Zadania badawcze

  PDF

W projekcie realizowane będą cztery główne zadania badawcze. Każde z nich zostało podzielone na etapy:

  • Zadanie 1. Wytworzenie luminoforów o wydajności kwantowej większej niż 100%.

Aby uzyskać taki luminofor, należy wykorzystać zjawiska cięcia kwantowego, w skrócie polegającego na tym, iż zaabsorbowany wysokoenergetyczny foton z zakresu ultrafioletu próżniowego (VUV) zostanie w naszym luminoforze podzielony na dwa niskoenergetyczne fotony. Luminofor będzie emitował światło w trzech podstawowych kolorach: niebieskim, zielonym oraz czerwonym, których dobranie w odpowiednich proporcjach pozwoli na oddanie całej palety barw. Ten fizyczny proces oparty jest na zjawisku konwersji energii w dół (ang. down-conversion) i pozwala na uzyskanie wysoce wydajnych luminoforów o wydajności kwantowej znacznie przewyższającej 100 %. Typowymi parami jonów optycznie aktywnych mogą być jony gadolinu Gd3+, które służyłyby jako absorbery promieniowania VUV i jednocześnie sensybilizatory emisji innych jonów, na przykład Eu3+. Dla tej pary jonów uzyskuje się światło w zakresie czerwonym, a więc podstawowy luminofor czerwony. W podanym przypadku wydajność kwantowa wynosi aż 190 %. Wysiłki pierwszego zadania projektu są więc skierowane bezpośrednio na znalezienie przede wszystkim nowych matryc krystalicznych, które po odpowiednim domieszkowaniu parami jonowymi będą w stanie osiągać bardzo wysokie wydajności konwersji energii na światło widzialne.

Etapy:

Etap 1. Modelowanie luminoforów fluorkowych.
Etap 2. Przygotowanie i synteza luminoforów fluorkowych.
Etap 3. Analiza strukturalna luminoforów fluorkowych.
Etap 4. Diagnostyka metodami spektroskopii wysokociśnieniowej luminoforów fluorkowych.
Etap 5. Analiza właściwości emisyjnych i absorpcyjnych luminoforów fluorkowych.
Etap 6. Wyselekcjonowanie materiałów o parametrach spełniających podstawowe wymagania luminoforów wzbudzanych promieniowaniem w zakresie ultrafioletu próżniowego.

  • Zadanie 2. Wytworzenie wydajnych energetycznie luminoforów o wysokim CRI.

Postawiliśmy sobie za cel w projekcie NEW LOKS opracowanie nowych i wydajnych energetycznie luminoforów o wysokim współczynniku odwzorowania barw CRI (ang. Color Rendering Index). Opisuje on zdolność źródła światła do reprodukcji kolorów w stosunku do najbardziej dla nas naturalnego światła słonecznego, tzn. w uproszczeniu źródło światła o CRI 100 ma takie widmo jak widmo słoneczne.

Konsorcjum NEW LOKS prowadzi prace nad wynalezieniem luminoforu, którego widmo emisji będzie jak najbardziej zbliżone do widma światła słonecznego, co w konsekwencji pozwoli na osiągnięcie współczynnika CRI zbliżonego do 100 w nowoczesnych źródłach światła.

Etapy:

Etap 1. Modelowanie luminoforów tlenkowych o szerokopasmowej emisji w zakresie widzialnym.
Etap 2. Przygotowanie i synteza luminoforów tlenkowych o szerokopasmowej emisji w zakresie widzialnym.
Etap 3. Analiza strukturalna luminoforów tlenkowych o szerokopasmowej emisji w zakresie widzialnym.
Etap 4. Diagnostyka metodami spektroskopii wysokociśnieniowej luminoforów tlenkowych o szerokopasmowej emisji w zakresie widzialnym.
Etap 5. Analiza właściwości emisyjnych i absorpcyjnych luminoforów tlenkowych o szerokopasmowej emisji w zakresie widzialnym.
Etap 6. Wyselekcjonowanie najbardziej wydajnych luminoforów o szerokopasmowej emisji w zakresie widzialnym.

  • Zadanie 3. Wytworzenie luminoforów o efekcie antenowym.

Nadrzędnym celem trzeciego zadania projektu NEW LOKS jest zaproponowanie nowych substancji emitujących światło w zakresie widzialnym, ale wykorzystującym układy bazujące na organicznych związkach kompleksowych pierwiastków ziem rzadkich charakteryzujących się występowaniem zjawiska antenowego, które to w sposób drastyczny poprawia wydajność kwantową takiego luminoforu. Ponieważ zgodnie z przesłankami teoretycznymi, przejścia elektronowe wykorzystywane do generacji emisji jonów lantanowców są bardzo słabe, toteż ich zdolność do absorpcji promieniowania wzbudzającego jest również niewielka. Dlatego też w celu przezwyciężenia tej poważnej niedogodności, jony te można połączyć z takimi molekułami organicznymi, zawierającymi specjalne grupy zwane grupami chromoforowymi, które będą działały jako swoiste anteny bardzo silnie absorbujące światło i przekazujące tą energię bezpośrednio do jonu lantanowca zwiększając tym samym jego wydajność kwantową. Tym samym celem zadania trzeciego jest znalezienie nowych wysoko wydajnych luminoforów bazujących na układach organicznych związków kompleksowych z pierwiastkami ziem rzadkich do zastosowań w nowoczesnych źródłach oświetleń takich jak diody OLED (organiczne diody LED).

