Submitted by FRANCINE BETTIO COSTA null (franbettiocosta@gmail.com) on 2016-06-24T00:23:52Z No. of bitstreams: 1 Francine Bettio Costa - Tese de Doutorado.pdf: 2483860 bytes, checksum: 50a1ed14dcf31cd79adfc9cd65def751 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-06-28T14:49:20Z (GMT) No. of bitstreams: 1 costa_fb_dr_ilha.pdf: 2483860 bytes, checksum: 50a1ed14dcf31cd79adfc9cd65def751 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-28T14:49:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 costa_fb_dr_ilha.pdf: 2483860 bytes, checksum: 50a1ed14dcf31cd79adfc9cd65def751 (MD5) Previous issue date: 2016-03-22 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Pró-Reitoria de Pós-Graduação (PROPG UNESP) / A busca por novas fontes renováveis de energia tem se tornado de grande apelo devido à necessidade de se reduzir os impactos ambientais. Esse interesse tem motivado a pesquisa e o desenvolvimento de células fotovoltaicas (CFs) mais eficientes e baratas. Assim, a energia solar fotovoltaica tem sido uma opção para se complementar e ampliar a geração de eletricidade. Entretanto, as células de silício cristalino (Si-c) disponíveis no mercado apresentam baixa eficiência de conversão da radiação luminosa em energia elétrica devida, principalmente, às perdas por incompatibilidade espectral entre as regiões de máxima emissão solar (região do visível - Vis) e de máxima eficiência fotovoltaica da célula de Si-c (região do infravermelho - IV). Para minimizar essas perdas e, consequentemente, melhorar a eficiência da CF, conversores descendentes de energia compostos por íons terras-raras são usados na conversão de fótons de alta energia (Vis) em fótons de menor energia (IV). Nesse ínterim, no presente trabalho foram estudadas as propriedades espectroscópicas dos íons neodímio (Nd3+) e itérbio (Yb3+) incorporados, como dopantes, no vidro telurito-tungstênio (TW). Tais propriedades foram obtidas a partir de medidas de difração de raios-X, densidade de massa, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier, Raman, absorção óptica, luminescência, excitação, evolução temporal da luminescência e lente térmica. Este estudo foi dividido em duas etapas. Primeiramente, vidros TW dopados com Nd3+ foram preparados em diferentes atmosferas, i.e., uma atmosfera ambiente e outra rica em O2, para investigação da influência dos grupos hidroxilas (OH) nas propriedades espectroscópicas de amostras com diferentes concentrações de Nd3+. A dependência com a concentração indicou que a transferência de energia do íon Nd3+ para o grupo OH foi desprezível e que a eficiência quântica luminescente do nível 4F3/2 diminuiu com o aumento da concentração de Nd3+. Posteriormente, vidros TW co-dopados com Nd3+ e Yb3+ foram preparados em atmosfera ambiente para investigação da correlação entre os íons Yb3+ e os mecanismos de conversão descendente de energia (CDE). Os resultados mostraram que a luminescência, oriunda do nível 4F3/2, diminuiu com o aumento da concentração de íons Yb3+. Simultaneamente, observou-se um aumento correspondente na emissão do Yb3+ e uma redução no calor gerado pela amostra. A transferência de energia Nd3+ → Yb3+ foi observada qualitativamente e a eficiência dessa transferência foi avaliada quantitativamente por valores do tempo de vida. Esses resultados indicam que o vidro TW co-dopado com íons Nd3+ e Yb3+ é um sistema com potencial para ser usado como material conversor descendente de energia aplicado sobre as células fotovoltaicas de Si-c. / The demand for new and renewable energy sources has been of great appeal due to the reduction of environmental impacts. This interest has motivated the research and the development of more efficient and less expensive photovoltaic (PV) cells. Thus, the photovoltaic solar energy has been an option to complement and expand the generation of electricity. However, commercialized crystalline silicon cells present low conversion efficiency of the light irradiation energy into electric energy, mainly due to the spectral mismatch between the regions of maximum solar emission (visible spectrum) and of maximum PV cell efficiency, which is in infrared region. To minimize such losses and, consequently, improve the efficiency of PV cell, down-converters with rare-earth ions in their structure are used to convert the high energy photons (at the visible - Vis) into low energy photons (at the infrared - IR). Meanwhile, in the present work we study the spectroscopic properties of neodymium (Nd3+) and ytterbium (Yb3+) ions incorporated as dopants in a tellurite-tungsten (TW) glass matrix. The characterization of the samples were obtained from measurements of X-ray diffraction, mass density, Fourier transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, optical