Thermo-responsive luminescent solar concentrators based on Diels-Alder host polymers

In the field of renewable energy generation, luminescent solar concentrators (LSCs) are devices capable of harvesting, absorbing and spectrally-converting solar radiation by the action of luminophores typically dissolved in a polymeric matrix deposited onto a transparent substrate (thin film configuration). In this thesis work, a smart LSC incorporating stimuli-responsive polymer with thermo-reversible crosslinking behaviour as host matrix has been developed. This has been achieved by using a dynamic chemistry approach based on Diels-Alder (DA) reaction. Precisely, the latter reaction occurred between pendant furan groups within a copolymer and functional groups of aliphatic bismaleimides so as to obtain thermo-reversible crosslinked materials. In order to find optimal properties, different types of copolymer and bismaleimides have been synthesized and fully characterized. For the choice of the final systems a complete characterization of the different crosslinked networks has been performed to verify the effectiveness of the DA process, to demonstrate the thermo-reversibility and its ability to effectively heal when subjected to thermal stimulus. Such materials have been tested as host matrices for standard luminescent species, responsible for the absorption and spectral conversion of incident sunlight. To do so, the combined system (DA polymer matrix and luminophores dissolved in it) has been deposited onto glass substrates in order to be used as LSC device in thin film configuration. Different concentrations of the luminescent species have been tested within the thermo-reversible matrices from the optical and device point of view. Absorption, emission and excitation spectra and photoluminescent quantum yield measurements have been performed and analysed. The devices efficiencies have been tested both in terms of optical power exiting from the edges of the devices and in terms of electrical power when coupled with common silicon PV cells. As expected, by increasing the concentration of luminophore inside the matrices, the highest efficiency values were found up to a certain concentration above which the performance of the device drastically decreased. In conclusion, the systems exhibited self-healing properties due to the incorporation of DA functionalities at material design stage. Moreover, the incorporation of the luminescence species enabled the employment of such materials as efficient polymeric matrices in thin film LSCs with performance comparable to other materials commonly used for these devices.

La ricerca nel campo delle energie rinnovabili è stata oggetto di approfondito studio negli ultimi anni grazie al significativo aumento di richiesta energetica e del rinnovato interesse per la riduzione degli agenti inquinanti. In particolare, il fotovoltaico può essere considerato di grande interesse in quanto sfrutta l’energia proveniente dal sole, ha un basso costo ed è facilmente implementabile. A questo proposito, concentrare la luce solare in superfici ristrette permetterebbe un’ulteriore diminuzione dei costi e un più efficiente sfruttamento dello spettro solare. In particolare, nei concentratori solari luminescenti nella configurazione di film sottile, viene depositato su un substrato di vetro un rivestimento polimerico contenente una specie luminescente in grado di assorbire la luce solare e di ri-emetterla 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 trasformandola in energia elettrica. La scelta della specie luminescente è da decenni oggetto di numerosi studi mentre la matrice polimerica in cui è contenuta ha suscitato interesse solamente in ricerche più recenti. In questa tesi è stata studiata e caratterizzata una nuova matrice polimerica con proprietà termo-reversibili date dagli addotti Diels-Alder (DA) in essa contenute. La reazione DA si osserva tra gruppi furanici pendenti da catene polimeriche e maleimmidi alifatiche bifunzionali. Il risultato della reazione è una matrice polimerica trasparente, grazie all’alifaticità delle bismaleimmidi, e con proprietà termo-reversibili e auto-riparanti se sottoposta a trattamento termico. Sia i componenti puri sintetizzati che il sistema ottenuto combinandoli sono stati attentamente caratterizzati per confermarne le proprietà. Dopo che la specie luminescente è stata aggiunta alla miscela in diverse concentrazioni, sono state studiate le caratteristiche ottiche del sistema: assorbanza, emissione ed efficienza di fotoluminescenza della coppia matrice/luminoforo sono state analizzate al variare della concentrazione della specie luminescente. Inoltre, è stata testata la prestazione dei dispositivi sia in termini di efficienza ottica (fotoni emessi dai lati del dispositivo) sia in termini di efficienza elettrica, accoppiando due lati del dispositivo a celle fotovoltaiche. Come previsto, con l’aumento della concentrazione della specie luminescente, l’efficienza del dispositivo cresce fino alla concentrazione di saturazione oltre la quale le prestazioni in termini di efficienza decrescono significativamente. In conclusione, in questo progetto è stata sviluppata una nuova matrice multifunzionale in grado di riparare tagli superficiali grazie alle proprietà di termo-reversibilità del sistema; una volta testata la sua applicazione nell’ambito dei concentratori solari, il rendimento del dispositivo risulta confrontabile (a parità di densità ottica) con sistemi simili che usano una comune matrice polimerica. Tuttavia, al fine di un’effettiva applicazione di tali dispositivi, è necessario attuare miglioramenti in termini di spessore del rivestimento e di foto-stabilità del luminoforo all’interno della matrice.