DE3305853C2 - Glass or glass-ceramic containing Yb 2 0 3, Nd 2 0 3. and Cr? 2? 0? 3? as a material for fluorescent solar collectors - Google Patents
Glass or glass-ceramic containing Yb 2 0 3, Nd 2 0 3. and Cr? 2? 0? 3? as a material for fluorescent solar collectorsInfo
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Abstract
Ein als Material für einen Fluoreszenz-Sonnensammler geeignetes Material besteht aus einem Glas oder einer Glaskeramik, die als Aktivierungsionen Yb3+ und/oder Nd3+, sowie daneben noch Cr3+ enthalten. Diese Kombination von Aktivierungsionen bewirkt, daß der Fluoreszenzsammler im Spektralbereich von 400 bis ca. 800 nm stark absorbiert und im Spektralbereich zwischen 800 und 1100 nm am stärksten fluoresziert, d. h. in dem Bereich, in welchem die am Rande des scheibenförmigen Fluoreszenz-Sonnensammlers angebrachten Solarfotozellen ihre größte Empfindlichkeit aufweisen.A material suitable as a material for a fluorescence solar collector consists of a glass or a glass ceramic which contains Yb3 + and / or Nd3 + as activation ions, as well as Cr3 +. This combination of activation ions has the effect that the fluorescence collector absorbs strongly in the spectral range from 400 to approx. 800 nm and fluoresces most strongly in the spectral range between 800 and 1100 nm, i. H. in the area in which the solar photo cells attached to the edge of the disk-shaped fluorescence solar collector show their greatest sensitivity.
Description
5 Yb2O3 5 Yb 2 O 3
3,5 Nd2O3
0,2 Cr2O3 3.5 Nd 2 O 3
0.2 Cr 2 O 3
enthält.contains.
· 3. Glas nach einem der vorstehenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Glastyp ein Silikat-, Borosilikat- oder Phosphatglas ist3. Glass according to one of the preceding claims, characterized in that the type of glass is a silicate, Borosilicate or phosphate glass is
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Glas oder eine Glaskeramik zur Verwendung als Material für fluoreszierende Sonnensammler-Platten.The present invention relates to a glass or a glass-ceramic for use as a material for fluorescent Sun collector plates.
Ein Fluoreszenz-Sonnensammler besteht aus einer fluoreszierenden Scheibe, an deren Rändern Fotozellen befestigt sind oder aus einer Kombination mehrerer solcher Scheiben. Die Scheibe soll einen Teil des kurzwelligen Sonnenspektrums möglichst vollkommen absorbieren und in langwellige Strahlung umwandeln und emittieren, für die die Fotozellen empfindlich sind, die sich am Rand der Scheibe befinden. Jedes fluoreszierende Zentrum in der Scheibe emittiert nach allen Seiten. Der Teil der Strahlung, der unter dem Winkel der Totalreflexion auf die Fläche der Platten auffällt oder einem größeren Winkel, wird vollständig reflektiert und gelangt nach mehreren Reflexionen auf die Fotozellen.A fluorescence solar collector consists of a fluorescent disc with photocells on the edges are attached or from a combination of several such discs. The disc is said to be part of the short-wave Absorb the solar spectrum as completely as possible and convert it into long-wave radiation and emit it, to which the photocells located on the edge of the pane are sensitive. Any fluorescent Center in the disk emits in all directions. The part of the radiation that is at the angle of total internal reflection falls on the surface of the plates or at a larger angle, is completely reflected and arrives after several reflections on the photocells.
