancho de banda de 1,13 eV para la conversión óptima del amplio espectro solar (en particular, el espectro solar AMI 1,5 no concentrado) sobre la base de una celda de una única unión. Tal como se describirá más adelante en el presente documento con más detalle, esta característica permite la mejora de la eficacia de conversión global de celdas solares simples de una única unión.
Las Figuras 1A-1C representan los espectros de absorción, excitación y emisión de materiales inorgánicos dopados según diversas realizaciones de la invención. En particular, La Figura 1A representa los espectros de absorción de NaCl, NaI, CaI2, NaBr y KBr dopados con Tm2+. Los espectros representan una absorción de banda d dependiente de la red cristalina transparente en el VIS e IR. Además, se muestra un pico de absorción débil de la paridad prohibida 4f-4f de absorción de aproximadamente 1.138 nm que es relativamente independiente del tipo de red receptora.
En una realización, el material luminiscente puede comprender un material cristalino inorgánico (que puede denominarse, de aquí en adelante, material receptor inorgánico) que está dopado con Tm2+. El material receptor inorgánico puede ser un material receptor inorgánico binario definido por la fórmula general ML, en la que M = Na, K, Rb, Cs y en la que L = Cl, Br, I. Estos materiales incluyen (pero sin limitación) NaCl, NaBr, NaI, KCl, KBr, Kl, CsCl, CsBr, CsI, RbCl, RbBr, Rbl, etc. Estos materiales cristalizan a temperaturas relativamente bajas (por ejemplo, temperatura ambiente), permitiendo de este modo la formación fácil de películas finas dopadas con Tm2+.
El material receptor también puede ser una aleación o una mezcla de la fórmula general M1(1-x)M2(x)L, siendo M1 y M2 cualquiera de los elementos M, o ML1(1-x)L2(x), siendo L1 y L2 cualquiera de los elementos L. Los materiales receptores también pueden ser una aleación o una mezcla de la fórmula general m1(1-x)M2(x)L1(1-y)L2(y). Los materiales receptores también pueden ser una aleación o mezcla de 3 o más elementos M o L.
En otra realización, un material receptor inorgánico binario puede estar definido por la fórmula general NL2, en la que N = Mg, Ca, Sr, Ba y L = Cl, Br, I, F. Estos materiales pueden incluir (pero sin limitación) CaCl2, CaBr2, CaI2, SrCl2, SrBr2, SrI2, BaCl2, BaBr2, BaI2, CaF2, SrF2, BaF2.
Los materiales receptores también pueden ser una aleación o una mezcla de la fórmula general N1(1-x)N2(x)L2, siendo N1 y N2 cualquiera de los elementos M, o NL1(2-2x)L2(2x), siendo L1 y L2 cualquiera de los elementos L. Los materiales receptores también pueden ser una aleación o una mezcla de la fórmula general N1(1-x)N2(x)L1(2-2y)L2(2y). Los materiales receptores también pueden ser una aleación o mezcla de 3 o más elementos N o L.
En una realización ventajosa, se pueden usar materiales portadores inorgánicos de yodo binarios dados por la fórmula general NI2 N = Mg, Ca, Sr, Ba como material convertidor inorgánico luminiscente. Los yodos dopados con Tm2+ presentan, de manera sorprendente, buenas características de absorción para el espectro solar.
En una realización ventajosa particular, puede usarse CaI2 o NaI como material convertidor luminiscente inorgánico de Tm2+. Se ha hallado, de manera sorprendente, que estos materiales presentan características de absorción superiores para el espectro solar.
En una realización adicional, puede usarse un material receptor inorgánico ternario. Estos materiales ternarios pueden incluir (pero sin limitación) CsCaCl3, CsCaBr3, CsCaI3, RbCaCl3, RbCaBr3, RbCaI3, CsSrBr3, CsSrI3, CsBaBr3, CsBaI3, RbSrI3, KSrI3.
Se afirma que la invención no está limitada a los materiales receptores inorgánicos mencionados anteriormente. Por ejemplo, en una realización, la invención también puede incluir formas mezcladas y/o aleadas de los materiales receptores inorgánicos mencionados anteriormente.
Los espectros de la Figura 1A muestran bandas de absorción 4f-5d (4f13 → 12 1 4f (5d)) transparentes en el intervalo visible del espectro, junto con la absorción 4f13-4f13 (2F7/2→2F5/2) en el infrarrojo. Las últimas bandas de absorción son relativamente independientes del tipo de material receptor inorgánico. Por el contrario, la absorción por las transiciones 4f-5d depende en gran medida del tipo de material receptor inorgánico en el que está presente Tm2+. Los mecanismos que determinan el intervalo de energía de transición 4f-5d están determinados por la energía (centroide) promedia y la división total del campo de cristal de la configuración 5d. Parece que la cubierta de coordinación más cercana de aniones alrededor de Tm2+ determina ambos aspectos. La división del campo de cristal está determinada por el tamaño y la forma del poliedro aniónico. Esta escala con la distancia a los aniones. El desplazamiento centroide está determinado en gran medida por las propiedades químicas (covalencia) y físicas (polarizabilidad) de los ligandos aniónicos.
