Advanced optical spectroscopy of new materials for luminescent solar concentrators

Abstract

The transition from the current energy matrix towards an environmentally friendly and a ordable energy sources is a crucial challenge of the 21st century. Fully energetically sustainable architecture is a strategic focus in this e ort, through the realisation of so-called net-zero energy buildings. This implies an increase in the use of renewable resources, such as the wind, tides and the sun. Hence, new technologies that integrate solar-harvesting devices into existing and newly constructed buildings are of growing relevance. Luminescent solar concentrators consist of a transparent matrix doped or coated with active optical centres that absorb the incident solar radiation, which is reemitted at a speci c wavelength and transferred by total internal re ection to the edges, where photovoltaic cells are located. This con guration enables photovoltaic devices to be embedded in building facades or windows, allowing them to be transformed into energy harvesting units. Challenges for the luminescent species in luminescent solar concentrators include the use of sustainable, natural-based organic molecules. In this scope, semitransparent amine-functionalized organic{inorganic hybrids (ureasils) incorporating two di erent natural-based organic dyes, chlorophyll and enhanced uorescent protein (eGFP), were synthesised and processed as thin lms and monoliths. The natural dyes' and organic-inorganic hybrid's excited state dynamics were studied and characterised { the absorption bands of chlorophyll a and eGFP were identi ed, as well as their characteristic emission in the red/NIR (600-750 nm) and visible (450-600 nm) spectral regions, respectively. The emission properties were further quanti ed through absolute emission quantum yield measurements, with the maximum values measured for the eGFP-doped di-ureasil hybrid (0:33 0:03) being two times higher than the maximum value found for the chlorophyll-doped hybrid samples (0:15 0:02). Fluorescent lifetime analysis was also performed resorting to two di erent techniques: time-correlated single photon counting and spectrally-resolved streak imaging, yielding uorescent emission lifetimes of 5 ns for chlorophyll and 2-3 ns for enhanced green uorescent protein, in solution and when incorporated into the hybrid hosts. Further analysis was carried out by tting a two exponential decay model to the uorescent decay curves of the for the green uorescent protein samples, considering that two distinct electronic states are responsible for the absorption around 488 nm and the emission at 510 nm. Based on the intriguing photoluminescent features of the dye-based samples, two prototypes of luminescent solar concentrators were fabricated and optically characterised. In particular, a liquid planar luminescent solar concentrator based on a glass container lled with eGFP dispersed in an aqueous solution and a eGFPdoped di-ureasil hybrid bulk planar luminescent solar concentrator. The devices were coupled to a silicon-based commercial PV device, revealing maximum optical conversion e ciencies of 2:99 0:01% (liquid) and 3:70 0:06% (bulk), illustrating the potential of this approach for the development of nature-based luminescent solar concentrators, meeting the requirements of reliable, sustainable and competitive energy systems.

A transição da matriz energética atual para fontes de energia competitivas de baixo impacto ambiental é uma problemática central no século XXI. A arquitetura energeticamente sustentável é um ponto estratégico nesse esforço, através da realização dos chamados edifícios de energia zero. Por defenição, estes edifícios fazem uso de sistemas de produção de energia renovável local, como por exemplo a fotovoltaica, para satisfazer as suas necessidades energéticas. Assim, novas tecnologias que integrem dispositivos de coleção de energia solar em edifícios existentes ou recémconstruídos são de crescente relevância. Os concentradores solares luminescentes são dispositivos compostos por uma matriz transparente com centros óticos ativos incorporados. Estes absorbem a radiação incidente, que é posteriormente reemitida com um comprimento de onda específico e transportada por reflexão interna total até à célula fotovoltaica localizada nas extremidades da matriz. Esta configuração permite a produção de dispositivos fotovoltaicos incorporados em fachadas de edifícios e janelas, permitindo que estes sejam transformados em unidades de produção de energia. Atualmente, um dos desafios na áreas dos concentradores solares luminescentes é a incorporação de moléculas orgânicas naturais como centros óticos. Neste âmbito, foram fabricados e processados híbridos orgânico-inorgânicos semitransparentes, denominados por ureiasils, modificados por dois corantes orgânicos naturais, clorofila e proteína verde fluorescente (eGFP). A dinâmica entre os estados excitados dos corantes naturais e da matriz híbrida foi estudada e caracterizada - foram identifícadas as bandas de absorção da clorofila a e da eGFP, assim como a sua emissão característica no vermelho/infravermelho próximo (600-750 nm) e na região do visível (450-600 nm), respetivamente. As propriedades de emissão foram quantificadas através de medidas de rendimento quântico absoluto, registando-se um valor máximo para o híbrido com eGFP incorporada (0,33+/-0,03) duas vezes superior ao encontrado para as matrizes híbridas dopadas com clorofila (0,15+/-0,02). Foram também analisados os tempos de vida dos emissão dos estados excitados das várias amostras, tendo sido encontrados valores ~5 ns para a clorofila e ~2-3 ns para a eGFP, em solução ou quando incorporadas nas matrizes híbridas. Procedeu-se ainda a uma análise mais aprofundada no caso das amostras com eGFP, através da aplicação de um modelo bi-exponencial às curvas de decaimento, uma vez que o modelo eletrónico da mesma indica a presença de dois estados excitados distintos responsáveis pela absorção em torno dos 488 nm e emissão a 510 nm. Devido às características fotoluminescentes interessantes das amostras à base de corantes naturais para aplicações em concentradores solares luminescentes, foram fabricados e caracterizados dois protótipos com geometria planar { um concentrador solar luminescente baseado num recipiente de vidro cheio com eGFP em solução aquosa, e um outro concentrador que consistia num monolito da matriz híbrida dopada com eGFP. Os dispositivos foram acoplados a uma célula fotovoltaica comercial de silício, revelando eficiências óticas de conversão máximas de 2; 99+/-0; 01% e 3; 70+/-0; 06%, respetivamente, ilustrando o potencial desta abordagem para o desenvolvimento de sistemas energéticos sustentáveis e competitivos.