Luminescent organic-inorganic hybrid electrolytes for smart building glazing

Abstract

There is a global need to improve the building energy generation efficiency in the new generation of buildings, so called zero-energy buildings (ZEBs). One strategy includes the development of smart windows based on electrochromic devices (ECDs) coupled to luminescent layers and luminescent solar concentrators (LSCs). New materials based on lanthanide complexes with high quantum efficiency incorporated in appropriate host matrices prepared by solgel chemistry opens challenging opportunities for the development of new devices with remarkable electro-optical performance and foreseen application as smart windows for ZEBs. In this thesis, new electrolytes based on organicinorganic hybrids doped with an ionic liquid allowed the production of ECDs with high visible and NIR transparency and voltage-actuated dual coloration tuning, enabling three-mode operation (bright hot, semi-bright warm, and dark cold). The ECD delivers a number of extraordinary features, in particular high switching efficiency and optical modulation, good cycling stability, large coloration efficiency, excellent optical memory, and unusual self-healing ability following mechanical stress. In addition, new lanthanide ions (Ln3+ = Nd3+, Eu3+, Tb3+, Yb3+)-doped surface functionalized ionosilicas (ISs) were produced, characterized and embedded in poly(methyl methacrylate) yielding transparent films with negligible self-absorption with potential to be used LDS layers, and LSC into a single device. The significant absolute increase observed in the PV cell external quantum efficiency (EQE~32% between 300-360 nm relatively to the bare PV cell) supports the applicability of the developed materials for ZEBs.

Existe uma necessidade global de melhorar a eficiência energética nos edifícios com vista a uma nova geração de edifícios denominados edifícios de balanço energético nulo (ZEBs). Uma das estratégias propostas inclui o desenvolvimento de janelas inteligentes baseadas em dispositivos eletrocrómicos (ECDs) acoplados a camadas luminescentes e concentradores solares luminescentes (LSCs). Novos materiais baseados em complexos de iões lantanídeos com elevado rendimento quântico de emissão incorporados em matrizes hospedeiras apropriadas, preparadas pelo método sol-gel, abrem um leque de oportunidades para o desenvolvimento de novos dispositivos com notável desempenho eletro-ótico para janelas de ZEBs. Nesta tese, novos eletrólitos baseados em híbridos orgânicos-inorgânicos dopados com um líquido iónico luminescente permitiram a produção de ECDs com elevada transparência nas regiões espetrais do visível e NIR e, possibilitando o ajuste fino da passagem de luz solar e da energia solar, permitindo operação em três modos (brilhante quente, semi-brilhante quente, e frio escuro). O ECD oferece uma série de recursos extraordinários, em particular alta eficiência e modulação ótica, boa estabilidade, grande eficiência de coloração, excelente memória ótica e capacidade de auto-regeneração após stress mecânico. Além disso, novas ionossílicas funcionalizadas na superfície dopadas com iões lantanídeos (Ln3+ = Nd3+, Eu3+, Tb3+,Yb3+) foram produzidas, caracterizadas e incorporadas em poli(metil metacrilato) produzindo filmes transparentes com auto-absorção desprezável com potencial aplicação em LDS e LSC. Foi observado um aumento absoluto significativo na eficiência quântica externa da célula PV (EQE ~ 32% entre 300-360 nm em relação à célula PV base) demostrando a aplicabilidade dos materiais desenvolvidos para ZEBs.