La amplitud de los espectros de absorción de los diferentes materiales puede estar ilustrada adicionalmente por los bordes de absorción de los materiales. Ahí los bordes de absorción pueden estar determinados ya que las longitudes de onda para con la absorción es del 25 % de la absorción máxima del estado 5d de energía más baja de Tm2+. En la tabla, a continuación, en el presente documento, se proporcionan los bordes de absorción para diferentes materiales inorgánicos dopados con Tm2+, junto con sus índices de refracción:
Material luminiscente
borde de absorción [nm] índice de refracción
Tm2+:NaCl
710 1,53
Tm2+:CaI2
844 1,78
Tm2+:NaI
831 1,74
Tm2+:NaBr
810 1,62
Tm2+:KBr
763 1,54
A partir de la tabla y los espectros de absorción, se deduce que los materiales dopados con Tm2+ presentan una absorción de banda ancha sobre un intervalo de entre 200 nm y 900 nm, preferentemente entre 220 y 880 nm, más preferentemente entre 240 y 860 nm.
La Figura 1B representa los espectros de excitación de los materiales inorgánicos dopados con Tm2+. Los espectros se midieron a una longitud de onda de emisión de 1.138 nm (es decir, en la parte superior de los espectros de emisión, tal como se representa en la Figura 1C).
La Figura 1C representa los espectros de emisión que corresponden a la emisión asociada a la transición 2F5/2→2F7/2 de NaCl, NaI, CaI2, NaBr y KBr dopados con Tm2+ en una excitación de 410, 412, 477, 480 y 409 nm respectivamente. Tal como era de esperar, la transición es relativamente independiente del tipo de red receptora. Además, los gráficos revelan que los electrones que se excitan a un estado de banda d se relajan al estado 2F5/2 desde el que tiene lugar la relajación radiativa al estado 2F7/2. El desplazamiento de Stokes resultante entre la absorción en el intervalo UV y visible del espectro y la emisión de pico aguda en el infrarrojo cumple muy bien los requisitos de un material luminiscente que es adecuado para aplicaciones de LSC o SCL.
Los espectros de absorción de estos materiales son sustancialmente superiores, en comparación con los espectros de absorción de materiales luminiscentes convencionales, tales como colorantes. La Figura 2 representa los espectros de absorción del colorante Red305 y el espectro de absorción de CaI2 dopado con Tm2+. El espectro solar medido sobre la superficie de la tierra se representa en el fondo. La figura muestra que el borde de absorción del colorante es de aproximadamente 605 nm, mientras que el borde de absorción de CaI2 dopado con Tm2+ es de aproximadamente 844 nm. Además, el colorante absorbe una fracción de potencia del 30 % de la intensidad solar total que corresponde a una fracción de fotones (es decir, el porcentaje de fotones absorbidos) de solo el 18 %, mientras que el CaI2 dopado con Tm2+ tiene una fracción de potencia de aproximadamente el 63 %, es decir, el doble de la cantidad de potencia, en comparación con el colorante, que corresponde a una fracción de fotones del 44 %. Esta figura muestra, de este modo, que los materiales dopados con Tm2+ presentan propiedades de LCS sustancialmente superiores, en comparación con los colorantes del estado de la técnica que actualmente se usan para LCS.
La Figura 3 representa el factor de pérdida debido a la autoabsorción para un colorante Red305 en función del radio de LSC para diferentes LQE (el factor de pérdida es igual a 1 menos la fracción transmitida). La fracción de la energía transmitida inicialmente que se transmite a través de los bordes de un LSC circular con un índice de refracción de 1,5 se representa para diferentes radios y LQE. Esta figura muestra que, incluso para un colorante con LQE del 100 %, solo el 20 % de la luz luminiscente se transmite fuera de los bordes de un LCS con un radio de aproximadamente 0,56 m. Al disminuir el LQE al 80 %, solo el 10 % de la luz luminiscente se transmite fuera de los bordes del LSC. Esta tendencia es válida también para otros colorantes o materiales luminiscentes que están basados en nanopartículas y que presentan autoabsorción. Estas pérdidas debido a la autoabsorción se eliminan mediante el uso de materiales inorgánicos dopados con Tm2+ luminiscentes según la invención en una estructura de LSC.
La síntesis de materiales dopados con Tm2+ es problemática ya que a menudo se forman sitios de Tm3+ en lugar de Tm2+ en el material receptor inorgánico. Por ejemplo, el uso de un procedimiento de cocción en una atmósfera reductora de N2/H2 no da como resultado materiales dopados con Tm2+ estables. En su lugar, se forma el estado de Tm3+. Por ejemplo, el calentamiento de una mezcla de la sal y TmI2 o TmCl3 en un crisol de alúmina en un horno de tubo con una atmósfera de N2/H2 a diferentes temperaturas (por debajo y por encima del punto de fusión de las sales) dio como resultado la formación de CaI2 o NaCl dopados con Tm2O3 o Tm3+ (según los análisis de XRD) y los espectros de reflectancia difusa mostraron la presencia de Tm3+ en lugar de Tm2+.
