Rational design of quantum dots and waveguide structures for luminescent solar concentrators.

Liu, Xin (2023). Rational design of quantum dots and waveguide structures for luminescent solar concentrators. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 163 p.

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Résumé

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Les concentrateurs solaires luminescents (LSC) attirent de plus en plus l'attention en tant que technologie prometteuse de collecte de la lumiere du soleil en raison de leur integration rapide avec le photovoltaique integre au batiment (BIPV) pour realiser des fenetres collectrices d'energie. Jusqu'a present, le plus grand defi existant dans les LSC est leur efficacite modeste. Dans cette these, nous avons mene trois projets pour ameliorer l'efficacite des LSC en adaptant les proprietes optiques de deux types de QD respectueux de l'environnement, en appliquant les materiaux hotes liquides et en concevant rationnellement les structures stratifiees, ainsi qu'en ameliorant l'esthetique pour leur eventuelle application pratique dans les batiments. Dans le premier projet, nous avons synthetise des QD Zn-In-Se semi-conducteurs dopes aux ions de metal de transition vert et les avons utilises comme luminophores dans les LSC. L'adaptation de la quantite de dopage au Cu a ajuste les emissions PL sur presque toute la fenetre spectrale visible et agrandit simultanement le decalage de stokes, atteignant un PLQY de 63%. Le LSC liquide en utilisant les QD tels que prepares a atteint une efficacite optique elevee (nopt) de plus de 3,5%. Ce resultat est plus de deux fois superieur a celui du polymere LSC (nopt=1,75%), ce qui pourrait etre attribue aux pertes de reabsorption reduites et aux pertes d'energie evitees par les defauts de surface et internes resultant de la polymerisation. Les points de carbone (Cdots) sont en train de devenir des luminophores alternatifs respectueux de l'environnement pour les LSC, en raison de leur respect de l'environnement et de l'economie et de leur synthese simple utilisant d'abondantes sources a base de carbone. Nous avons utilise des nanoparticules d'argent plasmoniques (Ag NPs) pour ameliorer l'absorption optique et l'emission de Cdots afin d'ameliorer les performances des LSC. Des coquilles de silice d'une epaisseur optimisee ont ete deposees a la surface des NP Ag pour empecher le transfert d'energie des Cdots vers les NP plasmoniques. Sur la base de ces configurations, des LSC a base de Cdots en couches minces avec ajout optimise d'Ag40@SiO2 ont ensuite ete fabriques, presentant une amelioration de +25% de l'efficacite optique (nopt=1,25%) par rapport aux dispositifs de controle. Dans le troisieme travail, nous avons introduit une methode de fabrication rentable pour obtenir le LSC lamine a l'echelle du laboratoire (L-LSC) avec de grandes surfaces. En optimisant les parametres de fabrication (epaisseur du substrat et de la couche intermediaire), le L-LSC a base de polymethacrylate de methyle (PMMA) a presente une efficacite optique (nopt=3,46%) et une efficacite de conversion de puissance (PCE=0,24%) plus elevees que le L-LSC a base de verre vert (nopt=1,76%, PCE=0,09%) en raison de leurs excellentes proprietes optiques et de leur bonne compatibilite avec le polymere emissif. Nous avons egalement concu une structure L-LSC multicouche a couleurs accordables, atteignant une meilleure efficacite optique de 4,97% (PCE=0,42%). En appliquant differents types de QD integres separement dans deux intercouches, l'apparence de la couleur d'un tel L-LSC a deux couches daignees peut etre controlee, tandis que l'efficacite du dispositif est amelioree en raison de la hauteur accrue pour reduire la perte de reabsorption. En resume, les strategies decrites dans cette these, y compris le reglage des dopants a ions metalliques dans les QD coeur-coquille, l'application de l'effet plasmonique sur les Cdots, l'etude des materiaux hotes liquides et l'optimisation des structures laminees, ont ete demontrees comme des approches efficaces pour ameliorer le Efficacites LSC. Notre travail peut ouvrir la voie au developpement de LSC plus efficaces et durables, avec un potentiel de commercialisation dans des applications pratiques.

