Інфрачервоний люмінофор

Реферат: Інфрачервоний люмінофор на основі кальцій скандієвого силікату, активованого іонами європію 2+ 3+ Са3Sc2Si3O12:Еu . Додатково містить Се та його хімічний склад відповідає формулі - Са3(1-ху)Еu3хСе3уSc2Sі3О12 з х= 0,01 та у= 0,001-0,01. UA 89815 U (12) UA 89815 U UA 89815 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до фізико-хімії кристалофосфорів, що випромінюють в інфрачервоний області спектра, а саме до хімії люмінофорів на основі активованих іонами європію кальцій скандієвих силікатів зі структурою гранату. Область потенційного використання інфрачервоних люмінофорів - це застосування як матеріалу для підвищення ефективності кремнієвих фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії. Відомо, що одним з недоліків кремнієвих фотоелектричних елементів є відносно низький коефіцієнт корисної дії (~29 %), що зумовлено тим, що інтенсивність сонячного випромінювання найбільш висока у видимій області спектра 390-700 нм, тоді як область найвищого спектрального відклику сучасних кремнієвих фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії знаходиться в інтервалі 600-1060 нм (див. С. Strumpel, M. McCann, G. Beaucarne, V. Arkhipov, A. Slaoui, V. Svrcek, C. del Canizo, I. Tobias. Modifying the solar spectrum to enhance silicon solar cell efficiency-An overview of available materials. // Solar Energy Materials & Solar Cells. - 2007. - V. 91. - P. 238-249). 2+ Нещодавно авторами цієї заявки на корисну модель знайдено, що активований іонами Еu Са3Sc2Si3O12 демонструє широкосмугову люмінесценцію в області 720-1100 нм з максимумом 6 7 2+ при 840 нм, яка пов'язана з переходом 4f 5d4f в іонах Eu (див. I.V. Berezovskaya, V.P. Dotsenko, A.S. Voloshinovskii, S.S. Smola Near infrared emission of Eu ions in Ca 3Sc2Si3O12. // Chemical Physics Letters. - 2013. - V. 585. - P. 11-14). Це перше спостереження інфрачервоної 2+ 2+ люмінесценції іонів Еu в будь-який сполуці. Оскільки полоса люмінесценції іонів Еu в Са3Sc2Si3O12 розташована в області найвищого спектрального відклику кремнієвих фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії можна передбачати, що оптимізований матеріал може бути використаний для підвищення їхньої ефективності шляхом перетворення короткохвильової частини сонячного світла (300-600 нм) в інфрачервоне випромінювання. Найбільш близьким до корисної моделі, що заявляється, є люмінофор загального складу 2+ Са3Sc2Si3O12:Еu , синтезований методом твердофазної реакції, що включає наступні стадії: 1) приготування стехіометричної суміші компонентів СаСО3, Sc2O3, SiO2, Eu2O3 2) розмел та змішування перелічених вище реагентів; 3) випал отриманої суміші при температурі 1300 °C протягом не менш ніж 4 години у відновлювальному середовищі (див. I.V. 2+ Berezovskaya, V.P. Dotsenko, A.S. Voloshinovskii, S.S. Smola Near infrared emission of Eu ions in Ca3Sc2Si3O12. // Chemical Physics Letters. - 2013. - V. 585. - P. 11-14.). 2+ На Фіг. 1 наведено спектр люмінесценції отриманого матеріалу складу Са3Sc2Si3O12:Еu , спектри сонячного випромінювання (AM 1.5G) та відклику кремнієвих фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії. (Спектри: 1 - сонячного випромінювання; 2 - чутливості кремнієвих фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії; 3 - інфрачервоної люмінесценції 2+ іонів Еu в Са3Sc2Si3O12). Даний люмінофор вибраний прототипом. Прототип і люмінофор, що заявляється, мають наступні спільні ознаки: 1. однакова основа люмінофору - кальцій скандієвий силікат зі структурою гранату (Са3Sc2Si3O12); 2+ 2. активатор (Еu ) та його концентрація; 3. метод синтезу - метод твердофазних реакцій, який включає приготування похідних компонентів, шляхом розмелу та змішування реагентів, випал суміші; 4. використання відновлювального середовища для запобігання окиснення іонів європію 2+ 3+ (Еu ) та церію (Се ). В основу корисної моделі, що заявляється, поставлена задача отримання люмінофору з підвищеною ефективністю для використання в кремнієвих фотоелектричних перетворювачах сонячної енергії. Поставлена задача вирішується в інфрачервоному люмінофорі, на основі кальцій 2+ скандієвого силікату, активованого іонами європію Са3Sc2Si3O12:Еu , тим, що він додатково 3+ містить Се та його склад відповідає формулі Са3(1-х-у)Еu3хСе3уSc2Sі3О12 з х= 0.01 та у= 0,0010,01. 2+ Новим у люмінофорі, який заявляється, є те що крім активатора - іонів європію (Еu ) 3+ люмінофор додатково містить церій (Се ) у концентраціях в інтервалі 0,001-0,010 ат. дол. