Исследование люминесценции твердых растворов на основе фторида иттрия, легированных иттербием и европием для фотоники

Аннотация

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 Y_1–x–yEu_xYb_yF₃ и определение квантового выхода даун-конверсионной люминесценции.
Методом высокотемпературного сплавления были синтезированы однофазные образцы твердых растворов Y_1–x–yEu_xYb_yF₃ 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 качестве
сенсибилизаторов 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 Generation
Technologies for Solar Energy Conversion VIII. 2017;10368: 1036803. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2277978
2. Seibt M., Kveder V. Gettering Processes and the Role of Extended Defects. In: Advanced Silicon Materials
for Photovoltaic Applications. John Wiley & Sons, Ltd; 2012. pp. 127–188. DOI: https://doi.org/10.1002/9781118312193.ch4
3. 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-y
4. Abdollahi Nejand B., et al. Vacuum-assisted growth of low-bandgap thin fi lms (FA 0.8 MA 0.2 Sn
0.5 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.201902583
5. 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/C1NR10867K
6. Huang X., Sanyang H., Wei H., Xiaogang L. Enhancing solar cell efficiency: the search for
luminescent materials as spectral converters. Chemical Society Reviews. 2013;42(1): 173–201. DOI: https://doi.org/10.1039/C2CS35288E
7. Trupke T., Green M. A., Würfel P. Improving solar cell effi ciencies by down-conversion of high-energy
photons. Journal of Applied Physics. 2002;92(3): 1668–1674. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1492021
8. Yao H., Shen H., Tang Q. Highly luminescent up/down conversion thin fi lms prepared by a room
temperature process. Thin Solid Films. 2019;683: 1–7. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.05.010
9. Loiko P. A., Khaidukov N. M., Mendez-Ramos J., Vilejshikova E. V., Skoptsov N. A., Yumashev K. V. Upand
down-conversion emissions from Er3+ doped K2YF5 and K2YbF5 crystals. Journal of Luminescence. 2016;170:
1 – 7. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2015.10.016
10. Li L., Lou C., Cao H., Diao H., Karunakaran S. K. Enhancing concentrator monocrystalline Si solar
cells by down conversion Ce3+-Yb3+ co-doped YAG phosphors. Applied Physics Letters. 2018;113(10):
101905. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5043221
11. Serrano D., Braud A., Doualan J.-L., Camy P., Benayad A., Menard V., Moncorge R. Ytterbium
sensitization 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.2010.07.023
12. 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.2018.05.072
13. Kuznetsov S., Ermakova Y., Voronov V., Fedorov P., Busko D., Howard I. A., Turshatov A. Up-conversion
quantum 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/C7TC04913G
14. Fischer S., Ivaturi A., Jakob P., Krдmer K. W., Martin-Rodriguez R., Meijerink A., Richards B., Goldschmidt
J. C. Upconversion solar cell measurements under real sunlight. Optical Materials. 2018;84: 389–395. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2018.05.072
15. 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 upconversion
luminescence 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.8.001863
16. 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/150/107
17. 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.2020.22/2524
18. Van Der Ende B. M., Aarts L., Meijerink A. Nearinfrared quantum cutting for photovoltaics. Advanced
Materials. 2009;21(30): 3073–3077. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.200802220
19. Piper W. W., DeLuca J. A., Ham F. S. Cascade fl uorescent decay in Pr3+-doped fl uorides: Achievement
of 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)90007-6
20. Yasyrkina D. S., Kuznetsov S. V., Ryabova A. V., Pominova D. V., Voronov V. V., Ermakov R. P., Fedorov
P. 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. Available
at: 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-x
22. Tao F., Wang Z., Yao L., Weili C., Li X. Synthesis and photoluminescence properties of truncated
octahedral Eu-Doped YF3 submicrocrystals or nanocrystals. The Journal of Physical Chemistry C.
2007;111(8): 3241–3245. DOI: https://doi.org/10.1021/jp065905z
23. Свешников Б. Я., Широков В. В. О зависимости измерений средней длительности и выхода
люминесценции 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 исследование
люминесценции твердых растворов Sr1–x–yYbxEuyF2+x+y для фотоники. Неорганические материалы.
2019;55(10): 1092–1100. DOI: https://doi.org/10.1134/S0002337X19100087