Oggigiorno è sempre più importante capire come soddisfare la crescente domanda energetica del nostro mondo. Ci sono paesi come la Cina, l’India e il Brasile che stanno attraversando un notevole periodo di espansione sia a livello industriale che demografico. E in questi paesi, come tempo fa anche nel nostro, sta avvenendo una massiccia migrazione dalle campagne alle città. Questo fenomeno porta a un aumento della classe media e quindi a un aumento della richiesta
energetica di queste città che sono ormai metropoli. È facile immaginare l’impatto che si avrà sui consumi energetici, se come si prospetta, questo processo di industrializzazione raggiungerà ogni angolo del nostro pianeta.
In questo quadro è importante il ruolo che assume la scienza per poter soddisfare questa domanda energetica e soprattutto farlo senza l’utilizzo di energie non rinnovabili e inquinanti.
In questa tesi discuteremo dell’energia solare e in particolar modo di come sia possibile migliorare la produzione di corrente elettrica. Le celle fotovoltaiche prese in studio sono quelle in uso più comune ovvero la cui tecnologia è basata
sul silicio e sono capaci di convertire fotoni con lunghezza d’onda compresa tra
circa 300 nm e 1100 nm mentre lo spettro solare, misurato al livello del mare, comprende fotoni con lunghezze d’onda che vanno dai 250 nm fino a oltre
2500 nm.
L’intento è quello di utilizzare i cristalli come convertitori per poter, appunto,
convertire la radiazione non sfruttata dalle celle solari basate sul silicio in radiazione utile alla erogazione di corrente. Per raggiungere questo obiettivo si andranno a sfruttare le particolari proprietà ottiche dei cristalli fluoruri drogati
con ioni di terre rare. L’idea di fondo è quella di sfruttare questi cristalli come adattatori tra lo spettro solare e la massima efficienza della cella fotovoltaica.
Nel caso specifico questi cristalli sono dei convertitori spettrali nel senso che hanno la proprietà di poter trasformare fotoni con un certa lunghezza d’onda in fotoni con un’altra lunghezza d’onda. Nel dettaglio tale peculiarità si indica con la proprietà del materiale di assorbire fotoni in un spettro di frequenze per poi ottenere una emissione della radiazione in un altra regione spettrale diversa da quella di assorbimento tramite meccanismi di trasferimento di energia interbanda tra ioni terre rare. Questi trasferimenti interbanda sono possibili grazie all’interazione degli ioni con il campo cristallino che è parzialmente schermato.
Questo schermaggio è da attribuire ai gusci più esterni degli ioni i quali creano tale effetto sugli elettroni di valenza. Quindi il campo cristallino agisce come una perturbazione e causa la rottura di simmetria del sistema rendendo accessibili transizioni di questo tipo.
La tesi è incentrata su una prima parte dedicata allo studio dei meccanismi di conversione della radiazione da parte dei cristalli. Saranno oggetto di studio tre meccanismi di conversione della radiazione. La Downconversion è un meccanismo di conversione che permette l’assorbimento di un fotone con certa energia di cui ne consegue l’emissione di due fotoni a più bassa energia. Il cristallo studiato che sfrutta questo meccanismo di trasferimento per la conversione della radiazione è il bario-yttrio-fluoro(BaY2F8) drogato con ioni di praseodimio e ytterbio. Il secondo meccanismo di conversione è chiamato Downshift è permette la conversione di un fotone in uno meno energetico e in questo caso il cristallo oggetto di studio è BaY2F8 drogato con solo ioni praseodimio. Infine il terzo meccanismo è l’Upconversion il quale consente di assorbire due fotoni e avere una conseguente emissione di un solo fotone più energetico. Il cristallo studiato
in questa tesi che converte la radiazione tramite questo fenomeno è il BaY2F8 drogato con erbio.
I campioni sono state effettuate misure spettroscopiche di assorbimento e di fluorescenza nell’intento di trovare, al variare di alcune concentrazioni di drogaggio, quelli che hanno la maggiore conversione di radiazione.
La seconda parte è dedicata alla misure di efficienza di conversione dei dispositivi cella con cristallo convertitore in opportune configurazioni. Nel caso dell’Upconversion è stata studiata anche l’efficienza di conversione da parte di micro-cristalli