Por lo tanto, con el fin de obtener materiales inorgánicos dopados con Tm2+ que presenten las características de emisión-absorción ventajosas mencionadas anteriormente, se contuvo una mezcla de un material receptor inorgánico (por ejemplo, NaCl) y una sal basada en Tm2+ (por ejemplo, TmI2) en una ampolla de cuarzo cerrada que estaba al vacío. La concentración de dopaje del Tm2+ puede variar sobre la base de la cantidad de sal basada en Tm2+ en la mezcla. Sin embargo, el calentamiento de la ampolla en un horno dio como resultado la formación de Tm3+ y no se halló Tm2+. Sin embargo, el calentamiento de la ampolla (con la mezcla en el interior) con un quemador
de gas (un quemador que se usa normalmente para fusionar el cuarzo) dio como resultado la formación de NaCl dopado con Tm2+. Sobre la base de este procedimiento, se sintetizaron con éxito diferentes materiales inorgánicos dopados con Tm2+, incluyendo (pero sin limitación) NaBr dopado con Tm2+, NaI, KBr, CaCl2 y CaI2. El calentamiento de una ampolla bombeada al vacío cerrada tenía un efecto negativo sobre la cantidad de Tm2+ en el producto final. Por lo tanto, durante el procedimiento de fusión, la ampolla se conectó a una bomba de vacío, que aseguró que la presión durante la cocción de los materiales era de aproximadamente 0,01 Pa (10-4 mbar) o inferior. Las muestras fabricadas de esta manera eran todas de color negro o negro verdoso y mostraron la emisión f-f de Tm2+ deseada. Además del dopaje con Tm2+, solo cantidades muy pequeñas de Tm3+ estaban presentes en algunas muestras. Sobre la base de esta receta, se fabricaron diversos materiales inorgánicos dopados con Tm2+. Por ejemplo, para la síntesis de alrededor de 1,5 g de CaI2 dopado con Tm al 3 %, puede usarse la siguiente receta:
-mezclar 1,425 g de CaI2 con 0,063 g de TmI2 dentro de una caja de guantes cargada con N2; -transferir la mezcla a una ampolla de cuarzo seca; -cerrar la ampolla dentro de la caja de guantes cargada con N2 con una válvula; -conectar la ampolla, con la mezcla y el N2 en su interior, a una bomba de vacío; -bombear al vacío la ampolla; -calentar la ampolla con un quemador durante el bombeo al vacío hasta que la mezcla se fusione (típicamente
entre 1 y 2 minutos). -detener el calentamiento, cerrar la ampolla mediante su fusión, y desconectar la ampolla de la bomba una vez
que se haya enfriado el cuarzo; -abrir la ampolla en la caja de guantes mediante la rotura del cuarzo; y, -formar un polvo del material cristalino.
Sobre la base de este procedimiento de fabricación, los materiales luminiscentes dopados con Tm2+ pueden ser fabricaciones en las que la concentración de dopaje de dichos iones de Tm2+ en dicho material receptor puede variar entre el 0,1 y el 100 %, dependiendo de la relación entre la cantidad de sal basada en Tm2+ y el material receptor inorgánico. En una realización, la relación puede seleccionarse de tal manera que la concentración de dichos iones de Tm2+ esté entre el 1 y el 50 %, más preferentemente entre el 1 y el 30 %. Por tanto, a partir de lo anterior, se deduce que los materiales cristalinos dopados con Tm2+ estables en forma de polvo pueden sintetizarse mediante la fusión de una mezcla estequiométrica de sales en condiciones de vacío, preferentemente a una presión de 0,01 Pa (10-4 mbar) o menos. El material cristalino en forma de polvo puede usarse en la formación de dispositivos de LSC, que se describirá más adelante en el presente documento con más detalle con referencia a las Figuras 9A-9C.
En algunas situaciones, puede ser ventajoso usar un procedimiento de síntesis de material que sea compatible con las tecnologías convencionales de procesamiento de conductores de película fina, de manera que la formación de materiales inorgánicos dopados con Tm2+ cristalinos pueda usarse junto con otras etapas de procesamiento y/o deposición de material. Por tanto, además del procedimiento de cocción descrito anteriormente para la producción de materiales inorgánicos dopados con Tm2+ basados en polvo, los materiales inorgánicos dopados con Tm2+ cristalinos también se sintetizaron sobre la base de una técnica de deposición de semiconductores. En particular, se realizaron capas dopadas con Tm2+ de película fina cristalinas usando una técnica de pulverización catódica. En una realización, puede usarse una técnica de copulverización catódica por magnetrón de RF. En la técnica de copulverización catódica, pueden usarse al menos dos dianas, por ejemplo, una primera diana que comprende un material receptor inorgánico y una segunda diana de Tm.
