Transparent luminescent solar concentrators : new materials for enhanced device performance

In this thesis work, heavy metals free quantum dots (QDs) were synthesized and applied to transparent luminescent solar concentrators (LSCs). First, a synthesis method for fabricate CuInS$_{2}$/ZnS was developed and optimized, by tuning time and temperature and characterizing the reaction product. Afterwards, the prepared QDs were employed as luminescent dye into polymeric thin film LSCs. Five different matrices were used: PMMA, as reference, two types of PVDF and two polymeric blends PMMA-PVDF. Once the systems were optimized, a study to evaluate the performance of the devices, in terms of optical efficiency in function of the dye concentrations, was effectuated. An increase in the optical efficiency with the concentration of the QDs was found, as expected. This is mainly due to the large Stokes shift of CuInS$_{2}$/ZnS QDs that avoids re-absorption losses and their non-quenching fluorescence by aggregation. Therefore, QDs LSCs demonstrated to be a good alternative in BIPV application as transparent windows. Finally, the durability of the five systems was assessed by accelerated weathering (550h). As expected, PMMA had a low outdoor stability, against the PVDF and the blends, which proved to have an excellent long term behaviour. Thus, the interaction between QDs and fluorinated matrices has to be optimized to improved the solubility of the dye into the matrix.

Il notevole aumento di richiesta dell'energia mondiale e il rinnovato interesse per la riduzione degli agenti inquinanti ha fatto si che il campo delle energie rinnovabili abbia suscitato molto interesse e aspettative negli ultimi anni. In particolare, il fotovoltaico è di grande interesse in quanto sfrutta l'energia proveniente dal sole, ha un basso costo ed è facilmente implementabile. Attualmente il 90\% della tecnologia fotovoltaica è rappresentata dal silicio e il 10\% da film sottili e nuove tecnologie emergenti. I concentratori solari rappresentano una buona alternativa per ridurre i costi correlati all'enegia solare e per sfruttare al meglio lo spettro solare. I concentratori solari luminescenti consistono in un materiale luminescente all'interno di una matrice polimerica, che può essere sia deposta come coating sopra un vetro oppure usata nella sua forma bulk. Questo materiale luminescente (luminoforo) assorbe la luce solare a la ri-emette isotropicamente a lunghezze d'onda maggiori. Il vetro ha la funzione di guidare la luce emessa, attraverso il fenomeno di riflessione interna, verso i lati, dove sono posizionate celle solari che raccolgono la luce e la trasformano in energia elettrica. Il problema principale dei concentratori è legato al colore dei luminofori: la maggior parte delle molecole impegate assorbe nel visibile (rosso o giallo), rendendo le finestre colorate e di difficile impiego in edifici pubblici. Per questo motivo, negli ultimi anni la ricerca si è spostata sull'ultizzo di quantum dots come luminofori, in quanto è possibile regolare le proprietà ottiche moficando i parametri che governano il processo di sintesi (tempo e temperatura). \\ L'obiettivo di questo lavoro di tesi consiste nel realizzare concentratori solari a base di CuInS$_{2}$/ZnS quantum dots dispersi in matrice polimerica. In particolare, un metodo di sintesi colloidale è stato seguito e ottimizzato, modificando tempo e temperatura e caratterizzando il prodotto di reazione. Successivamente, i quantum dots sono stati dispersi in cinque matrici polimeriche, che poi sono state deposte su un substrato di vetro: PMMA, usato come riferimento, due tipi di PVDF e due blend tra PMMA e PVDF. Una volta che il sistema è stato ottimizzato, sono state studiate le proprietà ottiche dei dispositivi, in particolare è stata misurata l'efficienza ottica in funzione della concentrazione di luminoforo all'interno della matrice. L'efficienza ottica cresce, come previsto, con l'aumentare della concentrazione dei quantum dots. Questo fenomeno è dovuto all'ampio Stokes shift dei quantum dots, che minimizza le perdite ottiche dovute a ri-assorbimento. Ulteriormente, sono stati effettuati test di invecchiamento sui dispositivi (550h). Come previsto, PMMA ha una bassa stabilità se sottoposto ad illuminazione continua; mentre, PVDF e blend hanno dimostrato un'eccellente durabilità. In conclusione, si è dimostrato che i concentratori solari a base di quantum dots sono una buona alternativa in applicazioni dove sono richieste finestre trasparenti, ma la solubilità dei quantum dots nelle matrici fluorurate deve essere migliorata, in modo da poter aumentare ulteriormente l'efficienza dei dispositivi.