Materials and technologies for improvement of optical efficiency in luminescent solar concentrators

The aim of this work is the improvement of the optical efficiency of luminescent solar concentrators (LSCs). Three different approaches have been studied, based on different mechanisms of efficiency enhancement. At first a double thin film LSC have been developed in order to broaden the spectral absorption of the device. This structure consists of a red luminescent photopolymer layer spin coated on a glass substrate, covered by a luminescent violet PMMA layer. This device absorbs more photons than a single layer LSC and radiative energy transfer between the two layers has been demonstrated by fluorescence spectroscopy. In particular, the highly energetic photons absorbed by the upper violet layer, which otherwise would not be absorbed by the red layer, are reemitted and transferred to the red layer, which then reemits them in the glass waveguide. In terms of optical efficiency, this photons transfer mechanism results in an improvement of 5% with respect to a single red thin film LSC. The second approach is based on the reduction of self-absorption losses by patterning of the luminescent thin film coating. The patterning of the surface reduces the coverage area of the device with an increase in the relative optical efficiency, limiting self-absorption events. Line patterned LSCs have been obtained by photolithography with four different pattern inclinations (0°, 30°, 45°, 60°) and with four different coverage areas (20%,30%,50%,70%). The effects of the different patterns on the relative optical efficiency and on the electrical output of the LSC have been investigated. The different inclinations do not affect the LSC performances, which depend mostly on the luminescent coverage of the waveguide. The relative optical efficiency increases with the reduction of the surface coverage, while the short circuit current increases with the increase of surface coverage. Finally, a preliminary study on a plasmonic nanostructure, which can be used for enhancing the fluorescence of the LSC, has been developed. Core-shell nanostructures have been synthetized covering silver nanospheres, around 100nm size, with a silica shell, with variable thickness. The external silica surface was then functionalized using a mercapto silane agent. The resulted thiolated silver-core silica-shell nanostructures can be coupled with luminophores for metal enhanced fluorescence investigation.

L’obbiettivo di questo lavoro di tesi è lo studio di materiali e tecnologie per aumentare l’efficienza ottica dei concentratori solari luminescenti (LSC). A questo scopo sono stati investigati tre possibili approcci di innalzamento dell’efficienza del dispositivo basati sull’allargamento dello spettro di assorbimento della superficie fluorescente, sulla riduzione delle perdite per auto assorbimento e sull’aumento della fluorescenza. Per allargare lo spettro di assorbimento del dispositivo e quindi aumentare la raccolta di fotoni incidenti, è stata sviluppata una struttura a doppio strato luminescente deposta tramite spin coating. Un primo strato di fotopolimero, additivato con una molecola fluorescente rossa, è stato depositato sul substrato di vetro e ricoperto con un film sottile di PMMA, additivato con una molecola fluorescente viola. In tal modo la presenza di due specie assorbenti in diversi zone dello spettro solare, permette al LSC di raccogliere un maggior numero di fotoni. Inoltre, data la sovrapposizione tra lo spettro di emissione dello strato viola e lo spettro di assorbimento dello strato rosso, si verifica un trasferimento di fotoni dallo strato superiore a quello inferiore. Ciò sta a significare un aumento dell’emissione di fotoni dello strato rosso, come è stato verificato tramite spettroscopia di fluorescenza. L’aumento dell’emissione del polimero fluorescente rosso dipende dello spessore del film di PMMA, additivato di viola, che lo ricopre. Maggiore è lo spessore dello strato superiore, maggiore è l’aumento di emissione dello strato sottostante. Questo aumento di emissione di fotoni ha portato ad un aumento dell’efficienza ottica del 5%. Il secondo studio effettuato punta alla riduzione delle perdite per auto-assorbimento attraverso una diminuzione della superficie fluorescente, in modo da ridurre i possibili eventi di auto-assorbimento. Tramite fotolitografia sono stati ottenuti diversi pattern a linee con diverse inclinazioni (0°, 30°, 45°, 60°) e diverse percentuali di ricopertura superficiale (20%,30%,50%,70%). L’andamento dell’efficienza ottica relativa e della corrente di corto circuito sono stati analizzati per determinare l’esistenza di possibili dipendenze rispetto all’inclinazione del pattern. Né l’efficienza ottica relativa né la corrente di corto circuito sono influenzate dall’inclinazione del pattern, mentre dipendono in maniera evidente dalla superficie ricoperta. L’efficienza ottica relativa aumenta al diminuire della superficie fluorescente, mentre la corrente di cortocircuito diminuisce. L’ultimo lavoro di questa tesi consiste in uno studio preliminare di una nanostruttura plasmonica che può portare all’innalzamento della fluorescenza di alcuni specifici fluorofori. Sono state sintetizzate strutture core shell, in cui nanoparticelle di argento sono ricoperte da uno strato di silica. Sono stati ottenuti tre diversi spessori dello shell di silica, che saranno utili nella investigazione dell’effetto di innalzamento della fluorescenza La superficie esterna infine è stata funzionalizzata con un mercapto silano e pertanto su tutta la superficie sono presenti gruppi tioli (-SH). Tale funzionalizzazione permette di effettuare un attacco covalente di molecole fluorescenti, con doppi legami liberi nella struttura molecolare, tramite reazione click thiol-ene. In questo modo sarà possibile studiare gli effetti dell’interazione plasmonica, tra la nanostruttura e la specie luminescente, sull’eccitazione e l’emissione fluorescente del sistema.