Novel copolymers for enhanced energy transfer in luminescent solar concentrators

In order to counter the effects of global warming and climate change, the research world has shifted its focus to renewable and sustainable energy. In particular, solar energy technologies have developed exponentially, due to advancements that reduced their cost and increased their efficiency. A technology that strives to conjugate the harvesting of solar energy and the need for aesthetically pleasing solutions in urban environments is represented by luminescent solar concentrators (LSCs). Being built on a very simple architecture, they can be easily integrated into buildings and facades, and their transparency is a great advantage of this technology. In this work, novel copolymers based on methyl methacrylate and luminescent monomers with a methacrylate functionality are synthesized and used as host matrices for luminescent solar concentrators. The focus of the thesis is to exploit the energy transfer mechanisms between dyes in order to increase the area of the solar spectrum harvested by the LSC device. In particular, coumarin methacrylate was selected as the donor fluorophore while the acceptor molecule was obtained by adding the methacrylate functionality to a custom perylene diimide molecule synthesized by the University of Milan. The luminescent monomers were end-capped with 2-isocyanatoethylmethacrylate via urethane bond formation reactions and utilized as co-monomers in various concentrations in free-radical random polymerization reactions with methyl methacrylate. The LSC devices fabricated by spin-coating the copolymers on glass slabs were characterized via various techniques to demonstrate the occurrence of the energy transfer mechanism, to measure their optical and photovoltaic efficiencies, and to assess their colour spectrum and average visible-light transmissivity. It was established that the energy transfer mechanism is beneficial for the efficiency of the devices and that direct polymerization of the luminophores in the polymeric chain is a viable way to reduce luminophore losses by quenching and reabsorption.

Per contrastare gli effetti del riscaldamento globale e del cambiamento climatico, il mondo della ricerca ha spostato l’attenzione su forme di energia rinnovabili e sostenibili. In particolare, le tecnologie per l'energia solare si sono evolute notevolmente, grazie a svariati progressi che ne hanno ridotto i costi e ne hanno aumentato l'efficienza. Tra le tecnologie che hanno l’obiettivo di coniugare la raccolta di energia solare e la necessità di soluzioni esteticamente gradevoli all’interno di ambienti urbani spiccano i concentratori solari luminescenti (LSC). Essendo basati su un'architettura molto semplice, possono essere facilmente integrati in edifici e facciate, data la loro trasparenza, grande vantaggio di questa tecnologia. In questo lavoro viene descritta la sintesi di nuovi copolimeri basati su metilmetacrilato e monomeri luminescenti con funzionalità metacrilica, utilizzati come matrici per concentratori solari luminescenti. Il focus della tesi è di sfruttare i meccanismi di energy transfer (FRET) tra i luminofori al fine di allargare l'area dello spettro solare raccolto dal dispositivo LSC. In particolare, la cumarina metacrilata è stata selezionata come fluoroforo donatore mentre la molecola accettore è stata ottenuta aggiungendo la funzionalità del metacrilato ad una formulazione custom di perilene diimmide sintetizzata dall'Università degli Studi di Milano. I monomeri luminescenti sono stati terminati all'estremità con 2-isocianatoetilmetacrilato tramite reazioni di formazione di legami uretani e utilizzati come comonomeri in varie concentrazioni in reazioni di polimerizzazione random free-radical con metilmetacrilato. I dispositivi LSC fabbricati mediante spin-coating dei copolimeri su lastre di vetro sono stati successivamente caratterizzati tramite svariate tecniche per dimostrare il verificarsi del meccanismo di energy transfer, per misurare le loro efficienze ottiche e fotovoltaiche e per valutare il loro spettro di colorimetria e la loro average visible-light transmissivity. È stato stabilito che il meccanismo di energy transfer ha un effetto positivo sull'efficienza dei dispositivi e che la polimerizzazione diretta dei luminofori all’interno della catena polimerica è un metodo percorribile per ridurre le perdite di efficienza dei luminofori mediante fenomeni di quenching e riassorbimento.