Etapy:

Etap 1. Modelowanie luminoforów organicznych o efekcie antenowym domieszkowanych lantanowcami.
Etap 2. Przygotowanie i synteza materiałów luminoforów organicznych o efekcie antenowym domieszkowanych lantanowcami.
Etap 3. Analiza strukturalna luminoforów organicznych o efekcie antenowym domieszkowanych lantanowcami.
Etap 4. Analiza właściwości emisyjnych i absorpcyjnych luminoforów organicznych o efekcie antenowym domieszkowanych lantanowcami.
Etap 5. Wybór luminoforów organicznych o efekcie antenowym domieszkowanych lantanowcami posiadających najlepsze właściwości emisyjne.

  • Zadanie 4. Wytworzenie luminoforów do poprawy wydajności energetycznej ogniw słonecznych.

W obliczu wyczerpujących się powoli złóż węgla i ropy naftowej, coraz wyraźniej zarysowuje się potrzeba odnajdywania nowych źródeł energii. Jednym z nich jest Słońce, którego promieniowanie można przekształcić w prąd elektryczny. Słońce będzie świecić jeszcze ok. 5 miliardów lat, więc z perspektywy ludzi jest źródłem niewyczerpalnym.

Idea bezpośredniej konwersji światła słonecznego na prąd elektryczny jest bardzo atrakcyjna. W ciągu roku Ziemia oświetlana jest przez światło słoneczne o mocy 89 PW, co stanowi 6000 razy więcej mocy niż średnia konsumpcja populacji ludzkiej.

W drugim etapie projektu zostaną wynalezione luminofory do poprawy wydajności ogniw słonecznych. Dotychczas opracowane ogniwa słoneczne na bazie krzemu (Si) wykorzystują jedynie część widma słonecznego, a tym samym niewielką część energii emitowanej przez Słońce zamieniają na prąd elektryczny. Niewidzialne dla człowieka światło podczerwone (IR) oraz ultrafioletowe (UV) nie jest wykorzystywane, gdyż energia tych pasm nie jest dopasowana do czułości ogniw. Nasze luminofory zamieniałyby niewykorzystywaną część promieniowania słonecznego, na światło dopasowane do czułości ogniwa słonecznego, a zatem nadające się do przetworzenia na energię elektryczną.

W przypadku luminoforów poprawiających wydajność ogniw i koncentratorów słonecznych potrzebujemy materiału, który absorbowałby promieniowanie UV i promieniowanie podczerwone, a emitował światło widzialne. Doświadczenia nabyte przy projektowaniu luminoforów do oświetlenia i do ogniw słonecznych są komplementarne. Projekt przewiduje opracowanie luminoforów do koncentratorów słonecznych i do warstw ochraniających ogniwa.

Rozwiązaniem, które pozwoli na zwiększenie wydajności ogniw, obniży cenę za 1 kWh i przyczyni się do upiększania miast, są tzw. luminescencyjne koncentratory słoneczne. Są to kolorowe płyty szklane, na brzegach których umieszczono ogniwo słoneczne. Promieniowanie słoneczne (nawet to rozproszone) jest absorbowane przez całą płytę, a zamienione w niej na światło jest dopasowane do maksimum czułości fotodiody. Większa część wytworzonego światła podąża do fotodiody generując prąd elektryczny. Koncentratory te można by umieszczać np. w oknach budynków lub jako ich kolorowe fasady.

Etapy:

Etap 1. Modelowanie luminoforów o wąskopasmowej emisji w zakresie 1.0 – 1.4.
Etap 2. Przygotowanie i synteza luminoforów o wąskopasmowej emisji w zakresie 1.0 – 1.4 eV
Etap 3. Analiza strukturalna luminoforów o wąskopasmowej emisji w zakresie 1.0 – 1.4 eV.
Etap 4. Diagnostyka metodami spektroskopii wysokociśnieniowej luminoforów o wąskopasmowej emisji w zakresie 1.0 – 1.4 eV.
Etap 5. Analiza właściwości emisyjnych i absorpcyjnych luminoforów o wąskopasmowej emisji w zakresie 1.0 – 1.4 eV.
Etap 6. Wybór grupy najwydajniejszych luminoforów o wąskopasmowej emisji w zakresie 1.0 – 1.4 eV.

harmonogram1