absorption, luminescence, excitation, temporal evolution of the luminescence and thermal lens. This study was divided into two stages. Primarily, Nd3+-doped TW glasses were prepared in different atmospheres, i.e., an ambient atmosphere and in another rich in O2 to investigate the influence of the hydroxyl (OH) groups in the spectroscopic properties of samples with different concentrations of Nd3+. The results showed that the energy transfer from Nd3+ ion to the OH group was negligible. The concentration dependency indicated that the energy transference from the Nd3+ ion to the OH group was negligible. In addition, the luminescent quantum efficiency of 4F3/2 level decreased with increasing of Nd3+ concentration. Subsequently, Nd3+ and Yb3+ co-doped TW glasses were prepared in ambient atmosphere to investigate the correlation between Yb3+ ions and down-conversion (DC) mechanisms. The results showed that the luminescence of the 4F3/2 decreased as the concentration of Yb3+ was increased. Simultaneously, it was observed a corresponding increase in the emission of the Yb3+ and a reduction in the generated heat by the sample. The Nd3+ → Yb3+ energy transfer was observed qualitatively and the efficiency of such transfer was quantitatively evaluated by lifetime values. The results indicate that the co-doped TW glasses by Nd3+ and Yb3+ are systems with potential to be used as down-converter material applied to the c-Si photovoltaics cells.

Orientador: João Carlos Silos Moraes / Abstract: The demand for new and renewable energy sources has been of great appeal due to the reduction of environmental impacts. This interest has motivated the research and the development of more efficient and less expensive photovoltaic (PV) cells. Thus, the photovoltaic solar energy has been an option to complement and expand the generation of electricity. However, commercialized crystalline silicon cells present low conversion efficiency of the light irradiation energy into electric energy, mainly due to the spectral mismatch between the regions of maximum solar emission (visible spectrum) and of maximum PV cell efficiency, which is in infrared region. To minimize such losses and, consequently, improve the efficiency of PV cell, down-converters with rare-earth ions in their structure are used to convert the high energy photons (at the visible - Vis) into low energy photons (at the infrared - IR). Meanwhile, in the present work we study the spectroscopic properties of neodymium (Nd3+) and ytterbium (Yb3+) ions incorporated as dopants in a tellurite-tungsten (TW) glass matrix. The characterization of the samples were obtained from measurements of X-ray diffraction, mass density, Fourier transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, optical absorption, luminescence, excitation, temporal evolution of the luminescence and thermal lens. This study was divided into two stages. Primarily, Nd3+-doped TW glasses were prepared in different atmospheres, i.e., an ambient atmosphere and... (Complete abstract click electronic access below) / Resumo: A busca por novas fontes renováveis de energia tem se tornado de grande apelo devido à necessidade de se reduzir os impactos ambientais. Esse interesse tem motivado a pesquisa e o desenvolvimento de células fotovoltaicas (CFs) mais eficientes e baratas. Assim, a energia solar fotovoltaica tem sido uma opção para se complementar e ampliar a geração de eletricidade. Entretanto, as células de silício cristalino (Si-c) disponíveis no mercado apresentam baixa eficiência de conversão da radiação luminosa em energia elétrica devida, principalmente, às perdas por incompatibilidade espectral entre as regiões de máxima emissão solar (região do visível - Vis) e de máxima eficiência fotovoltaica da célula de Si-c (região do infravermelho - IV). Para minimizar essas perdas e, consequentemente, melhorar a eficiência da CF, conversores descendentes de energia compostos por íons terras-raras são usados na conversão de fótons de alta energia (Vis) em fótons de menor energia (IV). Nesse ínterim, no presente trabalho foram estudadas as propriedades espectroscópicas dos íons neodímio (Nd3+) e itérbio (Yb3+) incorporados, como dopantes, no vidro telurito-tungstênio (TW). Tais propriedades foram obtidas a partir de medidas de difração de raios-X, densidade de massa, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier, Raman, absorção óptica, luminescência, excitação, evolução temporal da luminescência e lente térmica. Este estudo foi dividido em duas etapas. Primeiramente, vidros TW dopado... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

