Influência da incorporação de íons Zr4+ na emissão térmica fotoinduzida de PrO2

Abstract

O rápido desenvolvimento de tecnologias fotovoltaicas é impulsionado pela crescente demanda por energias renováveis. Atualmente as tecnologias de conversão de energia solar são limitadas por fraca resposta a fótons solares de baixa energia. Uma maneira de superar essa limitação é desenvolver materiais e métodos que possam converter eficientemente fótons de baixa energia em fótons de alta energia. Diante disso, a emissão térmica fotoinduzida vem sendo explorada com o objetivo de melhorar o desempenho de células solares, através da conversão de fótons na região do infravermelho próximo (NIR) de baixa energia em luz visível. Aqui, relatamos que a síntese via métodos Pequini de óxidos de lantanídeos (PrO2) contendo ZrO2, em escala nanométrica, foi realizada com sucesso, onde apenas a fase cúbica do PrO2 foi observada, mesmo quando estabilizada com diferentes concentrações de ZrO2. A síntese permitiu preparar pó de complexos com controle estequiométrico, em baixas temperaturas, baixo custo e alta pureza. Observou-se que a fração molar de ZrO2 influência no tamanho de partículas, parâmetros de rede, bem como nas propriedades ópticas do PrO2, que apresentam absorção ampla infravermelho. Observou-se que a amostra PZ10 apresentou menores tamanhos de partículas, enquanto a PZ30 as maiores, com a seguinte tendência observada para os tamanhos: PZ10 <PZ5 <PrO2 <PZ20 <PZ30. Todos os mix apresentaram estreitos intervalos de band gap, que juntamente com a alta energia de fônon, atuam de forma eficiente para auxiliar no processo de emissão térmica. Observou-se que o intervalo de band gap 1,63 eV (PZ5), 1,65 eV (PZ10), 1,67 eV (PZ20) e 1,72 eV (PZ30) aumentam mais de 0,1 eV do PrO2 para PZ5 e depois aumenta constantemente com a incorporação de Zr4+. Esses materiais apresentam emissão térmica brilhante quando excitados a 980 nm (CW), com ampla distribuição espectral do visível ao IR. Os ajustes de Planck foram ideais, apresentaram boa correlação com o modelo teórico e estimaram uma temperatura absoluta máxima de ~1650 K sob excitação de 1.1W para o sistema PZ10, exibindo emissão de luz brilhante estável. A emissão térmica pode ser ajustada a partir da modulação da densidade de potência do laser. Quando comparado ao PrO2 puro, a presença de íons Z4+ auxiliam no processo de emissão térmica, na absorção de fótons, transferindo energia para rede hospedeira, e na acumulação de fônons. Comparado com partículas de Reyleigh, os sistemas seguiram comportamento de corpo negro e não de corpo cinza, onde uma diferença de ~700 K foi observada, caracterizando-os como um corpo negro. Diante disso, a emissão térmica fotoinduzida foi explorada com o objetivo de melhorar o desempenho de células solares, convertendo fótons infravermelhos de baixa energia em luz visível. Com potencial emissor para aplicações termofotovoltaicas, mostramos que a incorporação de materiais com alto ponto de fusão, estabilidade química e baixa condutividade térmica facilitam o processo de emissão térmica fotoinduzida, que é uma rota atraente para a conversão ascendente de energia de fótons, com eficiências maiores do que as da conversão ascendente de transferência de energia, quando a excitação laser de ondas contínuas.