Исследование люминесценции твердых растворов на основе фторида иттрия, легированных иттербием и европием для фотоники
Authors: Кузнецов Сергей Викторович , Низамутдинов Алексей Сергеевич , Мадиров Эдуард Ильдарович , Конюшкин Василий Андреевич , Накладов Андрей Николаевич , Воронов Валерий Вениаминович , Япрынцев Алексей Дмитриевич , Иванов Владимир Константинович , Семашко Вадим Владимирович , Фёдоров Павел Павлович 
Published: July 2020

Подавляющая часть мирового рынка солнечных фотоэлектрических устройств основывается на кремниевых технологиях. Актуальной задачей является повышение эффективности их работы за счет использования люминесцентных покрытий, в том числе преобразующих излучение из УФ-синей области спектра в ближний инфракрасный диапазон, где кремний поглощает излучение с наибольшей эффективностью (стоксовая, или даун-конверсионная люминесценция) или из инфракрасной области спектра в ближний инфракрасный диапазон (ап-конверсионная люминесценция). Целью данного исследования были синтез и исследование спектрально-кинетических характеристик однофазных твердых растворов Y1–x–yEuxYbyF3 и определение квантового выхода даун-конверсионной люминесценции.Методом высокотемпературного сплавления были синтезированы однофазные образцы твердых растворов Y1–x–yEuxYbyF3 ромбической сингонии. Для серий образцов с различным соотношением Eu3+/Yb3+ при двойном допировании этими ионами было подтверждено образование соответствующих твердых растворов с кристаллической решеткой фазы b-YF3. Химический состав установлен энергодисперсионным анализом и было определено, что он соответствует номинальному. Показано, что при возбуждении на длинах волн 266 и 296 нм наблюдается люминесценция как ионов Eu3+, так и ионов Yb3+, что свидетельствует об перспективе их использования в качествесенсибилизаторов УФ излучения. При этом при возбуждении на длине волны 266 нм регистрируется люминесценция ионов Eu2+. Максимальные квантовые выходы даун-конверсионной люминесценции иттербия в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн со значением 2.2 % при возбуждении на длине волны 266 нм были зарегистрированы для YF3:Eu:Yb при соотношениях Eu3+:Yb3+ 0.1:10.0 и 0.05:5.00.

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Weber E. R. Photovoltaics moving into the terawatt age. In: Proc. SPIE 10368, Next GenerationTechnologies for Solar Energy Conversion VIII. 2017;10368: 1036803. DOI: https://doi.org/10.1117/12.22779782. Seibt M., Kveder V. Gettering Processes and the Role of Extended Defects. In: Advanced Silicon Materialsfor Photovoltaic Applications. John Wiley & Sons, Ltd; 2012. pp. 127–188. DOI: https://doi.org/10.1002/9781118312193.ch43. Turkevych I., et al. Strategic advantages of reactive polyiodide melts for scalable perovskite photovoltaics.Nature Nanotechnology. 2019:14(1): 57–63. DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-018-0304-y4. Abdollahi Nejand B., et al. Vacuum-assisted growth of low-bandgap thin fi lms (FA 0.8 MA 0.2 Sn0.5 Pb 0.5 I 3) for all-perovskite tandem solar cells. Advanced Energy Materials. 2020;10(5): 1902583. DOI:https://doi.org/10.1002/aenm.2019025835. Im J. H., et al. 6.5% effi cient perovskite quantumdot- sensitized solar cell. Nanoscale. 2011;3(10):4088–4093. DOI: https://doi.org/10.1039/C1NR10867K6. Huang X., Sanyang H., Wei H., Xiaogang L. Enhancing solar cell efficiency: the search forluminescent materials as spectral converters. Chemical Society Reviews. 2013;42(1): 173–201. DOI: https://doi.org/10.1039/C2CS35288E7. Trupke T., Green M. A., Würfel P. Improving solar cell effi ciencies by down-conversion of high-energyphotons. Journal of Applied Physics. 2002;92(3): 1668–1674. DOI: https://doi.org/10.1063/1.14920218. Yao H., Shen H., Tang Q. Highly luminescent up/down conversion thin fi lms prepared by a roomtemperature process. Thin Solid Films. 2019;683: 1–7. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.05.0109. Loiko P. A., Khaidukov N. M., Mendez-Ramos J., Vilejshikova E. V., Skoptsov N. A., Yumashev K. V. Upanddown-conversion emissions from Er3+ doped K2YF5 and K2YbF5 crystals. Journal of Luminescence. 2016;170:1 – 7. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2015.10.01610. Li L., Lou C., Cao H., Diao H., Karunakaran S. K. Enhancing concentrator monocrystalline Si solarcells by down conversion Ce3+-Yb3+ co-doped YAG phosphors. Applied Physics Letters. 