Hybrid and organic photovoltaic materials and devices

Luminescent solar concentrator (LSC) has attracted worldwide attention as a possible complement to standard photovoltaic panels for the generation of electricity with a visually pleasing aspect in the urban setting. Proposing a method to minimize loss mechanisms in LSCs and increase their performance had been always a goal for LSC developers. In this PhD thesis, aspects related to the enhancement of LSC performance are presented via the use of new materials and new engineering optimization approaches for LSCs as photovoltaic devices or as photonic platforms. LSC devices were studied under standard illumination condition AM 1.5G and under illumination that are mimicking urban conditions. Consequently, LSC performance was measured under diffuse, tilting and low-power illuminations (with the use of diffuse filters or by changing the distance from the source) in order to evaluate the response of LSCs under different illumination conditions and to compare the LSC functioning with the response of conventional solar cells (Si- based). Other aspects were investigated by designing and synthesizing new waveguide matrix materials and luminescent species. The first case involved the development of novel stimuli-responsive host matrix materials for LSCs. Self-healing polymer materials were developed and tested on LSCs in thin-film configuration to improve the lifetime and stability of the LSC devices during outdoor service life. A thermoreversible polymer network based on Diels-Alder (DA) reaction was developed. Therefore, a furan-functionalized acrylic copolymer and an aliphatic bismaleimide were synthesized and mixed in order to obtain a highly transparent thermoreversible cross-linked coating with thermally induced healing abilities. The full recovery of the coating’s surface was demonstrated after the complete thermal healing of mechanically induced surface damages. In the second case heavy metal-free quantum dots (QDs) were synthesized and applied to fluorinate polymeric matrix in thin-film configuration luminescent solar concentrators. After the development, QDs were embedded in fluorinated and conventional polymeric matrix (PMMA) were studied under prolonged irradiation to prove the stability of fluorinated matrix with embedded QDs. Some key engineering factors pertaining the development of efficient LSC systems have also been considered. In particular, the fabrication and comprehensive characterization of LSCs that incorporate scattering on the backside surface by means of roughness treatment were reported. Engineering of the LSC surface was explored as a compelling alternative to traditional strategies for improving photoconversion efficiency. Detailed studies of the optical interactions between the backscatter and the LSC using experimental and computational approaches through ray-tracing simulations determined the requirements for optimal photon collection efficiencies. It is known that poor optical contact and adhesion at the LSC edge between the waveguide and the edge-mounted solar cell device may negatively affect the transmission of radiation from LSC to the solar cell, so various tests were conducted to prove the role of different types of adhesion. Ethylene vinyl acetate and polyurethane were investigated as the adhesive interface optical layers and therefore characterized for long term stability in LSC-PV devices. Additionally, theoretical analyses were conducted based on the optical properties of selected luminescent materials through ray-tracing simulations. The results obtained from the simulations were then validated by experimental evidence collected by testing actual LSC devices incorporating such interface materials. Additional ray-tracing simulations were conducted in an attempt to study the influence of increasing interface gap between the LSC and PV cell. One of the key elements of the thesis is to evaluate whether third-generation solar cells, such as organic photovoltaics (OPV), can offer advantages when coupled with LSC. One additional focus of this Ph.D. thesis was therefore on a preliminary study of the coupling between OPVs and LSCs. The activities focused on integrated systems and worked mainly on the coupling of organic photovoltaic components with state-of-the-art LSCs based on commercial dyes or proprietary dyes developed by ENI and considered of greatest interest for the development of the technology. With the design and realization of a special holder that can accommodate both LSC and OPV devices, the coupling of LSC-OPV integrated systems was successfully achieved. Finally, two different prospective applications of LSCs were explored. The first potential approach was to evaluate the feasibility of LSC-PV systems in conjunction with a photoelectrochemical cell (PEC). In this design we investigated the exploitation of a LSC comprising multiple c-Si cells connected in series and parallel as a semi-transparent device, capable of carrying out water electrolysis without an external bias. The performance of the devices was evaluated under different illumination conditions (e.g., direct vs. diffuse light) with respect to their potential use indoors. The other approach involved the use of photon up-conversion structures (UC) to support LSC systems as an alternative concept to increase the efficiency of LSC-PV devices. More specifically, a triplet triplet annihilation (TTA)-based photon UC LSC capable of emitting high-energy green light after absorbing low-energy red light was developed and used. For this UC process, the fluorophore 9,10-bispenylethynylanthrancence was selected as the emitter and the Pd-tetraphenyltetrabenzoporhyrin (PdTPTBP) complex was selected and synthesised as the triplet photosensitizer for the fabrication of the UC /LSC system. The PdTPTBP-anthracene TTA-based UC pair was meant to be incorporated into a polymeric matrix such as polyurethane to fabricate the waveguide, which will be coupled with suitable PV cells.

