Synthesis and Characterization of Nanosized Luminophores and Their Photophysical Properties for the Transparent Luminescent Solar Concentrators

Abstract

As the demand for renewable energy increases, the importance of solar energy harvesting technologies is increasing. The luminescent solar concentrator (LSC) has gained attention as a promising candidate for building-integrated photovoltaic (BIPV) applications. This LSC technology can be deployed in regions where conventional solar cells installations are limited. This thesis focuses on synthesizing and characterizing different luminescent materials for highly efficient and transparent LSCs. The performances of these LSCs were evaluated, and efforts were made to improve their efficiency of LSCs. In our research of nano size rhenium and molybdenum clusters were used as emitting dyes for LSC. We also used second emitters, including quantum dots and perovskite nano particles, to extend solar energy harvesting region for highly efficient and transparent LSCs. In Chapter 1, we provide a general introduction to LSCs and describe the strategies for improving their performance by reducing reabsorption loss, scattering loss, and enhancing the photoluminescent quantum yield (PLQY) in polymer waveguides. Additionally, this chapter includes an analysis of waveguide matrix selection for LSCs and explores the various efficiencies used to evaluate their performance. In Chapter 2, a transparent LSC utilizing a highly luminescent molybdenum cluster (dMDAEMA)2[Mo6I14] with a large stokes shift was investigated. To prevent aggregation of metal complex such as Cs2Mo6I14 in polymer matrix, inorganic cation Cs+ was substituted with a polymer soluble cation such as dMDAEMA (2-dimethyl amino ethyl methacrylate) and complexes are copolymerized with poly methyl methacrylate (PMMA), resulting in an evenly emitter dispersed polymer waveguide. This complex emits broad photoluminescence covering red and near infrared regions. LSCs fabricated with a size of 2.0 × 2.0 × 0.3 cm3 waveguide displayed a high power conversion efficiency (PCE) of 1.24% and a transparency of 85%. Based on calculation, we suggested their potential for a future practical application as large window sized LSCs. In Chapter 3, we utilized the nano-sized inorganic-organic cluster complex, (dMDAEMA)4[Re6S8(NCS)6], as a luminophore for LSCs. We also employed zinc-doped CuGaS/ZnS core/shell quantum dots as a second luminophore to enhance the performance of the LSC. These two metal chalcogenide luminophores are chemically compatible with an amphiphilic PMMA based polymer matrix, producing an extended harvesting coverage of the solar spectrum. Our LSCs achieved an optical efficiency of 3.47% and a PCE of 0.96% while retaining greater than 80% transparency in the visible range. In Chapter 4, a highly emissive molybdenum cluster anion, [Mo6I8(CF3COO)6]2-, as a luminophore with a large Stokes