Se desarrollaron películas finas dopadas con Tm2+ policristalinas exitosas de un espesor entre 1 y 5 micrómetros sobre un sustrato portador adecuado, tal como SiO2 (cuarzo), Al2O3 o diversos tipos de vidrio en diferentes condiciones de pulverización catódica. En este ejemplo particular, se usó NaCl como material receptor inorgánico, pero también pueden usarse otros materiales receptores binarios, ternarios o cuaternarios, tal como se ha descrito con referencia al procedimiento de cocido, sin apartarse del alcance de la invención. La presión durante el procedimiento de pulverización catódica puede seleccionarse entre aproximadamente 0,13 Pa (1 mTorr) y aproximadamente 0,66 Pa (5 mTorr). La diana de NaCl se ajustó a una potencia de RF seleccionada entre 20 y 50 W (que corresponde a una velocidad de entre 1 y 5 Å/s) y la diana Tm se ajustó a una potencia de CC de entre 10 y40 W (que corresponde a una velocidad de entre 0,05 y 0,08 Å/s). Sobre la base de este ajuste, se realizaron películas de NaCl dopado con Tm2+ en las que el porcentaje de dopante de Tm2+ está entre el 0,2 y el 12 % (estos valores se determinaron sobre la base de las mediciones de EDX). En este caso, un porcentaje de dopante del 1 % significa que el 1 % de los cationes en el material receptor inorgánico está reemplazado por un catión de Tm2+.
Las Figuras 4A y 4B muestran imágenes de SEM de capas de película fina dopadas con Tm2+ cristalinas según diversas realizaciones de la invención. En particular, las Figuras 4A y 4B muestran imágenes de SEM de película fina de NaCl dopado con Tm2+ de un espesor de aproximadamente 2 micrómetros que se depositaron sobre un sustrato de SiO2 a una temperatura de 200 °C y 300 °C respectivamente. La presencia de Tm2+ en la película de NaCl da un aspecto grisáceo/teñido (las películas de NaCl son transparentes). Se observó un efecto similar con los polvos que pasaron de color blanco a color grisáceo/negro cuando se doparon con Tm2+. Se desarrollaron películas policristalinas en las que el tamaño de grano puede controlarse mediante la temperatura. Tal como se muestra en la Figura 4A, cuando se usa una temperatura de deposición de 200 °C, puede realizarse un tamaño de grano promedio de entre 200 y 400 nm. A una temperatura de deposición de 300 °C, el tamaño de grano promedio está entre 600 y 1.000 nm, tal como se muestra en la Figura 4B.
La Figura 5 representa una medición de XRD de una película fina de NaCl dopado con Tm2+ pulverizada catódicamente según una realización de la invención. Las posiciones de los picos en el espectro coinciden con los del NaCl. La Figura 6 representa los espectros de excitación de una película fina de Tm2+:NaCl y de una muestra de polvo de Tm2+:NaCl. Los espectros se registran mientras se controla la emisión de línea de Tm2+ de aproximadamente 1.140 nm. Esta figura muestra que tanto el polvo como los materiales de película fina comprenden Tm2+, que es responsable de la absorción de la luz del espectro solar mediante una o más de sus bandas de energía 5d. Además, muestra que si un ion de Tm2+ está excitado en una de sus bandas de energía 5d por los fotones del espectro solar, se produce una relajación de menos radiación a una banda f de nivel inferior antes de que se produzca una emisión de línea de fotones a aproximadamente 1.138 nm. Por tanto, las películas finas dopadas con Tm2+ presentan un gran desplazamiento de Stokes, de manera que no está presente ningún solapamiento entre la emisión y la absorción.
La Figura 7 representa el espectro de emisión de película fina de Tm2+:NaCl y de una muestra de polvo de Tm2+:NaCl según una realización de la invención. Los espectros se registraron en excitación a 415 nm. Este gráfico muestra que, tanto para las muestras de película fina como de polvo, los sitios de Tm2+ son responsables de la emisión de fotones.
La Figura 8 representa un ajuste de espectro de transmisión de una película de NaCl dopado con Tm2+ alrededor de la región de absorción de Tm2+. Para calcular la resistencia de absorción, se ajusta la transmisión excluyendo el buzamiento y se determina la amplitud del buzamiento con respecto a esta línea ajustada. El recuadro muestra la absorción relativa resultante.
Se pueden usar técnicas de pulverización catódica alternativas sin alejarse del alcance de la invención. Por ejemplo, en una realización, una única diana que comprende un material de diana dopado con Tm2+ se sintetizó usando el procedimiento de cocción, tal como se ha descrito anteriormente. Por ejemplo, un polvo de Tm2+:NaCl o Tm2+:CaI2 puede sintetizarse y presionarse en una pastilla que pueda introducirse en la diana de un sistema de pulverización catódica.
Las Figuras 9A-9C representan secciones transversales esquemáticas de dispositivos de conversión de radiación solar, en particular, dispositivos concentradores de energía solar luminiscentes, que comprenden un material inorgánico dopado con Tm2+ según diversas realizaciones de la invención. La Figura 9A representa un dispositivo de LSC según una realización de la invención. El LSC comprende una estructura de guía de onda 902 que comprende una primera superficie 903 (superior), una segunda superficie 905 (inferior) y uno o más bordes 906. Al menos parte de los bordes 906 de la estructura de guía de onda pueden acoplarse a una celda fotovoltaica 908. En esta realización, la estructura de guía de onda puede estar formada de un material de matriz transparente en el que están embebidas las partículas 910, preferentemente partículas nanométricas, de un material cristalino inorgánico dopado con Tm2+, tal como se ha descrito en esta memoria descriptiva. Cuando los fotones 912 del espectro solar que entra en la estructura de guía de onda están absorbidos por una o más bandas de energía 5d de los sitios de Tm2+, los sitios de Tm2+ excitados transmiten fotones 914 a través de una emisión de línea ff a una longitud de onda de aproximadamente 1.138 nm. Los fotones emitidos pueden guiarse a través de la estructura de guía de onda hasta los bordes de la guía de onda en los que se encuentra una celda fotovoltaica 908 que está optimizada para la conversión de los fotones que están emitidos por los iones de Tm2+ en energía eléctrica.