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Luminescent solar concentrators (LSCs) are attracting increasing attention as a promising sunlight harvesting technology due to their ready-integration with building-integrated photovoltaics (BIPVs) to realize energy-collecting windows. Up to now, the existing biggest challenge in LSCs is their modest device efficiency. In this thesis, we conducted three projects to improve the LSC efficiencies by tailoring the optical properties of two types of eco-friendly quantum dots (QDs), applying the liquid host materials and rationally designing the laminated structures, as well as improving the aesthetics for their possible practical application in buildings. In the first project, we synthesized green transition metal ion-doped semiconductor Cu-doped Zn-In-Se QDs (CZISe) QDs and employed them as luminophores in LSCs. Tailoring the amount of Cu doping tuned the PL emissions over nearly the complete visible spectral window and simultaneously enlarges the stokes shift, reaching a photoluminescence quantum yield (PLQY) of 63%. The liquid LSC by using the asprepared QDs achieved a high optical efficiency (not) of over 3.5%. This result is over two times higher than that of polymer LSC (nopt=1.75%), which could be ascribed to the reduced reabsorption losses and avoided energy loss by surface and internal defects resulting from polymerization. Carbon dots (Cdots) are emerging as eco-friendly alternative luminophore for LSCs, due to their environmental and economical friendliness, and simple synthesis using abundant carbon-based sources. We utilized plasmonic silver nanoparticles (Ag NPs) to improve the optical absorption and emission of Cdots for enhancing the LSCs performance. Silica shells with an optimized thickness were deposited on the surface of Ag NPs to prevent energy transfer from Cdots to the plasmonic NPs. Based on these configurations, thin film Cdots-based LSC with optimized addition of Ag40@SiO2 were then fabricated, exhibiting an improvement of +25% in optical efficiency (nopt=1.25%) compared to the control devices. In the third work, we introduced a cost-effective fabrication method to obtain the laboratory-scale laminated LSC (L-LSC) with large areas. By optimizing the fabrication parameters (substrate and interlayer thickness), polymethyl methacrylate (PMMA) based L-LSC exhibited higher optical efficiency (nopt=3.46%) and power conversion efficiency (PCE=0.24%) than green glass-based L-LSC (nopt=1.76%, PCE=0.09%) due to their excellent optical properties and good compatibility with emissive polymer. We also designed a color-tunable multilayered L-LSC structure, achieving a best optical efficiency of 4.97% (PCE=0.42%). By applying different types of QDs separately embedding into two interlayers, the color appearance of such deigned two-interlayered L-LSC can be controlled, while the device efficiency is improved due to the increased height for reduced re-absorption loss. In summary, the strategies outlined in this thesis, including tuning metal-ion dopants in core-shell QDs, applying the plasmonic effect on Cdots, investigating the liquid host materials, and optimizing the laminated structures, have been demonstrated as effective approaches for improving the LSC efficiencies. Our work may pave the way for the development of more efficient and sustainable LSCs, with the potential for commercialization in practical applications.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Allard, François
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Rosei, Frederico
Informations complémentaires:	Résumé avec symboles
Mots-clés libres:	points quantiques écologiques ; Zn-In-Se dopé au Cu ; points de carbone ; nanoparticules d'Ag ; photoluminescence améliorée par plasmon ; concentrateur solaire luminescent liquide ; concentrateur solaire luminescent laminé ; concentrateur solaire luminescent laminé multicouche à couleur accordable ; photovoltaïque intégré au bâtiment ; co-friendly quantum dots ; Cu doped Zn-In-Se ; carbon dots ; Ag nanopaticles ; plasmonenhanced photoluminescence ; luquid luminescent solar concentrator ; laminated luminescent solar concentrator ; color-tunable multilayered laminated luminescent solar concentrator ; building-integrated photovoltaics
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	19 déc. 2023 16:46
Dernière modification:	19 déc. 2023 21:05
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13800

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