Bisher werden hierfür hauptsächlich fluoreszierende Kunststoffplatten verwendet. Sie absorbieren meistens 4λ.Up to now, fluorescent plastic plates have mainly been used for this purpose. They mostly absorb 4λ .
in einem kleineren Bereich des Sonnenspektrums und fluoreszieren in einem sich daran anschließenden langer- |-in a smaller area of the solar spectrum and fluoresce in an adjoining long- | -
welligen Bereich, jedoch meist so, daß die Fluoreszenz in einem Spektralbereich beginnt, in welchem die |wavy area, but usually so that the fluorescence begins in a spectral range in which the |
Absorption noch nicht ganz abgeklungen ist (Überlagerung von Absorption und Emission). Dies vermindert den f Absorption has not yet completely subsided (superposition of absorption and emission). This reduces the f
Wirkungsgrad des Sonnensammlers. Ein weiterer Nachteil des Kunststoffes ist die Verwitterung. Sie verursacht eine Aufrauhung der Oberfläche, und damit wird die Totalreflexion beeinträchtigt.Solar collector efficiency. Another disadvantage of the plastic is the weathering. She caused a roughening of the surface, and thus the total reflection is impaired.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, fluoreszenzaktiviertes, anorganisches Glas als Sonnensammler zu
verwenden (R. Reisfeld u. Y. Kalisky, Chem. Phys. Letters 80,178,1981).
Glas hat gegenüber Kunststoff folgende Vorteile:It has also already been proposed to use fluorescence-activated, inorganic glass as a solar collector (R. Reisfeld and Y. Kalisky, Chem. Phys. Letters 80, 178, 1981).
Glass has the following advantages over plastic:
1. Man kann in Glas mehrere Aktivierungsionen einlagern, und zwar in solcher Konzentration, daß ein
besonders breiter Spektralbereich des Sonnenspektrum in einer Platte absorbiert wird (bei Kunststoff
benötigt man dafür zwei oder drei Platten), und daß die Fluoreszenz in einem Spektralbereich liegt, der
nicht durch Ausläufer oder Absorption überlagert wird.
2. Glas hat eine gute Solarisations- und Verwitterungsbeständigkeit; d. h. Fluoreszenz und Totalreflexion |1. You can store several activation ions in glass, in such a concentration that a particularly wide spectral range of the solar spectrum is absorbed in one plate (with plastic you need two or three plates), and that the fluorescence is in a spectral range that is not overlaid by streaks or absorption.
2. Glass has good solarization and weathering resistance; ie fluorescence and total reflection |
bleiben über viele Jahre erhalten. §remain for many years. §
In den bekannten Gläsern für Sonnensammler können unterschiedliche Aktivierungsionen enthalten sein, beispielsweise auch Nd3+ und/oder Yb3+.The known glasses for solar collectors can contain different activation ions, for example also Nd 3+ and / or Yb 3+ .
Aus der DE-AS 19 55 174 ist ein lumineszierender Festkörper aus Glaskeramik bekannt, der als Aktivierungsionen unter anderem Neodym, Ytterbium und Chrom enthält. Da dieses Material zu induzierter Emission fähig ist, wird es überwiegend als Lasermaterial eingesetzt.From DE-AS 19 55 174 a luminescent solid body made of glass ceramic is known which, as activation ions contains neodymium, ytterbium and chromium, among others. Because this material is capable of induced emission it is mainly used as a laser material.
Ziel der Entwicklung war, eine Kombination von Aktivierungsionen zu finden, mit der die Platte im Spektralbereich von 400 bis ca. 800 nm möglichst stark absorbiert, und die im Empfindlichkeitsbereich der üblichen Solarfotozellen aus Silizium, d. h. hauptsächlich zwischen 800 und 1100 nm, fluoresziert.The aim of the development was to find a combination of activation ions with which the plate in the spectral range from 400 to approx. 800 nm absorbed as strongly as possible, and in the sensitivity range of the usual Solar photocells made of silicon, d. H. mainly between 800 and 1100 nm, fluorescent.