En una realización, la celda fotovoltaica puede ser una celda fotovoltaica de (di)seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS). En otra realización, la celda fotovoltaica puede ser una celda fotovoltaica de (di)seleniuro de cobre e indio (CIS). Estos materiales son muy eficaces para la conversión de la radiación solar infrarroja (cercana) de 1.138 nm emitida de los sitios de Tm2+ en energía eléctrica.
En una realización adicional, la celda fotovoltaica puede comprender una capa activa orgánica de absorción de NIR/IR o una capa activa sensibilizada con colorante de NIR/IR. En una realización, la celda fotovoltaica puede comprender una capa semiconductora orgánica, por ejemplo, de MEH-PVV, que está sensibilizada con puntos cuánticos de absorción de NIR/IR. Por ejemplo, mediante el control del tamaño de los puntos cuánticos de semiconductores (binarios) de ancho de banda baja (por ejemplo, PbS, PbSe, InAs y/o HgTe), pueden ajustarse los puntos cuánticos para absorber en el espectro de infrarrojos (cercanos) entre 900 y 2.000 nm. Véase, por ejemplo, Sargent y col. en «Solution-based Infra-Red Photovoltaic Devices», Nature Photonics 3, 325-331 (2009). En otra realización, la celda fotovoltaica puede comprender una capa de nanotubo de carbono de una única pared o una capa de absorción de NIR/IR activa de grafeno.
Las partículas dopadas con Tm2+ pueden incluirse en un material de matriz transparente que comprende un polímero orgánico transparente que tiene excelentes propiedades de transmitancia en el intervalo infrarrojo cercano del espectro óptico, tal como poli(metil metacrilato) (PMMA) o un policarbonato. En una realización, el índice de refracción del material de matriz puede seleccionarse para que coincida sustancialmente con el índice de refracción de las partículas dopadas con Tm2+ de manera que se minimicen las pérdidas debido a la dispersión de la luz emitida fuera de la estructura de guía de onda.
La Figura 9B representa un dispositivo de LSC según otra realización de la invención. El LSC comprende una estructura de guía de onda 902 que comprende una primera superficie 903 (superior), una segunda superficie 905
(inferior) y uno o más bordes 906. Al menos parte de los bordes 906 de la estructura de guía de onda pueden acoplarse a una celda fotovoltaica 908. La estructura de guía de onda puede estar formada de un polímero o vidrio orgánico transparente de alto índice orgánico. Al menos parte de la superficie superior y/o inferior de la estructura de guía de onda puede recubrirse con una capa luminiscente 916 que puede comprender un material cristalino inorgánico dopado con Tm2+, tal como se ha descrito en esta memoria descriptiva.
En una realización, la capa luminiscente de película fina puede estar formada de un material de matriz transparente en el que están embebidas las partículas, preferentemente partículas nanométricas, de un material cristalino inorgánico dopado con Tm2+. Como alternativa, la capa ópticamente activa puede ser una capa de película fina (poli)cristalina dopada con Tm2+, que se forma sobre la estructura de guía de onda. La capa de película fina puede formarse sobre la estructura de guía de onda usando, por ejemplo, un procedimiento de (co)pulverización catódica, tal como se ha descrito anteriormente. El uso de una capa (poli)cristalina que se acopla como una capa ópticamente activa a la estructura de guía de onda proporciona la ventaja de que se elimina el efecto de dispersión que puede producirse cuando se usa una capa de matriz que comprende partículas dopadas con Tm2+.
En una realización diferente (no mostrada), al menos parte de la superficie superior y la superficie inferior de la estructura de guía de onda puede recubrirse con una capa luminiscente de película fina. De esta manera, la luz solar que pasa por el lado superior e inferior de la estructura de guía de onda puede convertirse en luz infrarroja (cercana), que se guía mediante la estructura de guía de onda hacia la celda fotovoltaica.
La Figura 9C representa un dispositivo de LSC según otra realización adicional de la invención. En esta realización, el dispositivo de LSC comprende una o más capas luminiscentes que son similares a las descritas con referencia a la Figura 9B. Sin embargo, en esta realización, la capa luminiscente 916 está embebida en la estructura de guía de onda 902.
Se afirma que los dispositivos representados en las Figuras 9A-9C son ejemplos no limitantes que materializan la invención y son posibles muchas variaciones y/o combinaciones de características de estas realizaciones sin alejarse del alcance de la invención. Por ejemplo, en una realización, un dispositivo de conversión de radiación solar puede comprender una estructura de guía de onda que comprende capas luminiscentes dopadas con Tm2+ que se proporcionan sobre la primera y/o segunda superficies de la estructura de guía de onda y están embebidas en la estructura de guía de onda. En una realización adicional, al menos parte de la celda fotovoltaica puede ser parte de la estructura de guía de onda.
