Novel molecular and macromolecular architectures for efficient luminescent solar concentrators

In recent years, the global climate emergency and the increasing energy demand have contributed to an impressive development of renewable energy sources, among which solar energy has emerged as one of the most promising. In this context, luminescent solar concentrators (LSCs) represent an interesting solution for better light harvesting, management and conversion. In this thesis work, novel molecules and macromolecules were developed and employed as photonically active species for highly transparent LSC devices. The first focus of this work is on the investigation of three novel luminescent triphenylamine small molecules with different lateral substituents, as potential luminophores for LSC devices. These molecules were dispersed in a polymethyl methacrylate host matrix at varying weight percentages, and they were fully characterized in terms of optical, photonic, and photovoltaic properties, as wells as reabsorption characteristics. From these analyses, the effect of the different molecular structures of such luminescent molecules on their photonic response was elucidated. The second topic of this study concerns a newly synthesized tetraphenylethylene-based methacrylate luminophore with aggregation-induced emission features (TPEMA), which was subjected to copolymerization with methyl methacrylate at various molar concentrations. Two distinct radical polymerization methods were utilized and compared, namely Free Radical Polymerization (FRP) and a controlled polymerization through Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer (RAFT). The resulting copolymers were fully characterized in terms of molecular, thermal, and optical properties. Copolymers synthesized through RAFT polymerization exhibited controlled molecular weight distribution and enhanced thermal stability, as well as higher glass transition temperature and optical properties proportional with increasing TPEMA molar content, as opposed to the systems obtained through FRP. LSC devices were fabricated to further examine the differences among the two series. Overall, this thesis contributes to the understanding and advancement of LSC technology by introducing novel luminescent systems, exploring their potential in thin-film applications, and ensuring the fabrication of devices that are highly transparent and aesthetically pleasing.

La recente crisi climatica globale e il crescente fabbisogno energetico hanno contribuito a un forte sviluppo di nuove tecnologie basate su fonti rinnovabili, tra cui l’energia solare risulta essere una delle più promettenti. In questo contesto, i concentratori solari luminescenti (LSC) rappresentano una soluzione interessante per un maggiore approvvigionamento energetico, e una migliore gestione e conversione dell’energia solare. In questo lavoro di tesi, sono state sviluppate nuove molecole e macromolecole, ed impiegate come specie fotonicamente attive per LSC ad elevata trasparenza. Il primo obiettivo di questo lavoro è lo studio di tre nuove piccole molecole luminescenti di trifenilammina aventi diversi sostituenti laterali, come potenziali luminofori per dispositivi LSC. Queste molecole sono state disperse in una matrice di polimetilmetacrilato a differenti valori percentuali di peso, e sono state completamente caratterizzate in termini di proprietà ottiche, fotoniche e fotovoltaiche, nonché di caratteristiche di riassorbimento. Da queste analisi è stato chiarito l'effetto delle diverse strutture molecolari di tali molecole luminescenti sulla loro risposta fotonica. Il secondo argomento di questo studio riguarda la sintesi di un nuovo luminoforo di metil metacrilato a base di tetrafeniletilene (TPEMA), caratterizzato da emissione indotta da aggregazione. Tale monomero è stato copolimerizzato insieme al metil metacrilato a varie concentrazioni molari, utilizzando e confrontando due diverse metodologie di polimerizzazione radicalica, ovvero la polimerizzazione a radicali liberi (FRP) e una tipologia di polimerizzazione controllata denominata Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer (RAFT) polymerization. I copolimeri risultanti sono stati completamente caratterizzati dal punto di vista delle proprietà molecolari, termiche e ottiche. I copolimeri sintetizzati tramite la polimerizzazione RAFT hanno mostrato una distribuzione controllata del peso molecolare e una maggiore stabilità termica, nonché un miglioramento crescente della temperatura di transizione vetrosa e delle proprietà ottiche con l'aumento della composizione molare di TPEMA, contrariamente ai sistemi ottenuti tramite FRP. I dispositivi LSC sono stati fabbricati per esaminare ulteriormente le differenze tra le due serie. Nel complesso, questa tesi contribuisce alla comprensione e allo sviluppo della tecnologia LSC introducendo nuovi sistemi luminescenti, esplorando il loro potenziale nelle applicazioni a film sottile e garantendo la fabbricazione di dispositivi altamente trasparenti ed esteticamente gradevoli.