A busca por alternativas viáveis de produção de energia limpa e renovável, utilizando recursos naturais, tem sido um grande desafio. Em especial, o interesse no uso da energia solar para obter energia elétrica tem aumentado. Todavia, as células solares convencionais que são confeccionadas a partir de silício cristalino (Si-c) apresentam uma eficiência de conversão limitada, principalmente, devido às perdas por incompatibilidade espectral. Sendo assim, um dos objetivos dos pesquisadores na área de fotovoltaicos tem sido converter eficientemente fótons da região do visível do espectro solar para a região do infravermelho, onde a célula solar de Si-c possui maior eficiência. A eficiência desta conversão poderia ser melhorada de 28% até 40% usando conversores de energia compostos por íons terras raras. Neste trabalho foram estudadas as propriedades espectroscópicas dos íons terras raras Térbio (Tb3+) e Itérbio (Yb3+), embebidos em três diferentes materiais: vidro aluminosilicato de cálcio com baixa concentração de sílica (7%) (LSCAS), vidro tetraborato de cálcio-lítio (Calibo) e nano-cristais de óxido de zircônia (ZrO2). Sendo assim, nossos estudos visam elucidar os mecanismos geradores dos processos de conversão ascendente e descendente de energia. No processo de conversão ascendente de energia há conversão dos fótons de excitação de baixa energia na região do infravermelho em fótons de alta energia na região do visível. Por outro lado, no processo de conversão descendente de energia ocorre a conversão dos fótons de excitação de alta energia na região do ultravioleta/visível em um ou mais fótons de baixa energia na região do infravermelho. As propriedades espectroscópicas dos materiais estudados foram discutidas a partir das medidas de absorção, luminescência, excitação, evolução temporal da luminescência, curva de potência, difração de raios-X, X-Ray Absorption Near Edge Structure e ressonância paramagnética eletrônica, em função da concentração dos íons Tb3+ e Yb3+. Os resultados mostraram que todas as amostras apresentam conversão ascendente de energia. Assim como, em todas as amostras ocorre o processo de conversão descendente de energia. Em ambos os processos foram identificados os mecanismos geradores dos mesmos. Estes resultados mostram um avanço nos estudos dos processos de conversão ascendente e descendente de energia em sistemas co-dopados com íons Tb3+ e Yb3+. Os resultados sugerem que os materiais estudados podem ser empregados para aumentar a eficiência de conversão da célula solar de Si-c via conversão descendente de energia. / The search for possible alternatives to produce clean and renewable energy using the natural resources has been a great challenge. In particular, the interest to use the solar energy to produce electricity has been increased. However, crystalline silicon-based (c-Si) conventional solar cells have limited conversion efficiency, mainly due to spectral mismatch losses. Thus, one of the goals of some researchers in the photovoltaic field has been to efficiently convert photons in the visible region of the solar spectrum to the infrared region, where the c-Si solar cell has its higher efficiency. The efficiency of this conversion could be enhanced from 28% up to 40% using energy converters based on rare-earths ions. In this work, the spectroscopic properties of rare earth ions, such as Terbium (Tb3+) and Ytterbium (Yb3+) embedded in three different materials were studied: low- silica calcium aluminosilicate glass (7%) (LSCAS), lithium calcium tetraborate glass (Calibo) and zirconium oxide nano-crystals (ZrO2). Thus, our studies aimed to elucidate the mechanisms that generate the Up-conversion and Down-conversion processes. In the Up-conversion process, there is the conversion of the low-energy excitation photons in the near-infrared to high-energy photons in the visible. On the other hand, in the Down-conversion process there is the conversion of the high-energy excitation photons in the ultraviolet/visible region to low-energy photons in the near-infrared region. The optical properties of the studied materials were discussed through absorption, luminescence, excitation, temporal evolution of the luminescence, power curve, X-ray diffraction, X-Ray Absorption Near Edge Structure and electron paramagnetic resonance measurements, as a function of the concentration of Tb3+ and Yb3+ ions. The results showed that all samples exhibit Up-conversion process. In addition, in all samples occurs the Down-conversion process. In both processes were identified the mechanisms that produce them. These results show a breakthrough in the studies of the Up-conversion and Down-conversion processes in Tb3+ and Yb3+ co-doped systems. The results suggest that the materials are applicable in enhancing the conversion efficiency of the Si-c solar cell via NIR Down-conversion.

