Preparazione e misura del fattore di concentrazione di LSC multistrato

Come descritto nel paragrafo 1.6.7, una soluzione alternativa all’impiego di una miscela di coloranti all’interno di uno stesso dispositivo, utilizzata per migliorare l’efficienza di

Light Harvesting, e quindi la prestazione dei concentratori solari luminescenti, consiste

nella realizzazione di dispositivi LSC multistrato. Questa classe di concentratori solari, sfrutta l’accoppiamento di due o più strati polimerici impilati uno sull’alto (stacked

geometry [49,51,182]), contenenti fluorofori differenti in grado di assorbire determinate

porzioni dello spettro solare incidente. Secondo quanto riportato in letteratura, questa tipologia di LSC è stata poco studiata, portando alla realizzazione di dispositivi con rendimenti ottici massini del 7,1%, la più alta efficienza mai riportata per sistemi LSC- PV [49].

In questo lavoro di tesi sono stati realizzati dispositivi multistrato accoppiando due dispositivi LSC singoli seguendo un design a sandwich [59] (Figura 3.55), dove lo strato superiore, direttamente esposto alla radiazione solare, contiene il fluoroforo HR, mentre lo strato inferiore contiene una specifica miscela di coloranti BTBBT+HR. Questo particolare design ci permette, non solo di sfruttare una ulteriore finestra dello spettro di emissione solare ma, soprattutto di permette il trasferimento di energia a cascata (FRET) in corrispondenza dello strato inferiore.

Figura 3.55: Schema di un LSC multistrato avente un design a sandwich con intervalli spettrali ideali di assorbimento e di emissione dei fluorofori dispersi negli strati superiore ed inferiore del dispositivo [59]. I dispositivi multistrato possono essere di due tipologie: multistrato film-film in cui due LSC a film sottile sono depositati sulle facce opposte di un vetro ad elevata purezza ottica, e multistrato film-lastra, dove un film polimerico viene depositato direttamente sulla superficie liscia di un LSC a lastra epossidica contenente la miscela cromoforica.

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In entrambi i casi il contatto ottico tra gli strati viene mantenuto impiegando poli(metilfenilsilossano) 710 fluido.

Tali dispositivi sono stati quindi sottoposti ad analisi per la misura del fattore di concentrazione, così da valutare il loro rendimento ottico e confrontarlo con quello dei singoli strati che li compongono.

I dispositivi multistrato a tipologia film-film sono costituiti da uno film polimerico superiore contenente il fluoroforo HR allo 0,3% in peso, mentre nel film sottile inferiore è dispersa la miscela cromoforica BTBBT (0,5% in peso) + HR. Di seguito, la Tabella

3.8 riporta i rendimenti ottici dei dispositivi a tipologia film-film.

Tabella 3.8: Valori del fattore di concentrazione e rendimento ottico relativi agli LSC multistrato film (0.3% HR) – film (0.5% BTBBT+HR).

Strato superiore Strato inferiore C ηopt (%)

0,3% HR 0,5% BTBBT + 0,15% HR 1,30 ± 0,03 7,82 ± 0,18 0,3% HR 0,5% BTBBT + 0,3% HR 1,27 ± 0,03 7,60 ± 0,18 0,3% HR 0,5% BTBBT + 0,4% HR 1,25 ± 0,02 7,49 ± 0,14 0,3% HR 0,5% BTBBT + 0,5% HR 1,26 ± 0,02 7,58 ± 0,14 0,3% HR 0,5% BTBBT + 0,6% HR 1,20 ± 0,02 7,21 ± 0,12 0,3% HR 0,5% BTBBT + 0,7% HR 1,23 ± 0,02 7,38 ± 0,11

Figura 3.56: Istogramma Efficienza ottica (%) degli LSC multistrato film (0.3% HR) – film (0.5% BTBBT+HR) in funzione della concentrazione di HR dello strato inferiore, espressa in % in peso rispetto

al polimero.

Analizzando l’istogramma in Figura 3.56 si osserva chiaramente che l’efficienza ottica dei dispositivi multistrato film-film è intermedia se paragonata a quella dei singoli strati che li compongono, tranne nel caso in cui si impiega il film polimerico contenente la miscela cromoforica con HR allo 0,15% in peso. Di fatto, tale dispositivo multistrato

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mostra un incremento del rendimento ottico sostanziale del 19% rispetto al film superiore e del 26% rispetto allo strato inferiore; raggiungendo un’efficienza ottica di 7,82%.