Wie bereits erwähnt, sind Neodym und Ytterbium bekannte Aktivierungselemente. Neodym hat drei Fluoreszenzbanden bei 900, 1060 und 1330 nm, wovon die 1060-nm-Bande am stärksten ist. Diese Wellenlänge liegt schon im abfallenden Bereich der Empfindlichkeit der Si-Fotozelle. Etwas günstiger diesbezüglich ist das Aktivierungsion Ytterbium (Yb); es fluoresziert bei 1015 nm. jedoch hat es keine Absorption im Sichtbaren, sondern nur im nahen Infraroten (bei 900 und 970 nm). Wenn man Nd-Ionen zusammen mit Yb-Ionen in das Glas einlagen, so zeigt sich, daß die von den Nd-Ionen absorbierte Energie auf die Yb-Ionen übergeht und deren Fluoreszenz bei 1015 nm verstärkt.As already mentioned, neodymium and ytterbium are known activation elements. Neodymium has three fluorescent bands at 900, 1060 and 1330 nm, of which the 1060 nm band is the strongest. This wavelength lies already in the decreasing range of the sensitivity of the Si photocell. It is a little cheaper in this regard Activation ion ytterbium (Yb); it fluoresces at 1015 nm. However, it has no visible absorption, but only in the near infrared (at 900 and 970 nm). If you put Nd ions together with Yb ions in the glass deposits, it can be seen that the energy absorbed by the Nd ions is transferred to the Yb ions and their Increased fluorescence at 1015 nm.
Chrom absorbiert in zwei breiten Bereichen im Sichtbaren mit den Schwerpunkten um 450 nm und 650 nm und fluoresziert bei ca. 920 nm, jedoch nur schwach. Die Bedeutung des Cr-Ions liegt also in der Verstärkerfunk-Chromium absorbs in two broad areas in the visible with the focus around 450 nm and 650 nm and fluoresces at approx. 920 nm, but only weakly. The meaning of the Cr ion lies in the amplifier radio
tion. Bei gleichzeitiger Gegenwart von Cr und Nd im Glas geben die Cr-Ionen Energie an die Nd-Ionen ab und verstärken deren Fluoreszenz. Gibt man Cr- und Yb-Ionen zusammen ins Glas, so beobachtet man eine Verstärkung der Fluoreszenz der Yb-Ionen durch die Cr-Ionen. Außerdem tritt bei dieser ionenkombmation eine starke Fluoreszenzbande bei 980 nm auf. Diese Flaoreszenzbande des Yb-Ions ist nicht vorhanden, wenn das Glas mit Yb allein dotiert ist, sondern sie tritt erst auf, wenn zusätzlich Cr-ionen oder/und Nd-Ionen im Glas ■vorhanden sind. Die Fluoreszenz bei 980 nm ist für die Anwendung als Sonnensammler wichtig, weil bei dieser Wellenlänge das Empfindh'chkeitsmaximum der Siliziumfotozelle liegt Als Wirtsmaterial kann ein beliebiges Glas oder eine Glaskeramik verwendet werden, die sich durch gute Verwitterungsbeständigkeit auszeichnen und sich in Form großer Scheiben herstellen lassen. Als Beispiel sei ein Silikatglas genannt:tion. With the simultaneous presence of Cr and Nd in the glass, the Cr ions give off energy to the Nd ions and increase their fluorescence. If you put Cr and Yb ions together in the glass, one observes one Enhancement of the fluorescence of the Yb ions by the Cr ions. In addition, this ion combination occurs a strong fluorescence band at 980 nm. This flaorescence band of the Yb ion is not present when the glass is doped with Yb alone, but only occurs when Cr ions and / and Nd ions are also in the glass ■ are available. The fluorescence at 980 nm is important for the application as a solar collector, because in this case Wavelength the maximum sensitivity of the silicon photocell is. Any desired host material can be used as the host material Glass or a glass ceramic can be used, which are characterized by good weather resistance and can be made in the form of large slices. A silicate glass is an example:
Komponentecomponent
Gew.-%Wt%
SiO2 SiO 2
K2OK 2 O
Na2ONa 2 O
CaOCaO
ZnOZnO
BaOBaO
Yb2O3H-Nd2O3-I-Cr2O3 Yb 2 O 3 H-Nd 2 O 3 -I-Cr 2 O 3
67
8
7
7
4
2
567
8th
7th
7th
4th
2
5
Andere Glas- und Grundglaszusammensetzungen zeigen ähnliche Wirkung, wenn die genannten Aktivierungsionen in sie eingelagert werden.Other glass and base glass compositions show a similar effect when the activation ions mentioned be stored in them.