2018;113(10):101905. DOI: https://doi.org/10.1063/1.504322111. Serrano D., Braud A., Doualan J.-L., Camy P., Benayad A., Menard V., Moncorge R. Ytterbiumsensitization in KY3F10: Pr3+, Yb3+ for silicon solar cells effi ciency enhancement. Optical Materials. 2011;33(7): 1028–1031. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2010.07.02312. Fischer S., Ivaturi A., Jakob P., Krämer K. W., Martin-Rodriguez R., Meijerink A., Goldschmidt J. C.Upconversion solar cell measurements under real sunlight. Optical Materials. 2018;84: 389–395. DOI:https://doi.org/10.1016/j.optmat.2018.05.07213. Kuznetsov S., Ermakova Y., Voronov V., Fedorov P., Busko D., Howard I. A., Turshatov A. Up-conversionquantum yields of SrF2:Yb3+, Er3+ sub-micron particles prepared by precipitation from aqueous solution.Journal of Materials Chemistry C. 2018;6(3): 598–604. DOI: https://doi.org/10.1039/C7TC04913G14. Fischer S., Ivaturi A., Jakob P., Krдmer K. W., Martin-Rodriguez R., Meijerink A., Richards B., GoldschmidtJ. C. Upconversion solar cell measurements under real sunlight. Optical Materials. 2018;84: 389–395. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2018.05.07215. Lyapin A. A., Gushchin S. V., Kuznetsov S. V., Ryabochkina P. A., Ermakov A. S., V Proydakova. Yu.,Voronov V. V., Fedorov P. P., Artemov S. A., Yapryntsev A. D., Ivanov V. K. Infrared-to-visible upconversionluminescence in SrF2:Er powders upon excitation of the 4I13/2 level. Optical Materials Express.2018;8(7): 1863–1869. DOI: https://doi.org/10.1364/OME.8.00186316. Рожнова Ю. А., Кузнецов С. В., Воронов В. В., Федоров П. П. Синтез ап-конверсионных люминонофоров на основе фторида стронция, легированного Ho3+ и Er3+, для визуализаторов двухмикронного излучения. Конденсированные среды и межфазные границы, 2016;18(3): 408–413. Режим доступа: https://journals.vsu.ru/kcmf/article/view/150/10717. Александров А. А., Маякова М. Н., Воронов В. В., Поминова Д. В., Кузнецов С. В., Баранчиков А. Е., Иванов В. К., Лысакова Е. И., Фёдоров П. П. Синтез ап-конверсионных люминофоров на основе фторида кальция. Конденсированные среды и межфазные границы. 2020;22(1): 3–10. DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2020.22/252418. Van Der Ende B. M., Aarts L., Meijerink A. Nearinfrared quantum cutting for photovoltaics. AdvancedMaterials. 2009;21(30): 3073–3077. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.20080222019. Piper W. W., DeLuca J. A., Ham F. S. Cascade fl uorescent decay in Pr3+-doped fl uorides: Achievementof a quantum yield greater than unity for emission of visible light. Journal of Luminescence. 1974;8(4):344–348. DOI: https://doi.org/10.1016/0022-2313(74)90007-620. Yasyrkina D. S., Kuznetsov S. V., Ryabova A. V., Pominova D. V., Voronov V. V., Ermakov R. P., FedorovP. P. Dependence of quatum yield of up-conversion luminescence on the composition of fl uorite-typesolid solution NaY1-x-yYbxEryF4. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2013;4(5): 648–656. Availableat: http://nanojournal.ifmo.ru/en/articles-2/volume4/4-5/physics/paper07/21. Ding M., Lu C., Cao L., Song J., Ni Y., Xu Z. Facile synthesis of b-NaYF4:Ln3+ (Ln = Eu, Tb, Yb/Er,Yb/Tm) microcrystals with down- and up-conversion luminescence. Journal of Materials Science. 2013;48(14):4989–4998. DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-013-7285-x22. Tao F., Wang Z., Yao L., Weili C., Li X. Synthesis and photoluminescence properties of truncatedoctahedral Eu-Doped YF3 submicrocrystals or nanocrystals. The Journal of Physical Chemistry C.2007;111(8): 3241–3245. DOI: https://doi.org/10.1021/jp065905z23. Свешников Б. Я., Широков В. В. О зависимости измерений средней длительности и выходалюминесценции в процессе тушения от закона взаимодействия молекул. Оптика и спектроскопия.1962;12(5): 576–581.24. Кузнецов С. В., Низамутдинов А. С., Пройдакова В. Ю., Мадиров Э. И., Воронов В. В., Япрынцев А. Д., Иванов В. К., Гориева В. Г., Марисов М. А., Семашко В. В., Федоров П. П. Cинтез и исследованиелюминесценции твердых растворов Sr1–x–yYbxEuyF2+x+y для фотоники. Неорганические материалы.2019;55(10): 1092–1100. DOI: https://doi.org/10.1134/S0002337X19100087