Progettazione e sviluppo di concentratori solari luminescenti a base di lantanoidi

The project discussed in the thesis consists of the development of luminescent solar concentrators containing lanthanoid ions antenna complexes as active components. The studied luminescent species are supramolecular systems named "lanthanide organic cages" (LOCs), and they exploit the sensitization of Eu(III) centers through bis-β-diketone ligands suitably optimized to maximize the efficiency of photoluminescence and their brightness. The work articulates in three progressive steps: synthesis and characterization of the luminescent molecules employed, study of their incorporation into polymer matrixes to realize waveguides, and development of a set-up for characterizing the functional properties of LSC devices. Special attention is paid to the optimization of the experimental procedures followed for processing of polymers and fabrication of waveguides. The luminescent samples obtained, i.e., polydimethylsiloxane (PDMS) bulk-tiles and polymethylmethacrylate (PMMA) or polystyrene (PS) films, exhibit high transparency and optical quality, as well as excellent ability to concentrate radiation. Data collected through functional characterizations show increases in electrical output up to 200%, already for samples containing low concentrations of luminophore (0.5% to 1% by weight) compared to the matrix alone, confirming the potential of LOCs as efficient active components for LSCs.

Il progetto trattato durante la tesi consiste nello sviluppo di concentratori solari luminescenti contenenti complessi antenna di ioni lantanoidei come componenti attivi. Le specie luminescenti studiate sono sistemi supramolecolari definiti “lanthanide organic cages” (LOCs), e sfruttano la sensitizzazione di centri di Eu(III) attraverso leganti bis-β-dichetoni opportunamente ottimizzati per massimizzare l’efficienza di fotoluminescenza e la loro brightness. Il lavoro si articola in tre fasi progressive: sintesi e caratterizzazione delle molecole luminescenti impiegate, studio della loro incorporazione in matrici polimeriche per realizzare guide d’onda e sviluppo di un set-up per la caratterizzazione delle proprietà funzionali dei dispositivi LSC. Particolare attenzione viene dedicata all’ottimizzazione delle procedure sperimentali seguite per la lavorazione dei polimeri e la realizzazione delle guide d’onda. I campioni luminescenti ottenuti, ovvero mattonelle in polidimetilsilossano (PDMS) e film in polimetilmetacrilato (PMMA) o in polistirene (PS), presentano elevate trasparenza e qualità ottica, nonché ottima capacità di concentrazione della radiazione. I dati raccolti tramite le caratterizzazioni funzionali mostrano incrementi dell’output elettrico fino al 200% già per campioni contenenti basse concentrazioni di luminoforo (0.5% – 1% in peso) rispetto alla sola matrice, confermando le potenzialità dei LOC come efficienti componenti attivi per LSC.