Synthesis and Characterization of Novel Luminescent Polyurethanes for Photovoltaic Applications

In recent decades, social and economic crises have brought to the fore the issue of renewable energy, in which solar energy plays a significant role. Since solar cells have limited efficiency, researchers have tried to find different ways to improve the amount of energy obtained. One promising technology that combines solar energy harvesting and building-integrated photovoltaics is that of light-concentrating systems. In particular, non-imaging devices are being investigated to overcome the significant limitations of an imaging systems. A representative of this type of devices is Luminescent Solar Concentrator (LSC). This system combines down-shifting and waveguiding of incident radiation to increase the amount of exploitable light reaching the solar cells. In this work, new copolymers based on polyurethanes were synthesized from luminescent monomers and used as coatings on LSCs in the thin-film configuration. The aim of this thesis is to design a new LSC material platform with enhanced performance, exploiting the mechanism of Förster-resonance energy transfer (FRET). In particular, two novel hydroxyl-functionalized molecules were employed as donor-emitter pairs for the energy transfer process within the polyurethane polymer matrix. Such polyurethanes were synthesized through step-growth polyaddition reaction between isophorone-diisocyanate and a hydroxyl-terminated oligomer, with the two fluorescent molecules and a non-luminescent diol molecule acting as chain extenders. The two luminophores were added as chain extenders during the synthesis process, followed by the addition of the non-luminescent diol. The synthesized polyurethanes were characterized in terms of molecular, optical, and thermal response prior to device fabrication. LSC devices were then fabricated by spin coating the as-synthesized luminescent polyurethanes on optically-clear glass substrates and were characterized in terms of of optical and photovoltaic efficiencies. It was determined that the energy transfer mechanism is beneficial for the efficiency of the photovoltaic system and that direct in-chain polymerization of the luminophores in the polymer backbone is a viable process for fabricating such luminescent devices.

Le recenti crisi sociali ed economiche hanno portato, negli ultimi anni, ad un crescente interesse nell'ambito delle energie rinnovabili, tra le quali l'energia solare ricopre un ruolo primario. Dal momento che le celle solari sono caratterizzate da una efficienza limitata, recenti studi si sono concentrati sul trovare alternative per aumentare la quantità di energia ottenibile. Una promettente soluzione, in grado di combinare la raccolta di energia solare all'integrazione del fotovoltaico negli edifici, è rappresentata dai sistemi di concentrazione della luce. Tra questi, i dispositivi ottici senza immagine sono di particolare interesse, poiché permettono di superare i problemi relativi alle limitazioni del campo angolare del sistema. Un esempio di questo genere di dispositivi è rappresentato dai concentratori solari luminescenti (LSC); questi sistemi combinano la conversione di fotoni a lunghezze d'onda superiori e il loro trasporto in modalità guida d'onda per aumentare la quantità di radiazione utile che raggiunge le celle solari. In questo lavoro di tesi, sono stati sintetizzati nuovi copolimeri a base di poliuretani, a partire da monomeri luminescenti, e utilizzati come rivestimenti per LSC in configurazione a film sottile. L'obiettivo del progetto è quello di sviluppare una nuova classe di materiali luminescenti per LSC in grado di sfruttare il meccanismo del trasferimento di energia (Förster-resonance energy transfer - FRET) tra due diverse molecole luminescenti. In particolare, due nuove molecole luminescenti, funzionalizzate con gruppi terminali idrossilici, sono state impiegate come coppia donatore-emettitore per il processo di trasferimento di energia. I sistemi poliuretanici sono stati sintetizzati tramite una reazione di poliaddizione a stadi tra isoforone diisocianato e un oligomero a terminazione idrossilica, con le due molecole fluorescenti e un diolo non luminescente come estensori di catena. I due luminofori sono stati aggiunti come estensori di catena durante il processo di sintesi, seguiti dall'aggiunta del diolo non luminescente. I poliuretani così prodotti sono stati caratterizzati dal punto di vista molecolare, ottico e termico prima della fabbricazione del dispositivo. I dispositivi LSC sono stati fabbricati tramite spin coating dei rivestimenti poliuretanici su substrati in vetro di qualità ottica e sono stati caratterizzati dal punto di vista ottico e fotovoltaico. I risultati della caratterizzazione hanno mostrato che il meccanismo di trasferimento di energia sia vantaggioso per l'efficienza del sistema fotovoltaico e che l'aggiunta delle molecole fluorescenti all'interno della catena polimerica tramite polimerizzazione diretta rappresenti un processo percorribile per la fabbricazione di questa tipologia di dispositivi solari luminescenti.