Luminescent solar concentrators : device engineering and optimization via microemulsion-based polymer impregnation

In this thesis work, a process based on polymer substrate impregnation via fluorescent dye-containing microemulsions is engineered to produce LSCs with good performances and optical clarity, along with low amount of sorbed solvents. The process was engineered for constructing optimal LSCs by doping three different polymer substrates (the PMMA-based Altuglas CN and Altuglas ShieldUp and the polycarbonate Lexan Exell D) with either DTB or LR305 fluorescent organic dyes, through water/SDS/BuOH/toluene microemulsions. The impregnation conditions were optimized specifically for each polymer-dye combination. At first, the most suitable EM composition was found for each polymer-dye, based on the specific EM composition’s impregnating ability, the stability with the dye and possible interaction with the substrate’s surface. In specific cases, post-impregnation water immersion treatments were provided in order to guarantee retention of pristine optical clarity. Then, having set proper dye concentrations in the EMs, optimal impregnation times were found for the substrates to be doped with target amounts of dye and for the resulting device to have good efficiencies. Surface characteristics, optical properties and weatherability of the optimally impregnated specimens were analysed. The performances of the so-obtained LSCs were measured through photovoltaic characterization (along with same-dye bulk-doped LSCs used as benchmark) and by means of spectroradiometric measurements of the edge-guided light. To evaluate the necessity of a solvent drying treatment for removing unwanted species sorbed upon impregnation, thermal analyses were performed on impregnated samples. A mild oven drying treatment was proposed and its efficacy in removing unwanted impregnants, while leaving the dye doping level unaffected, was evaluated.

Negli ultimi anni la produzione di energia da fonti fossili è risultata essere la maggior sorgente di emissione di gas serra. Una rapida transizione verso fonti di energia rinnovabili e sostenibili è, dunque, fondamentale per contrastare il cambiamento climatico e, parallelamente, continuare a soddisfare la crescente richiesta energetica mondiale. Tra le diverse opzioni rinnovabili, il fotovoltaico è considerato particolarmente adatto per garantire la transizione, poiché permette una produzione dell’energia decentralizzata e con basso costo livellato. Un dispositivo fotovoltaico può sfruttare concentratori solari, che, indirizzando l’irraggiamento incidente su una superficie ristretta, permettono di ridurre l’area dei convertitori fotovoltaici necessari nel dispositivo e, dunque, i costi dello stesso. Tra questi, i concentratori solari luminescenti (LSC) consistono in lastre fotoattive costituite da una matrice trasparente in cui sono dispersi centri luminescenti, che assorbono parte della radiazione incidente e, collettivamente, la rimettono in maniera isotropica, in modo che parte di essa venga guidata per riflessione totale interna ai bordi della lastra, a cui sono accoppiate le celle fotovoltaiche. Gli LSC offrono nuove possibilità d’impiego per il fotovoltaico in aree urbane, sia poiché essi consentono di sfruttare efficacemente la radiazione solare diffusa, laddove quella diretta è scarsa in aree densamente edificate, sia poiché la loro trasparenza li rende facilmente integrabili con edifici e altre costruzioni. Gli LSC vengono prodotti con diverse architetture, tra cui le più comuni consistono in dispositivi drogati in bulk, in cui i luminofori vengono aggiunti durante processi di casting o estrusione della lastra e, dunque, risultano omogeneamente dispersi in essa, e gli LSC a film sottili, prodotti rivestendo un substrato trasparente, come una lastra di vetro, con un film polimerico contenente luminofori in elevata concentrazione. Un metodo alternativo per costruire LSC consiste nell’impregnazione di substrati polimerici con microemulsioni contenenti luminofori organici, ottenendo guide d’onda drogate superficialmente. Poiché il metodo consiste nell’immersione del substrato in una microemulsione opportuna per un determinato intervallo di tempo, esso non richiede alcun macchinario specifico e risulta, dunque, versatile e meno laborioso rispetto ai metodi tradizionali di drogaggio bulk e filmatura. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è di dimostrare la praticabilità dell’impregnazione tramite microemulsioni come processo in grado di produrre LSC efficienti, con buone caratteristiche ottiche e basso contenuto di solventi assorbiti. A questo scopo, si sono ottimizzati i dispositivi fabbricati a partire da tre diversi substrati polimerici, di cui due a base PMMA (Altuglas CN, Altuglas ShieldUp) e un policarbonato (Lexan Exell D), e due fluorofori organici (Lumogen F Red 305 e 4,7-di-2-tienil-2,1,3-benzotiadiazolo). I fluorofori sono stati aggiunti in specifiche concentrazioni a microemulsioni del sistema pseudo-ternario acqua/sodio dodecilsolfato/1-butanolo/toluene (con rapporto in peso tra 1-butanolo e sodio dodecilsolfato pari a 2). Come primo passo del processo di ottimizzazione, si sono scelte le composizioni di microemulsione più adatte per ogni combinazione substrato-fluoroforo, sulla base delle specifiche capacità di impregnazione, stabilità con aggiunta di fluoroforo e capacità di modificare la superficie del substrato mostrate dalle diverse composizioni prese in esame. In seguito, fissate opportune concentrazioni di fluoroforo nelle microemulsioni, si sono trovati i tempi di impregnazione ottimali per ogni combinazione fluoroforo-substrato acché le lastre drogate raggiungessero densità ottiche appropriate e buone efficienze come LSC. Tutte le lastre hanno raggiunto le caratteristiche volute con tempi di impregnazione che vanno da un minimo di 45 minuti (Altuglas ShieldUp drogato con DTB) ad un massimo di 240 minuti (Lexan Exell D drogato con DTB). Le lastre così impregnate hanno mostrato un buon mantenimento di rugosità superficiale, misurata tramite profilometria di contatto, e chiarezza ottica iniziali. Misure dell’emissione di fluorescenza locale, effettuate tramite microscopio Raman confocale, lungo la profondità di impregnazione di tali lastre hanno mostrato che l’intensità locale di fluorescenza decade andando dalla superficie verso il bulk della lastra. La maggior parte della risposta di fluorescenza viene emessa dagli strati superficiali (profondità dell’ordine di 10^2 μm per lastre di Altuglas ShieldUp, 10^1 μm per le altre), confermando che l’impregnazione via microemulsioni è una tecnica di drogaggio superficiale dei polimeri. Le prestazioni degli LSC ottimali ottenuti per impregnazione di lastre 90×90×6 mm sono state misurate tramite caratterizzazione fotovoltaica e confrontate con quelle di LSC drogati in bulk con gli stessi fluorofori. Un’analisi più approfondita delle prestazioni dei dispositivi è poi stata svolta acquisendo gli spettri d’irradianza dell’emissione dal bordo, acquisita in più punti, da cui si sono calcolate l’efficienza ottica e l’efficienza quantica esterna totali dei dispositivi. Considerando come ideale il processo di impregnazione che ha il solo effetto di drogare superficialmente i substrati polimerici senza indurre altre modifiche nella matrice polimerica, si sono misurate, tramite analisi termiche, le quantità di impregnanti assorbiti dai substrati e possibili cambiamenti indotti nella matrice polimerica, valutando dunque la necessità di un trattamento di essiccamento per rimuovere tali impregnanti. Il trattamento è risultato necessario solo per le lastre di Altuglas ShieldUp, per le quali si sono calcolate quantità di impregnanti assorbiti dell’ordine di 1-2 %wt. È poi risultato che un trattamento blando di essiccamento in stufa in vuoto (24 ore a 50°C e 20 mbar) è stato in grado di rimuovere gran parte degli impregnanti indesiderati nei due LSC a base Altuglas ShieldUp, lasciando però intatte le concentrazioni di coloranti. Infine, test di invecchiamento accelerato condotti sui dispositivi impregnati hanno evidenziato che la fotostabilità dei dispositivi dipende essenzialmente dalla fotostabilità intrinseca dei coloranti, mentre profondità di penetrazione ed effetto protettivo della matrice polimerica hanno un effetto minore, per quanto non trascurabile. Alla luce dei risultati di questo lavoro di tesi, si è dimostrato che, una volta ottimizzate le condizioni di impregnazione ed eventuali trattamenti post-impregnazione, LSC con buone caratteristiche e prestazioni possono essere prodotti tramite impregnazione con microemulsioni.