Las Figuras 10A y 10B representan secciones transversales de dispositivos de conversión de radiación solar esquemáticos según otra realización de la invención. En particular, La Figura 10A representa un dispositivo de conversión de radiación solar que comprende una capa de conversión 1002 luminiscente de Tm2+ de absorción de banda ancha y un dispositivo fotovoltaico 1004 que comprende una primera superficie 1001 y una segunda superficie 1003. Dependiendo de la configuración, la primera superficie (superior) puede ser una superficie receptora de luz. En caso de una celda solar transparente, tanto la primera como la segunda superficie pueden ser superficies receptoras de luz. La capa de conversión puede recubrirse o depositarse sobre la primera y/o segunda superficies. En una realización, la capa de conversión puede ser un material luminiscente dopado con Tm2+ (poli)cristalino de película fina, tal como se ha descrito en esta divulgación con referencia a las Figuras 4-8. En otra realización, la capa de conversión puede ser un material de matriz transparente que comprende partículas, preferentemente nanopartículas, de un material luminiscente dopado con Tm2+, tal como se ha desvelado en la presente divulgación.
En una realización, el dispositivo fotovoltaico puede ser un dispositivo fotovoltaico de silicio, por ejemplo, un dispositivo fotovoltaico de silicio (de capa fina) microcristalino. En otra realización, el dispositivo fotovoltaico puede ser una celda fotovoltaica de NIR/IR (de una única unión o de múltiples uniones) para la conversión de al menos la parte infrarroja (cercana) del espectro solar 1006 en energía eléctrica. Además, la luz de la parte UV y visible 1008 del espectro solar se convierte, mediante la capa de conversión 1002 luminiscente de Tm2+ de absorción de banda ancha, en radiación solar infrarroja de 1.138 nm.
La Figura 10B representa un dispositivo de conversión de radiación solar, por ejemplo, una celda solar, que comprende un material luminiscente de Tm2+ de absorción de banda ancha. El dispositivo puede comprender un sustrato 1012, preferentemente un sustrato transparente, que comprende un dispositivo fotovoltaico de película fina de múltiples capas. El dispositivo fotovoltaico puede comprender una primera capa de contacto 1014 formada sobre una primera superficie del sustrato. Una capa o multicapa activa 1018 de absorción de radiación solar se forma sobre la primera capa de contacto y una segunda capa 1016 se forma sobre la capa activa.
En una realización, el dispositivo fotovoltaico puede comprender al menos una capa que comprende puntos cuánticos de absorción de infrarrojos (es decir, nanopartículas que tienen un tamaño de tal manera que se inducen los efectos de confinamiento cuántico en las partículas, es decir, reduciendo el tamaño de las partículas a menos del radio de Bohr de las funciones de hueco y electrones en el semiconductor) y nanopartículas de un material luminiscente de Tm2+ de absorción de banda ancha, tal como se describe en la presente divulgación. En una realización, el tamaño de al menos parte de los puntos cuánticos de absorción de infrarrojos puede optimizarse para la absorción de radiación solar infrarroja que se transmite mediante las nanopartículas luminiscentes de Tm2+. Por ejemplo, los puntos cuánticos de PbS que tienen un tamaño de partícula de aproximadamente 3-4 nm absorberán la
radiación infrarroja (cercana) de aproximadamente 900-111 nm. Por tanto, en esta realización, una parte infrarroja 1006 de la radiación solar puede estar absorbida directamente por los puntos cuánticos de absorción de infrarrojos, mientras que la parte UV y visible de la radiación solar puede convertirse mediante las nanopartículas luminiscentes de Tm2+ en radiación solar infrarroja 1010 de una longitud de onda de aproximadamente 1.138 nm. De esta manera,
5 la eficacia de conversión global de un dispositivo fotovoltaico de infrarrojos sencillo puede ampliarse sobre la base de radiación solar visible que se convierte en radiación solar infrarroja.
En otra realización, el dispositivo fotovoltaico puede comprender adicionalmente otra capa de película fina (poli)cristalina luminiscente de Tm2+ de absorción de banda ancha. Tal capa puede colocarse entre el sustrato y la primera capa de contacto con el fin de aumentar la transformación de la radiación de la parte UV/visible del espectro
10 solar en radiación de la parte infrarroja del espectro solar.
La terminología usada en el presente documento es para el fin de describir solamente realizaciones particulares y no pretende ser limitante de la invención. Tal como se usa en el presente documento, las formas en singular «un», «una», y «el/la» pretenden incluir asimismo las formas plurales, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Se entenderá adicionalmente que las expresiones «comprende» y/o «que comprende», cuando se usan en
15 esta memoria descriptiva, especifican la presencia de las características, números enteros, etapas, operaciones, elementos y/o componentes indicados, pero no excluyen la presencia o adición de una o más de otras características, números enteros, etapas, operaciones, elementos, componentes y/o grupos de los mismos.
Las correspondientes estructuras, materiales, acciones y equivalentes de todos los medios o etapas más los elementos de función en las reivindicaciones siguientes pretenden incluir cualquier estructura, material o acción para 20 la realización de la función en combinación con otros elementos de las reivindicaciones, según las reivindicaciones específicas. La descripción de la presente invención se ha presentado para fines de ilustración y descripción, pero no pretende ser exhaustiva o limitarse a la invención en la forma desvelada. La realización se escogió y describió con el fin de explicar mejor los principios de la invención y la aplicación práctica, y permitir a otros expertos en la materia entender la invención para diversas realizaciones con diversas modificaciones que son adecuadas para el
25 uso particular contemplado.