A busca por alternativas viáveis de produção de energia limpa e renovável, utilizando recursos naturais, tem sido um grande desafio. Em especial, o interesse no uso da energia solar para obter energia elétrica tem aumentado. Todavia, as células solares convencionais que são confeccionadas a partir de silício cristalino (Si-c) apresentam uma eficiência de conversão limitada, principalmente, devido às perdas por incompatibilidade espectral. Sendo assim, um dos objetivos dos pesquisadores na área de fotovoltaicos tem sido converter eficientemente fótons da região do visível do espectro solar para a região do infravermelho, onde a célula solar de Si-c possui maior eficiência. A eficiência desta conversão poderia ser melhorada de 28% até 40% usando conversores de energia compostos por íons terras raras. Neste trabalho foram estudadas as propriedades espectroscópicas dos íons terras raras Térbio (Tb3+) e Itérbio (Yb3+), embebidos em três diferentes materiais: vidro aluminosilicato de cálcio com baixa concentração de sílica (7%) (LSCAS), vidro tetraborato de cálcio-lítio (Calibo) e nano-cristais de óxido de zircônia (ZrO2). Sendo assim, nossos estudos visam elucidar os mecanismos geradores dos processos de conversão ascendente e descendente de energia. No processo de conversão ascendente de energia há conversão dos fótons de excitação de baixa energia na região do infravermelho em fótons de alta energia na região do visível. Por outro lado, no processo de conversão descendente de energia ocorre a conversão dos fótons de excitação de alta energia na região do ultravioleta/visível em um ou mais fótons de baixa energia na região do infravermelho. As propriedades espectroscópicas dos materiais estudados foram discutidas a partir das medidas de absorção, luminescência, excitação, evolução temporal da luminescência, curva de potência, difração de raios-X, X-Ray Absorption Near Edge Structure e ressonância paramagnética eletrônica, em função da concentração dos íons Tb3+ e Yb3+. Os resultados mostraram que todas as amostras apresentam conversão ascendente de energia. Assim como, em todas as amostras ocorre o processo de conversão descendente de energia. Em ambos os processos foram identificados os mecanismos geradores dos mesmos. Estes resultados mostram um avanço nos estudos dos processos de conversão ascendente e descendente de energia em sistemas co-dopados com íons Tb3+ e Yb3+. Os resultados sugerem que os materiais estudados podem ser empregados para aumentar a eficiência de conversão da célula solar de Si-c via conversão descendente de energia. / The search for possible alternatives to produce clean and renewable energy using the natural resources has been a great challenge. In particular, the interest to use the solar energy to produce electricity has been increased. However, crystalline silicon-based (c-Si) conventional solar cells have limited conversion efficiency, mainly due to spectral mismatch losses. Thus, one of the goals of some researchers in the photovoltaic field has been to efficiently convert photons in the visible region of the solar spectrum to the infrared region, where the c-Si solar cell has its higher efficiency. The efficiency of this conversion could be enhanced from 28% up to 40% using energy converters based on rare-earths ions. In this work, the spectroscopic properties of rare earth ions, such as Terbium (Tb3+) and Ytterbium (Yb3+) embedded in three different materials were studied: low- silica calcium aluminosilicate glass (7%) (LSCAS), lithium calcium tetraborate glass (Calibo) and zirconium oxide nano-crystals (ZrO2). Thus, our studies aimed to elucidate the mechanisms that generate the Up-conversion and Down-conversion processes. In the Up-conversion process, there is the conversion of the low-energy excitation photons in the near-infrared to high-energy photons in the visible. On the other hand, in the Down-conversion process there is the conversion of the high-energy excitation photons in the ultraviolet/visible region to low-energy photons in the near-infrared region. The optical properties of the studied materials were discussed through absorption, luminescence, excitation, temporal evolution of the luminescence, power curve, X-ray diffraction, X-Ray Absorption Near Edge Structure and electron paramagnetic resonance measurements, as a function of the concentration of Tb3+ and Yb3+ ions. The results showed that all samples exhibit Up-conversion process. In addition, in all samples occurs the Down-conversion process. In both processes were identified the mechanisms that produce them. These results show a breakthrough in the studies of the Up-conversion and Down-conversion processes in Tb3+ and Yb3+ co-doped systems. The results suggest that the materials are applicable in enhancing the conversion efficiency of the Si-c solar cell via NIR Down-conversion.