I concentratori solari luminescenti (LSC) rappresentano una promettente tecnologia di raccolta e gestione della luce utilizzabile come sistema ausiliario per i più comuni pannelli fotovoltaici, e in grado di favorirne una più immediata integrazione nell’ambiente urbano. Tra le sfide principali nell’ambito LSC, la minimizzazione dei meccanismi di perdita ottica e l’incremento delle prestazioni della guida d’onda rappresentano alcuni dei più importanti obiettivi tecnologici. In questa tesi di dottorato sono presentati gli aspetti relativi al miglioramento delle prestazioni degli LSC attraverso lo sviluppo e l’uso di nuovi materiali, oltre a discutere nuovi approcci di ottimizzazione ingegneristica che sfruttano gli LSC come dispositivi fotovoltaici o come piattaforme fotoniche. In questo lavoro, i dispositivi LSC sono stati studiati in condizioni di illuminazione standard AM 1.5G e in condizioni di illuminazione in grado di simulare le tipiche condizioni urbane. In particolare, le prestazioni degli LSC sono state valutate in condizioni di illuminazione diffusa, a diversi angoli di incidenza della luce e in condizioni di bassa irradianza, confrontandone la risposta con quella di tipiche celle solari convenzionali a base di silicio. Sono stati inoltre sviluppati nuovi materiali da impiegare come matrice per LSC o come specie luminescenti. Il primo caso riguarda lo sviluppo di nuovi materiali polimerici stimolo-responsivi per LSC. Tali materiali sono stati sviluppati progettati, sintetizzati e testati come matrici autoriparabili per LSC in configurazione a film sottile, in modo da migliorare la durata e la stabilità di questi dispositivi durante il loro impiego in normali condizioni di esercizio. Nello specifico, è stato sviluppato un sistema polimerico termoreversibile a base di reazione Diels-Alder (DA), costituito da un copolimero acrilico funzionalizzato con furano e un reticolante a base di bismaleimmide alifatica, combinati tra loro per ottenere un rivestimento reticolato termoreversibile altamente trasparente con capacità di autoriparazione indotta termicamente. Il completo recupero della superficie del rivestimento è stato dimostrato a seguito di un opportuno trattamento termico in grado di riparare il danneggiamento meccanico precedentemente indotto. Nel secondo caso, sono stati sintetizzati dei quantum dots (QD) privi di metalli pesanti e utilizzati come specie luminescenti incorporate in modalità host-guest in una matrice polimerica fluorurata, a formare dispositivi LSC a film sottile. Tali sistemi sono stati studiati sotto irraggiamento prolungato e le loro prestazioni sono state valutate a confronto con sistemi modello basati su polimetilmetacrilato (PMMA) come matrice. Un ulteriore aspetto investigato in questa tesi è legato allo sviluppo e all’ottimizzazione ingegneristica dei dispositivi stessi. In particolare, è stato studiato l’effetto dello scattering della luce sulle prestazioni dei dispositivi, trattando opportunamente la superficie posteriore del dispositivo per aumentarne la rugosità. Tale approccio di ingegneria della superficie è stato introdotto e studiato come alternativa scalabile alle più tradizionali strategie bottom-up per migliorare l'efficienza di fotoconversione degli LSC, tipicamente più complesse e articolate. Studi dettagliati delle interazioni ottiche tra la superficie di back-scattering e l'LSC usando approcci sperimentali e computazionali attraverso simulazioni