Der Wirkungsgrad der Fluoreszenz wird wie folgt gemessen: Das Licht einer Xenonlampe wird mit einem Interferenzfilter gefiltert, das im Sichtbaren durchlässig und im Bereich 950 bis 11OO nm undurchlässig ist. Dieses Licht fällt auf eine 5 mm dicke Probe. Ein Teil des von der Probe ausgehenden Fluoreszenzlichtes wird mit einer Linse auf eine Silizium-Fotodiode fokussiert. Dabei wird beachtet, daß das von den Flächen der Probe reflektierte Licht nicht erfaßt wird. Vor der Fotodiode befindet sich ein Farbfilterglas (RG 1000, 4 mm dick), das nur Strahlung mit Wellenlängen größer 950 nm durchläßt. Somit wird alles Fluoreszenzlicht im Spektralbereich größer 950 nm erfaßt, auf das die Fotozelle anspricht.The efficiency of the fluorescence is measured as follows: The light of a xenon lamp is with a Filtered interference filter that is transparent in the visible and impermeable in the 950 to 1100 nm range. This Light falls on a 5 mm thick sample. Part of the fluorescent light emanating from the sample is emitted with a Lens focused on a silicon photodiode. It should be noted that this is reflected from the surfaces of the sample Light is not detected. In front of the photodiode there is a color filter glass (RG 1000, 4 mm thick), which is only Lets radiation with wavelengths greater than 950 nm. Thus, all fluorescent light is in the spectral range greater than 950 nm to which the photocell responds.
In Tabelle 1 ist die Fluoreszenzintensität bei konstantem Nd-Gehalt (3,5 Gew.-%) und steigendem Cr-Gehalt angegeben. Bis 0,2% Cr2O3 nimmt sie zu, hat dort ihr Maximum und nimmt bei 0,3% wieder ab wegen der Konzentrationslöschung; d. h., bei höherer Konzentration wird der gegenseitige Abstand der Ionen geringer, und damit wird ein Teil der Anregungsenergie strahlungslos abgegeben. Bei konstantem Nd2O3-Gehalt (3,5%) und Cr2O5-Gehalt (0,2%) wird nun Yb2O3 in steigendem Maße dem Glas zugegeben (Tabelle 2). Man erkennt daraus, daß die Yb2O3-Konzentration bis 5% gesteigert werden kann.Table 1 shows the fluorescence intensity with a constant Nd content (3.5% by weight) and an increasing Cr content. It increases up to 0.2% Cr 2 O 3 , has its maximum there and decreases again at 0.3% because of the concentration quenching; ie, at a higher concentration, the mutual distance between the ions becomes smaller, and thus part of the excitation energy is emitted without radiation. With constant Nd 2 O 3 content (3.5%) and Cr 2 O5 content (0.2%), Yb 2 O 3 is now added to the glass in increasing amounts (Table 2). It can be seen from this that the Yb 2 O 3 concentration can be increased by up to 5%.
Bei 0,2% Cr2O3-Gehalt läßt eine 5 mm dicke Platte im Sichtbaren noch einen Teil des Lichtes durch. Es wurde untersucht, ob ein größerer Cr2O3-Gehalt eventuell noch eine Steigerung der Ausbeute ergibt, obwohl bereits die Konzentrationslösung bei Cr2O3-Gehalten größer 0,2% auftritt. Der Cr2O3-Gehalt wurde bei konstantem Yb2O3-Gehalt (1%) und Nd2O3-Gehalt (3,5%) gesteigert. In Tabelle 3 ist das Ergebnis zusammengestellt. Man sieht, daß bei Steigerung des Cr2O3-Gehaltes über 0,2% die Fluoreszenz abnimmt, d. h. die Konzentrationslöschung ist der überwiegende Effekt.At 0.2% Cr 2 O 3 content, a 5 mm thick plate still lets part of the light through in the visible area. It was investigated whether a higher Cr 2 O 3 content possibly still results in an increase in the yield, although the concentration solution already occurs at Cr 2 O 3 contents greater than 0.2%. The Cr 2 O 3 content was increased with constant Yb 2 O 3 content (1%) and Nd 2 O 3 content (3.5%). The result is compiled in Table 3. It can be seen that if the Cr2O3 content is increased by more than 0.2%, the fluorescence decreases, ie the concentration quenching is the predominant effect.