Gli LSC a tipologia film-lastra sono invece costituiti da un film sottile superiore con disperso HR allo 0,3% in peso e da una lastra epossidica contenente la miscela cromoforica BTBBT (25 ppm) + HR a concentrazione variabile. Nella Tabella 3.9 e in

Figura 3.57 sono riportate le efficienze ottiche relative a tali dispositivi multistrato.

Tabella 3.9: Valori del fattore di concentrazione e rendimento ottico relativi agli LSC multistrato film (0.3% HR) – lastra (25 ppm BTBBT+HR).

Strato superiore Strato inferiore C ηopt (%)

0,3% HR 25 ppm BTBBT + 25 ppm HR 1,28 ± 0,06 7,67 ± 0,38

0,3% HR 25 ppm BTBBT + 50 ppm HR 1,32 ± 0,02 7,90 ± 0,15

0,3% HR 25 ppm BTBBT + 75 ppm HR 1,39 ± 0,03 8,34 ± 0,16

0,3% HR 25 ppm BTBBT + 100 ppm HR 1,33 ± 0,02 7,98 ± 0,11

0,3% HR 25 ppm BTBBT + 150 ppm HR 1,35 ± 0,03 8,13 ± 0,15

Figura 3.57: Istogramma Efficienza ottica (%) degli LSC multistrato film (0.3% HR) – lastra (25 ppm BTBBT+HR) in funzione della concentrazione di HR dello strato inferiore, espressa in ppm. Il rendimento ottico degli LSC multistrato film-lastra è paragonabile a quello misurato per i dispositivi a lastra contenenti la miscela cromoforica, qualunque sia la concentrazione di HR nel dispositivo; mentre risulta maggiore rispetto ai dispositivi a film sottile contenente l’HR allo 0,3% in peso.

Provando ad incrementare la concentrazione di HR allo 0,7% in peso in corrispondenza dello strato superiore, non si osservano aumenti significativi dell’efficienza ottica, bensì una leggera diminuzione (Tabella 3.10). Inoltre, anche in questo caso, l’efficienza di

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conversione ottica è inferiore a quella misurata per i singoli dispositivi a film sottile e a lastra (Figura 3.58).

Tabella 3.10: Valori del fattore di concentrazione e rendimento ottico relativi agli LSC multistrato film (0.7% HR) – lastra (25 ppm BTBBT+HR).

Strato superiore Strato inferiore C ηopt (%)

0,7% HR 25 ppm BTBBT + 25 ppm HR 1,19 ± 0,03 7,17 ± 0,20

0,7% HR 25 ppm BTBBT + 50 ppm HR 1,24 ± 0,03 7,44 ± 0,19

0,7% HR 25 ppm BTBBT + 75 ppm HR 1,26 ± 0,03 7,55 ± 0,20

0,7% HR 25 ppm BTBBT + 100 ppm HR 1,26 ± 0,03 7,54 ± 0,19

0,7% HR 25 ppm BTBBT + 150 ppm HR 1,24 ± 0,03 7,46 ± 0,19

Figura 3.58: Istogramma Efficienza ottica (%) degli LSC multistrato film (0.7% HR) – lastra (25 ppm BTBBT+HR) in funzione della concentrazione di HR dello strato inferiore, espressa in ppm. In generale, i dispositivi LSC multistrato con design a sandwich, qualunque sia la tipologia impiegata, non mostrano un significativo miglioramento delle prestazioni rispetto ai dispositivi a singolo strato, analizzati nei paragrafi precedenti. In particolar modo, a parità di quantità di coloranti, questa classe di dispositivi non raggiunge le prestazioni viste per i concentratori solari fluorescenti a film o a lastra singoli.

Sono molti i fattori che contribuiscono alla diminuzione delle prestazione nei concentratori solari multistrato. In particolar modo, i fenomeni di auto-assorbimento, che si intensificano per via dell’utilizzo di una maggiore quantità di fluorofori, influenzando in maniera negativa le prestazioni ottiche di questi dispositivi. Due particolari fattori negativi sono il contatto ottico non ottimale tra gli strati polimerici e il diverso indice di rifrazione dei materiali che compongono il dispositivo multistrato. Inoltre, l’impiego di uno strato superiore in Policarbonato porta al parziale assorbimento, da parte della matrice e in parte del colorante HR contenuto in esso, della

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radiazione a 350 nm, la quale dovrebbe essere assorbita dal fluoroforo BTBBT in corrispondenza dello strato inferiore, essendo responsabile del trasferimento di energia non radiativo (FRET) con l’HR. La conseguenza di tale fenomeno è l’emissione di una radiazione fluorescente meno intensa da parte del colorante accettore.