di ray-tracing hanno determinato i requisiti per un'efficienza ottimale di raccolta dei fotoni. È noto che uno scarso contatto ottico e una cattiva adesione tra la guida d'onda e il dispositivo fotovoltaico convenzionalmente accoppiato al bordo degli LSC per la conversione fotone-elettrone possono influenzare negativamente la trasmissione della radiazione luminosa dal dispositivo LSC alla cella solare. In quest’ottica, sono stati condotti diversi test per dimostrare il ruolo di diversi tipi di strati di interfaccia e accoppiamento ottico. L'etilene vinil acetato e il poliuretano sono stati studiati come strati ottici di interfaccia adesiva e quindi caratterizzati in termini di fotostabilità a lungo termine in dispositivi LSC-PV. Sono state inoltre condotte analisi teoriche basate sulle proprietà ottiche dei materiali luminescenti selezionati attraverso simulazioni di ray-tracing. I risultati ottenuti dalle simulazioni sono stati poi validati da prove sperimentali condotte testando dispositivi LSC reali che incorporano tali materiali di interfaccia. Ulteriori simulazioni di ray-tracing sono state condotte nel tentativo di studiare l'influenza dell'aumento dello spessore dell’interfaccia tra LSC e cella fotovoltaica. Un importante elemento di questa tesi è quello di valutare se le celle solari di terza generazione, come le celle fotovoltaic organiche (OPV), possano offrire vantaggi quando accoppiate ai dispositivi LSC. Un ulteriore focus di questa tesi di dottorato è stato quindi uno studio preliminare dell'accoppiamento tra OPV e LSC. L'attività si è concentrata sui sistemi integrati e ha riguardato principalmente l'accoppiamento di componenti OPV con LSC basati su coloranti commerciali o proprietari sviluppati da ENI e considerati di maggiore interesse per lo sviluppo della tecnologia. Con la progettazione e la realizzazione di uno speciale supporto in grado di ospitare sia dispositivi LSC sia OPV, l'accoppiamento di sistemi integrati LSC-OPV è stato realizzato con successo. Infine, sono state esplorate due diverse applicazioni prospettiche degli LSC. Il primo approccio potenziale è stato quello di valutare la fattibilità dei sistemi LSC-PV in combinazione con una cella fotoelettrochimica (PEC). In questo progetto è stato valutato l’impiego di LSC-PV come dispositivo semi-trasparente in grado di effettuare l'elettrolisi dell'acqua in assenza di potenziale elettrico applicato esternamente. Le prestazioni dei dispositivi sono state valutate in diverse condizioni di illuminazione (ad esempio, luce diretta o diffusa) in relazione al loro potenziale utilizzo in interni. L'altro approccio ha coinvolto l'uso di strutture di up-conversion di fotoni (UC) per ottimizzare ulteriormente la risposta spettrale dei sistemi LSC in un’architettura di dispositivo alternativa. Più specificatamente, è stato sviluppato e utilizzato un sistema di UC basato sull'annichilazione di tripletti (TTA) di fotoni in grado di emettere luce verde ad alta energia dopo aver assorbito luce rossa a bassa energia. Per questo processo di UC, è stato selezionato il fluoroforo 9,10-bispenylethynylanthrancence come emettitore e il complesso Pd-tetraphenyltetrabenzoporhyrin (PdTPTBP) come fotosensibilizzatore di tripletto. Tali sistemi sono stati caratterizzati in maniera preliminare valutandone le principali proprietà ottiche per una futura incorporazione in matrice polimerica, al fine di ottenere un sistema LSC con proprietà UC.