Die Ionenkombination Yb+ Cr (ohne Nd) ergibt im Falle der Konzentrationen von 5% Yb2O3 und 0,5% Cr2O3 eine relative Fluoreszenzintensität von 0,38. Durch Nd2O3-Zusatz wird jedoch die Ausbeute noch erheblich gesteigert, nämlich auf 0,99. Die Ionenkonzentration von 5% Yb2O3+ 3,5% Nd2O3 + 0,2% Cr2O3 hat sich als optimal herausgestellt.The ion combination Yb + Cr (without Nd) results in a relative fluorescence intensity of 0.38 in the case of concentrations of 5% Yb 2 O 3 and 0.5% Cr 2 O 3. However, the addition of Nd 2 O 3 increases the yield considerably, namely to 0.99. The ion concentration of 5% Yb 2 O 3 + 3.5% Nd 2 O 3 + 0.2% Cr 2 O 3 has been found to be optimal.
"30"30
Fluoreszenz mit steigendem Cr2O3-Gehalt bei konstantem Nd2O3-Gehalt von 3,5 Gew.-%Fluorescence with increasing Cr 2 O 3 content with constant Nd 2 O 3 content of 3.5% by weight
Cr2O3 (Gew.-%)
Fluoreszenzintensität (relat. Einheit)Cr 2 O 3 (wt%)
Fluorescence intensity (relative unit)
0,03
0,830.03
0.83
0,1
0,810.1
0.81
0,2
0,850.2
0.85
Fluoreszenz mit steigendem Yb2O3-Gehalt bei konstantem Cr2O3-Gehalt (0,2%)
und etwa konstantem Na2O3-GeIIaItFluorescence with increasing Yb 2 O 3 content at constant Cr 2 O 3 content (0.2%)
and approximately constant Na 2 O 3 gel
0,3
0,720.3
0.72
Yb2O3 (Gew.-%)
Nd2O3 (Gew.-%)
Fluoreszenzintensität (relat. Einheit)Yb 2 O 3 (wt%)
Nd 2 O 3 (wt%)
Fluorescence intensity (relative unit)
1,0 1,75 2,5 3,5 5,0 5,0 7,5 10
3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 4,0 4,0 4,0
0,85 0,88 0,91 0,94 1,0 0,99 0,98 0,941.0 1.75 2.5 3.5 5.0 5.0 7.5 10
3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 4.0 4.0 4.0
0.85 0.88 0.91 0.94 1.0 0.99 0.98 0.94
Fluoreszenzintensität mit steigendem Cr2O3-Gehalt bei konstantem YB2O3-GeIIaIt (1 %) und Nd2O3-Gehalt (3,5%)Fluorescence intensity with increasing Cr 2 O 3 content with constant YB 2 O 3 gel (1%) and Nd 2 O 3 content (3.5%)
Cr2O3 (Gew.-%) Fluoreszenzintensität (relaL Einheit)Cr 2 O 3 (% by weight) fluorescence intensity (relaL unit)
0,2 0,4 0,8 0,85 0,80 0,720.2 0.4 0.8 0.85 0.80 0.72
Claims (2)
Nd2O3: 0,5 bis 5 Gewichtsprozent
Cr2O3: 0,005 bis 0,8 Gewichtsprozent
10 Yb 2 O 3 : 0.5 to 10 percent by weight
Nd 2 O 3 : 0.5 to 5 percent by weight
Cr 2 O 3 : 0.005 to 0.8 percent by weight
10
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| DE102006062448A1 (en) | 2006-12-28 | 2008-07-10 | Schott Ag | Photovoltaic module with thin electrode- and silicon layers, for solar energy collection, includes high-refraction glass or glass-ceramic converter plate containing specified dopants |
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