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються, і технічним результатом, що досягається, полягає в наступному: - додавання СеО2 до реакційної суміші призводить до появи у спектрі збудження 2+ інфрачервоної люмінесценції іонів Еu смуги з максимумом при 445 нм, яка обумовлена 3+ 3+ 2+ переходом 4f → 5d в іонах Се з наступним переносом енергії від іонів Се до іонів Еu (див. Фіг. 2). Відносна інтенсивність цієї смуги суттєво зростає при застосуванні (Се) у інтервалі концентрацій (у) 0,001-0,01 ат. дол. Це дозволяє збільшити інтенсивність люмінесценції іонів 1 UA 89815 U 2+ 5 10 15 20 25 30 35 40 європію (Еu ) при збудженні в діапазоні 420-480 нм, і таким чином надає можливість підвищити ефективність кремнієвих фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії. 3+ Найбільш позитивний ефект досягається в інтервалі концентрацій Се у= 0,001-0,005 ат. дол. При концентраціях менш ніж у = 0,001 має місце лише незначний позитивний ефект, тоді як 2+ при більш високих концентраціях у0.01 інтенсивність інфрачервоної люмінесценції іонів Еu починає зменшуватися. Отримання люмінофорів на основі кальцій скандієвих силікатів зі структурою гранату, активованих іонами європію та церію, здійснюється за прикладами 1-4. Приклад 1. Для синтезу 10 г люмінофора складу Са3(1-х-у)Еu3хСе3уSc2Sі3О12 (x=0.01, у=0.005) розраховані за рівнянням реакції кількості карбонату кальцію СаСО 3 (6030.6 мг), оксиду скандію Sc2O3 (2841,4 мг), нанорозмірного діоксиду кремнію SiO2 (3713.8 мг), оксиду європію Еu2О3 (107.71 мг), діоксиду церію СеО2 (52,69 мг) та поміщають у скляну ємність і змішують в етиловому спирті (або дистильованій воді) за допомогою магнітної мішалки протягом 15-20 хвилин. Потім фільтрують та сушать осад при температурі 105 °C. Висушений осад поміщають в шаровий млин і подрібнюють протягом 20-30 хвилин, переносять в алундовий тигель і піддають випалу при температурі 1300-1320 °C протягом 3-х годин. Після охолодження до кімнатної температури продукт подрібнюють та гомогенізують за допомогою шарового млина протягом 20 хвилин, після чого переносять в алундовий тигель і піддають повторному випалу при температурі 13001320 °C протягом 4-х годин. Випали проводять у відновлювальному середовищі оксиду карбону для чого алундовий тигель із реакційною сумішшю накривають кришкою і розміщають у тиглі більшого розміру, а простір між ними заповнюють активованим вугіллям. Для одержання матеріалу із заданим середнім розміром часток кінцевий продукт піддають ультразвуковому або механічному здрібнюванню до необхідного рівня, а потім просівають через сита. Люмінофор контролюють методами рентгенофазового і люмінесцентного аналізу. Приклад 2. 10 г люмінофору складу Са3(1-х-у)Еu3хСе3уSc2Sі3О12 (х=0,01, у=0,001) синтезували аналогічно прикладу 1 за винятком того, що до реакційної суміші вносять карбонату кальцію СаСО3 (6072,9 мг), оксиду європію Еu2О3 (108,36 мг), діоксиду церію СеО2 (10,57 мг). Приклад 3. 10 г люмінофора складу Са3(1-х-у)Еu3хСе3уSc2Sі3О12 (х=0,01, у=0,0001) синтезували аналогічно прикладу 1 за винятком того, що до реакційної суміші вносять карбонату кальцію СаСО3 (6081,8 мг), оксиду європію Еu2О3 (108,42 мг), діоксиду церію СеО2 (1,059 мг). Приклад 4. 10 г люмінофору складу Са3(1-х-у)Еu3хСе3уSc2Sі3О12 (х=0,01; у=0) синтезували аналогічно прикладу 1 за винятком того, що до реакційної суміші вносять карбонату кальцію СаСО3 (6080,6 мг), оксиду європію Еu2О3 (108,04 мг), без додавання діоксиду церію СеО2. Спектри збудження люмінесценції отриманих люмінофорів (приклади 1-4) для люм.=800 нм наведено на Фіг. 2. В табл. наведено порівняння спектрально-люмінесцентних характеристик зразків, що отримано, згідно з прикладами 1-4. Таблиця Зразок №1 №2 №3 №4 45 50 Характеристики смуги збудження люмінесценції для люм.= 800 нм І (відн. од.) mах (нм) ~445 50,2 ~445 40,0 ~445 33,9 ~445 11,6 Зразок № 1 - люмінофор складу Са3(1-х-у)Еu3хСе3уSc2Sі3О12 (х=0,01; у=0,005), (приклад 1); Зразок № 2 - люмінофор складу Са3(1-х-у)Еu3хСе3уSc2Sі3О12 (х=0,01; у=0,001) (приклад 2); Зразок № 3 - люмінофор складу Са3(1-х-у)Еu3хСе3уSc2Sі3О12 (х=0,01; у=0,0001) (приклад 3); Зразок № 4 - люмінофор складу Са3(1-х-у)Еu3хСе3уSc2Sі3О12 (х=0,01; у=0) (приклад 4). Як видно з табл. та Фіг. 2, додавання церію дозволяє підвищити інтенсивність інфрачервоної 2+ люмінесценції іонів Еu при збудженні в області 445 нм в 2,9-4,3 рази у порівнянні з інтенсивністю люмінесценції зразка, синтезованого без додавання діоксиду церію СеО 2 (див. 2 UA 89815 U Фіг. 2). Таким чином, люмінофори загального складу Са3(1-х-у)Еu3хСе3уSc2Sі3О12 (x=0,01; у= 0,0012+ 0,01) характеризуються підвищеною ефективністю інфрачервоної люмінесценції іонів Eu при збудженні в області 400-500 нм. 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Інфрачервоний люмінофор на основі кальцій скандієвого силікату, активованого іонами європію 2+ 3+ Са3Sc2Si3O12:Еu , який відрізняється тим, що він додатково містить Се та його хімічний склад відповідає формулі - Са3(1-х-у)Еu3хСе3уSc2Sі3О12 з х= 0,01 та у= 0,001-0,01. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3