Claims (15)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Dispositivo de conversión de radiación solar que comprende:
    un material inorgánico de Tm2+ luminiscente para la conversión de al menos parte de la radiación solar UV y/o visible y/o infrarroja en radiación infrarroja, preferentemente teniendo dicha radiación infrarroja una longitud de onda de aproximadamente 1.138 nm; y, un dispositivo fotovoltaico para la conversión de al menos parte de dicha radiación infrarroja en energía eléctrica.
  2. 2.
    Dispositivo de conversión de radiación solar según la reivindicación 1, en el que dicho material luminiscente comprende un material receptor cristalino inorgánico binario, ternario y/o cuaternario, en el que la luminiscencia (emisión) es de iones de Tm2+, preferentemente estando dichos iones de Tm2+ presentes en una concentración de entre el 0,1 y el 100 %, o preferentemente entre el 1 % y el 50 %, o preferentemente entre el 1 % y el 30 %, o preferentemente entre el 0,2 % y el 11 %.
  3. 3.
    Dispositivo de conversión de radiación solar según las reivindicaciones 1 o 2, en el que:
    dicho material receptor inorgánico binario está definido por la fórmula general ML, en la que M = Na, K, Rb, Cs y L = Cl, Br, I, F; o, por la fórmula general NL2, en la que N = Mg, Ca, Sr, Ba y L = Cl, Br, I, F; preferentemente por la fórmula general Nl2, en la que N = Mg, Ca, Sr, Ba o, por el material receptor inorgánico que está definido por la fórmula general MNL3; o, en el que dicho material receptor inorgánico es una aleación o una mezcla de los materiales M, N y/o L.
  4. 4.
    Dispositivo de conversión de radiación solar según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que dicho material inorgánico dopado con Tm2+ luminiscente comprende una capa de película fina (poli)cristalina o partículas cristalinas, preferentemente partículas a escala nanométrica, en el que dichas partículas están embebidas en un material de matriz.
  5. 5.
    Dispositivo de conversión de radiación solar según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que dicho material inorgánico basado en Tm2+ luminiscente es parte de o está asociado a una estructura de guía de ondas para guiar dicha radiación solar de una longitud de onda predeterminada a dicho dispositivo fotovoltaico.
  6. 6.
    Dispositivo de conversión de radiación solar según la reivindicación 5, en el que dicha estructura de guía de ondas comprende una primera superficie (superior) y una segunda superficie (inferior), en el que se proporciona una capa de Tm2+ luminiscente sobre al menos parte de dichas superficies primera y/o segunda, preferentemente comprendiendo dicha capa una capa de película fina (poli)cristalina o una capa de un material de matriz en el que están embebidas las partículas cristalinas (escala nanométrica).
  7. 7.
    Dispositivo de conversión de radiación solar según la reivindicación 5, en el que dicha estructura de guía de ondas comprende una primera superficie (superior) y una segunda superficie (inferior), en el que dicho material de Tm2+ luminiscente está embebido en dicha estructura de guía de ondas.
  8. 8.
    Dispositivo de conversión de radiación solar según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que dicho material de matriz es un polímero orgánico transparente, preferentemente un poli(metil metacrilato) (PMMA) o un policarbonato.
  9. 9.
    Dispositivo de conversión de radiación solar según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que se proporciona una capa de conversión de longitud de onda que comprende dicho material inorgánico de Tm2+ luminiscente sobre una cara receptora de luz de dicho dispositivo fotovoltaico.
  10. 10.
    Dispositivo de conversión de radiación solar según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que el dispositivo fotovoltaico comprende dicho material inorgánico de Tm2+ luminiscente, preferentemente dicho dispositivo fotovoltaico comprende una capa de película fina que comprende dicho material inorgánico de Tm2+ luminiscente.
  11. 11.
    Dispositivo de conversión de radiación solar según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el que dicho dispositivo fotovoltaico comprende una capa activa de absorción de infrarrojos, más preferentemente comprendiendo dicha capa de absorción de infrarrojos al menos uno de: un compuesto semiconductor de tipo IV, III-V o II-VI, (di)seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), (di)seleniuro de cobre e indio (CIS), puntos cuánticos de absorción de infrarrojos, un polímero de absorción de infrarrojos, grafeno o nanotubos (de carbono).
  12. 12.
    Dispositivo de conversión de radiación solar según cualquiera de las reivindicaciones 1-11, en el que la absorción de radiación solar del material luminiscente basado en Tm2+ se produce en las configuraciones 5d (estados 5d) de Tm2+, mientras que la emisión (luminiscencia) es del estado Tm2+ 4f13(2F5/2) al estado base Tm2+
    4f13(2F7/2).
  13. 13.
    Uso de un material cristalino inorgánico de Tm2+ luminiscente en un concentrador de energía solar luminiscente o una celda solar.
