Multifunctional polymeric coatings for efficient luminescent solar concentrators

In the last twenty years the research on the capability of harnessing energy from renewable sources has increased exponentially, with solar photovoltaic leading the way. In this scenario, cities continue to grow and with them their energetic demand. One straightforward solution to this constant quest for energy would be the integration of photovoltaic technology in buildings, with luminescent solar concentrators. Thanks to their simple but yet effective architecture LSC’s technology has in principle what it takes to integrate seamlessly the photovoltaic technology in the built environment. Since the first appearance of this concept by Weber and Lambe in the 70s, much has been accomplished. The possibility of using cheap and versatile materials like polymers in combination with high performance dyes has made the transition of LSC from theory to everyday application more viable. The goal of this work was to develop a fully polymeric functional LSC coating, that relies on the Forster energy transfer mechanism between two luminophores to better exploit the solar spectrum. The first dye, a derivative of hydroxy coumarin was incorporated through direct polymerization in the polymeric skeleton, whereas the second one, a modified perylene diimide, was chemically linked to the interpenetrated network. The functionalization of perylene diimide resulted very challenging, with the percentage of perylene in the synthetized polycaprolactone resulting too low for practical application. An aggregation induced emission dye (AN504) was selected as substitute acceptor luminophore in the FRET system, thanks to its optimal compatibility with the waveguide material. The occurrence of FRET was demonstrated and proved to be beneficial for the performance of the final LSC. In addition to the fluorescent properties the designed host matrix was imparted with antifogging properties. Several authors have observed that the fogged state is detrimental for the performance of many optical devices, and luminescent solar concentrators are no exception. The luminescent antifogging waveguides were found to preserve their single edge output power also in fogging condition as compared to other standard matrix materials like PMMA, thus maintaining their excellent performance even in severe conditions.

Negli ultimi vent’anni la capacità di accumulare energia da sorgenti rinnovabili è aumentata esponenzialmente, con l’energia fotovoltaica responsabile per il maggiore progresso. In questo scenario le città sono in continua crescita e con loro la spesa energetica. Un’ovvia soluzione a questa incessante richiesta di energia consisterebbe nell’integrare completamente l’energia fotovoltaica con gli edifici, ottenendo un sistema di città energeticamente autosufficienti. Tentativi in questa direzione sono già stati messi in atto con l’aumento dei metri quadri di tetti equipaggiati con pannelli fotovoltaici. Questo approccio ha riscontrato particolare successo nelle zone a bassa densità di popolazione, ma nelle grandi città dove lo spazio sui tetti è limitato, questa soluzione non risulta praticabile. Un’ovvia alternativa consisterebbe nello sfruttare le migliaia di chilometri di area superficiale delle finestre, che al momento sono esclusivamente adibite all’ingresso della radiazione luminosa. Questa integrazione invisibile con le finestre degli edifici potrebbe essere raggiunta mediante l’utilizzo dei concentratori solari luminescenti. Gli LSC consistono in guide d’onda contenenti luminofori che assorbendo e riemettendo la radiazione solare ne permettono il convogliamento verso pannelli fotovoltaici posti ai bordi. La sviluppo di materiali poco costosi e versatili per le guide d’onda e fluorofori ad alte prestazioni ottiche renderebbe l’impiego degli LSC a livello industriale una realtà. Lo scopo di questo lavoro consiste nel realizzare un LSC polimerico dotato di funzionalità antifogging e basato sul meccanismo di FRET tra due luminofori per sfruttare una porzione più estesa dello spettro solare. Il primo luminoforo, un derivato di un’idrossi cumarina, è stato incorporato direttamente nella catena polimerica della matrice, mentre il secondo, un perilene diimide funzionalizzato, è stato legato chimicamente alla catena di interpenetrazione. La funzionalizzazione del perilene è risultata estremamente impegnativa, in particolare la quantità di perilene effettivamente incorporata nelle catene di policaprolactone è risultata troppo bassa per permetterne l’utilizzo. In sostituzione un cromoforo a emissione indotta dall’aggregazione (AN504) è stato selezionato come accettore nel sistema FRET con la cumarina incorporata nel polimero. La sua compatibilità con il sistema antifogging è risultata essere eccellente, e i valori di efficienza dei dispositivi basati sul polimero antifogging sono risultati confrontabili con quelli basati sullo standard di PMMA. Il trasferimento energetico mediante FRET tra i due luminofori è stato osservato e si è dimostrato vantaggioso per l’efficienza finale del dispositivo. In aggiunta alle proprietà di fluorescenza il polimero è stato provvisto di funzionalità anti appannamento (antifogging). È ben noto che l’appannamento non permette il normale funzionamento di molti dispositivi ottici e può essere spesso correlato da una riduzione dell’efficienza degli stessi. I coating sviluppati in questo lavoro basano la loro proprietà di antifogging su di un delicato equilibrio tra componente idrofobica e idrofilica. Questo specifico tipo di composizione permette di mitigare l’effetto dell’appannamento evitando la formazione di goccie di condensa, che normalmente causerebbero la diffrazione della luce. È stato riscontrato che i concentratori solari luminescenti fatti di materiali standard come il polimetilmetacrilato, durante lo stato di appannamento, subiscono una diminuzione apprezzabile nella potenza luminosa emessa dagli spigoli. Questa riduzione è risultata essere estremamente ridotta nel caso del polimero antifogging sviluppato in questo lavoro, rendendolo un candidato ideale come materiale di per guide d’onda.