Solar spectrum splitting using luminescent solar concentrator lightguides

Luminescent solar concentrators (LSCs) are promising devices for low-cost photovoltaic energy generation, as they concentrate sunlight onto a small area where solar cells can be applied, thereby reducing the amount of semiconductor material required. LSCs employ luminescent materials to absorb and re-emit sunlight within specific wavelength ranges, enhancing coupling with photovoltaic (PV) cells, especially those with narrow spectral responses, and minimizing thermalization losses. However, conventional single-dye LSCs are constrained by the limited absorption range of individual luminophores, which restricts overall light harvesting. Incorporating multiple dyes broadens the absorption spectrum and enables more efficient solar energy capture, but the resulting wider emission bandwidth complicates spectral matching with PV cells. To overcome this challenge, this work demonstrates the first implementation of solar spectrum splitting in a multi-dye LSC by controlling emitted wavelengths using broadband cholesteric reflectors. These reflectors were fabricated onto cellulose triacetate films, optimized for uniformity and reproducibility, and subsequently attached to the LSC edges. In addition, luminophore alignment was employed to maximize emission along orthogonal edges, further enhancing spectral selectivity. Edge-emission measurements confirmed that broadband cholesteric reflectors enable controlled spectral splitting, while the alignment of luminophores improves directional emission. Overall, these findings demonstrate that integrating spectral-control elements into a multi-dye LSC provides an effective strategy for selective photovoltaic energy conversion and represents a scalable pathway toward next-generation spectrum-splitting solar devices.

I Concentratori Solari Luminescenti (LSC) rappresentano dispositivi promettenti per la produzione di energia fotovoltaica a basso costo, in quanto concentrano la luce solare su una superficie ridotta sulla quale possono esser applicate celle fotovoltaiche, riducendo il fabbisogno di materiale semiconduttore. Gli LSC utilizzano materiali luminescenti per assorbire e riemettere la luce solare entro specifici intervalli di lunghezza d’onda, migliorando l’accoppiamento con le celle fotovoltaiche (PV), in particolare quelle con risposte spettrali ristrette, e riducendo le perdite per termalizzazione. Tuttavia, gli LSC a singolo colorante sono limitati dalla ridotta gamma di assorbimento dei singoli luminofori, il che restringe l’efficienza complessiva di raccolta della luce solare. L’integrazione di più coloranti amplia lo spettro di assorbimento, consentendo una cattura più efficiente dell’energia solare, ma l’emissione più ampia risultante complica l’accoppiamento spettrale con le celle fotovoltaiche. Per risolvere questo problema, in questo lavoro è stato realizzato il primo LSC multi-colorante a divisione spettrale, controllando le lunghezze d’onda emesse mediante l’uso di riflettori colesterici a banda larga. I riflettori sono stati fabbricati su film di triacetato di cellulosa, ottimizzati per uniformità e riproducibilità, e successivamente applicati ai bordi dell’LSC. Inoltre, l’allineamento dei luminofori è stato utilizzato per massimizzare l’emissione lungo bordi ortogonali, migliorando ulteriormente la selettività spettrale. Le misure di emissione dai bordi hanno confermato che i riflettori colesterici a banda larga permettono una divisione spettrale controllata, mentre l’allineamento dei luminofori ne aumenta l’efficacia. I risultati indicano che un LSC multi-colorante, integrato con elementi di controllo spettrale, rappresenta un approccio efficace per una conversione fotovoltaica potenziata e costituisce una soluzione scalabile verso dispositivi solari di nuova generazione a divisione spettrale.