shift to reduce the reabsorption loss, and a perovskite, Yb3+-doped CsPbCl3, as a secondary luminophore with a high quantum yield were utilized as emitters for LSC waveguides. This hybrid dye embedded LSC waveguide exhibits strong absorption at the ultraviolet region up to ~450 nm, emission at 670 nm and 980 nm showing a quantum yield of 92.4%. The highest PCE of LSCs with a size of 25 mm×25 mm×3 mm was 1.96% with average visible transparency (AVT) of 68%. In this study, the LSC waveguide offers the advantage of being easily fabricated into custom sizes and thicknesses through a simple solution process. Moreover, LSC demonstrates excellent chemical and physical durability. LSC technology has the potential for applications in smart windows and building-integrated photovoltaic cells, providing transparency. This thesis suggests the possibilities of LSC technology incorporating solar power generation into various architectural designs.;청정 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라 태양광 에너지 활용의 중요성도 높아지고 있다. 발광형 태양광 집광기 (LSC)는 도시 건물 일체형 광전지 (BIPV) 적용 분야의 유망한 후보로 주목을 받고 있다. 이 기술은 청정 에너지의 이점을 유지하면서 기존의 태양전지가 설치될 수 없는 대도시 건물의 창문 등에 배치되어 태양광 에너지를 전기 에너지로 전환시킬 수 있다. 본 연구에서는 효율적이고 투명한 LSC를 위한 다양한 발광 재료를 합성하고 분석하는데 중점을 두어 연구를 진행하였다. 또한 다양한 발광 재료가 포함된 LSC 소자의 성능을 평가하고 LSC의 효율성을 개선하기 위한 실험을 진행하였다. 본 연구에서는 레늄 (Re) 및 몰리브데넘 (Mo)과 같은 전이금속 원소가 포함된 금속 클러스터를 LSC의 주 발광 염료로 사용하였다. 또한 우리는 무기 양자점과 페로브스카이트와 같은 높은 양자 효율을 가진 다른 발광 재료를 무기 금속 클러스터 화합물과 함께 적용하여 고효율 LSC를 활용하는 방법을 탐색했다. 1장에서는 LSC에 대한 간략한 개요를 설명하였다. LSC의 성능을 최적화하기 위한 전략 중 고분자 도파관에서 발생하는 재흡수 손실, 산란 손실을 줄이고 발광 재료의 광 발광 양자 수율(PLQY)을 향상시켜 LSC 성능을 개선하는 전략을 제시하였다. 2장에서는 스토크 이동이 큰 몰리브데넘 클러스터를 이용한 투명 LSC 개발을 연구하였다. 고분자 도파관에서 Cs2Mo6I14와 같은 금속 클러스터의 응집을 방지하기 위해 클러스터 착물의 양이온을 고분자로 축합이 가능한 유기 양이온으로 대체하고 PMMA와 공중합하여 고르게 발광 염료가 분산된 폴리머 도파관을 간단한 용액 공정을 통해 성공적으로 제작하였다. (dMDAEMA)2[Mo6Cl14] 및 (dMDAEMA)2[Mo6I14] (여기서 dMDAEMA는 2-(메타크릴로일옥시)에틸 디메틸 도데실 암모늄)은 ~500 nm UV-vis 영역에서 최대 흡수를 갖고 근적외선 파장(~850 nm) 영역에서 발광하는 발광 재료로 높은 투명성을 가진 고효율 태양광 집광 장치를 제작하는 것이 가능하였다. 2.0 × 2.0 × 0.3 cm3 크기의 도파관으로 제작된 LSC는 1.24%의 높은 전력 변환 효율(PCE)과 85%의 투명도를 나타내었다. 3장에서는 나노 크기의 무기-유기 클러스터 복합체인 (dMDAEMA)4[Re6S8(NCS)6]를 LSC의 발광단으로 활용하였다. 본 연구에서는 LSC의 성능을 향상시키기 위해 아연 도핑된 CuGaS/ZnS 코어/쉘 양자점을 두 번째 발광단으로 함께 사용하였다. 이 두 가지의 금속 칼코게나이드 발광단은 양친매성 고분자 도파관과 화학적으로 호환되었으며 균일하게 분산되어 입자 산란에 의한 손실을 줄이고 태양 스펙트럼의 수확 범위를 증가시키는 투명한 도파관을 제작하였다. 제작된 LSC는 가시 범위에서 80% 이상의 투명도를 유지하면서 3.47%의 광학 효율과 0.96%의 PCE를 달성하였다. 4장에서는 Mo 클러스터 음이온 [Mo6I8(CF3COO)6]2-를 재흡수 손실을 줄이기 위한 큰 스토크스 이동을 갖는 발광단으로, 근적외선 영역에서 높은 양자 수율을 갖는 Yb3+가 도핑된 CsPbCl3 페로브스카이트를 2차 발광단으로 사용하였다. 이 두 가지 염료가 내장된 LSC 도파관은 ~450nm까지 자외선 영역에서 강한 흡수를 나타내며, 670nm 및 980nm에서 빛을 방출하여 92.4%의 양자 수율을 나타내었다. 크기가 25mm×25mm×3mm인LSC는 평균 AVT는 68%일 때 최고 PCE는 1.96%였으며, 평균 AVT가80% 일 때의 PCE는 1.60%를 기록하였다. 본 연구에서의 LSC 도파관은 원하는 크기 및 두께의 플레이트로 제작이 가능하며, 화학적 / 물리적으로 견고하고 안정적이며, 간단한 용액 공정으로 제작이 가능하다. LSC 기술은 기존의 실리콘 태양 광 전지가 가질 수 없는 투명도로 스마트 창 및 건물 일체형 광전지에 적용할 수 있는 가능성을 제시하였다.