  14. 14. Procedimiento de fabricación de un dispositivo de radiación solar según la reivindicación 1, que comprende adicionalmente la sintetización de un material cristalino inorgánico dopado con Tm2+ luminiscente que comprende:
    fusionar una cantidad de al menos un primer compuesto iónico inorgánico con un segundo compuesto iónico inorgánico, comprendiendo dicho segundo compuesto iónico un catión de Tm2+ o Tm3+ con el fin de formar un 5 primer compuesto iónico dopado con Tm2+; y, durante dicha fusión, mantener la presión por debajo de 51 kPa, preferentemente por debajo de 11 kPa.
  15. 15. Procedimiento de fabricación de un dispositivo de radiación solar según la reivindicación 1, que comprende adicionalmente la formación de una película fina policristalina inorgánica dopada con Tm2+ luminiscente sobre un sustrato que se monta en una cámara de vacío, que comprende:
    10 proporcionar una primera diana de pulverización catódica con un primer material de pulverización catódica que comprende un primer compuesto iónico inorgánico y una segunda diana de pulverización catódica con un segundo material de pulverización catódica, que es tulio; introducir un gas en la cámara de pulverización catódica; calentar dicho sustrato a una temperatura entre 10 y 700 °C, preferentemente entre 10 y 600 °C; y,
    15 aplicar un potencial eléctrico de RF a dicha primera diana de pulverización catódica y un potencial eléctrico de CC a dicha segunda diana de pulverización catódica, causando de este modo la pulverización catódica de dichos primer y segundo materiales a partir de dichas primera y segunda dianas sobre dicho sustrato con el fin de desarrollar una película fina (poli)cristalina de dicho primer compuesto iónico inorgánico que está dopado con cationes de Tm2+.
ES14784380.9T 2013-09-26 2014-08-28 Materiales luminiscentes de Tm2+ para dispositivos de conversión de radiación solar Active ES2641665T3 (es)

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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3390581A1 (en) 2015-12-14 2018-10-24 SABIC Global Technologies B.V. Process for separation of aromatic hydrocarbons from a mixed hydrocarbon stream
EP3690959A4 (en) * 2017-09-29 2021-06-23 Sekisui Chemical Co., Ltd. SOLAR CELL SYSTEM AND AREA
EP3690961A4 (en) 2017-09-29 2021-06-30 Sekisui Chemical Co., Ltd. LAMINATED STRUCTURE AND SOLAR POWER GENERATION SYSTEM
WO2019065920A1 (ja) 2017-09-29 2019-04-04 積水化学工業株式会社 太陽電池システム
US11276804B2 (en) 2017-09-29 2022-03-15 Sekisui Chemical Co., Ltd. Light emitting structure and solar photovoltaic power generation system
US11287313B2 (en) * 2017-12-01 2022-03-29 Showa Denko Materials Co., Ltd. Detecting compositions and method of using same
NL2021109B1 (en) 2018-06-12 2019-12-17 Physee Group B V Inorganic luminescent materials for solar radiation conversion devices
US11988855B2 (en) * 2019-06-25 2024-05-21 Visera Technologies Company Limited Optical fingerprint sensors
NL2023498B1 (en) 2019-07-12 2021-02-04 Physee Group B V Optical structures comprising luminescent materials for plant growth optimization

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2003268487A1 (en) * 2002-09-05 2004-03-29 Nanosys, Inc. Nanocomposites
US20050092029A1 (en) * 2003-11-04 2005-05-05 Won-Taek Han Method of fabricating optical fiber or optical device doped with reduced metal ion and/or rare earth ion
BRPI0715885A2 (pt) * 2006-08-25 2013-08-13 Koninklijke Philips Electronics N.V. agente de contraste para a formaÇço de imagem àptica, uso de um agente de contraste, mÉtodo de formaÇço de imagem àptica de tecido, mÉtodo de formaÇço de imagem e/ou diagnàstico de uma cÉlula, um àrgço ou corpo total
KR101659713B1 (ko) 2008-12-12 2016-09-30 코닌클리케 필립스 엔.브이. 발광성의 광발전 생성기 및 광발전 생성기에 이용하기 위한 도파관
US9496442B2 (en) * 2009-01-22 2016-11-15 Omnipv Solar modules including spectral concentrators and related manufacturing methods
TWI552369B (zh) * 2009-09-25 2016-10-01 伊穆諾萊特公司 用以改良太陽能電池效能或其它能量轉換之上、下轉換系統
EP2581943A1 (en) * 2010-06-11 2013-04-17 Asahi Glass Company, Limited Translucent laminate and solar cell module using same
CN101942306B (zh) 2010-08-06 2013-05-29 南京航空航天大学 具有协同频率转光性能的材料及其制备方法与应用
CN102268261B (zh) * 2011-05-04 2016-08-10 湖南师范大学 一种双激发双发射荧光粉及其制备方法和应用方法
CN103650163B (zh) * 2011-06-30 2017-04-26 飞利浦灯具控股公司 朝目标元件会聚光
CN103311326B (zh) 2012-03-13 2016-12-14 北京师范大学 单种稀土红外一级量子剪裁在太阳能电池中的应用
CN102683467A (zh) 2012-05-15 2012-09-19 中国科学院半导体研究所 太阳能电池模块

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