Nanocomposites for optical applications

Nanotechnology is one of the most important fields in the last decades because novel material development involve chemistry, physics, the medicine and also engineering science. Nanomaterials exhibit size-dependent properties and large surface to volume ratio which can be exploited in a number of applications especially in the optical field. The main work presented here regards the synthesis of the nanocomposites using different methods, according to the desidered quality of the final material, the easiness and the industrial processability, the size control distribution and the homogeneous dispersibility. The whole activity of my thesis project can be divided in two parts: a) nanoparticles and nanocomposites for photovoltaic applications; b)NIR emitting nanoparticles and nanocomposites. The first part was partially founded by an European project, ORION, entitled "Optimization of Si solar cells, plastic materials and technologies for the development of more efficient concentRatION photovoltaic systems". The main objective of this project is base on the optimization of materials and technologies involved in Concentration PhotoVoltaic System production in order to reduce the system cost/watt and increase the system efficiency. The goal of my work is to study and develop plastic nanocomposites doped with down-converting nanoparticles for modification of the solar spectrum in order to enhance the absorption efficiency of solar cells. The functional properties of the obtained materials have to be fine-tuned to fulfil the customers' needs in terms of process ability and performance. The material must have good optical properties such as, transmittance of 85-90% for 1-2 mm and light-conversion from 300-500 nm to 600-900 nm. The most important polymers for optical applications is Polymethyl Methacrylate (PMMA). Different kinds of NPs, ZnS:Mn, CdS:Mn and ZnO, that absorb in the UV range and emit in the visible range, have been synthesized with different colloidal techniques. Precipita\-tion-redispersion protocols have been set up in order to purify and concentrate the particles and transfer them into a suitable organic solvent to direct mixing with the polymer. Furthermore the major part of the energy losses (~52%) is related to the spectral mismatch, known as thermal or quantum losses. A large part of high-energy photons is lost as heat through phonon scattering, resulting in the limitation of power conversion efficiency of Si solar cells. The ultraviolet (UV) part of the solar spectrum (about 7% of the entire solar spectrum) cannot efficiently be used by Si solar cells. So coating of the same nanoparticles were deposited on the front surface of solar cells and comparative electro-optical characterizations have been performed before and after the deposition of the nanostructures to determine the effect of antireflection and down-shifting on the efficiency. The second part of the work was focused on the synthesis of PbSe nanoparticles (Quantum Dots) and core-shell nanoparticles with a PbSe core and a CdSe shell in order to increase the stability of emission properties of such materials. Then these nanoparticles were introduced in several matrix like Ormocer and PMMA keeping the photoluminescence properties. The future applications are optical microcavity incorporating quantum dots and lithography.

Negli ultimi anni le nanotecnologie sono diventate uno dei maggiori campi di interesse e di rilevanza scientifica e la ricerca di nuovi materiali riguarda la chimica, la fisica, la medicina e anche l'ingegneria. I nanomateriali vengono classificati in base alla loro dimensione ed al rapporto superficie/volume, caratteristiche che permettono il loro impiego in numerose applicazioni, soprattutto nel campo ottico. In questi lavoro di tesi sono stati valutati differenti nanocompositi sintetizzati con tecniche messe a punto in modo tale da ottenere peculiari caratteristiche di dimensione, distribuzione, omogeneità e di facile produzione, anche a livello industriale. Il progetto di dottorato può essere suddiviso in due parti: a) nanoparticelle e nanocompositi per applicazioni nel fotovoltaico; b) nanoparticelle e nanocompositi che emettono nel NIR. La prima parte del lavoro si inserisce nel progetto Europeo ORION, ovvero "ottimizzazione di celle solari al silicio, materiali plastici e tecnologie per lo sviluppo di più efficienti sistemi fotovoltaici a concentrazione". Ha riguardato principalmente la messa a punto di materiali e di tecnologie dei sistemi a concentrazione tali da riuscire a ridurre il rapporto costo/watt ed aumentare l'efficienza. Sono stati quindi studiati e sviluppati nanocompositi plastici contenenti nanoparticelle che sono in grado di modificare lo spettro solare e di aumentare di conseguenza l'efficienza di assorbimento delle celle solari. Inoltre le proprietà funzionali dei materiali sviluppati sono state messe a punto in termini di processabilità e di prestazioni. Infatti il materiale deve avere buone proprietà ottiche tra cui una trasmittanza dell'85-92% per 1-2 mm di spessore ed una conversione della luce nel range tra 300-500 nm e 600-900 nm. Il polimetilmetacrilato (PMMA) è risultato essere il polimero di selezione per applicazioni ottiche. Diversi tipi di nanoparticelle che assorbono nell'UV, tra cui ZnS:Mn, CdS:Mn e ZnO, sono state sintetizzate utilizzando tecniche colloidali. Sono stati messi a punto protocolli di precipitazione-ridispersione in modo da purificare, concentrare le nanoparticelle e ridisperdere in seguito in appositi solventi organici, dove è solubile anche il PMMA. Dal momento che la maggior parte dell'energia dissipata (~ 52%) dipende dal mismatch spettrale, definito come perdita termica o quantica, mentre la grande parte ad alta energia viene persa sotto forma di calore legato allo scattering di fotoni e quindi riduce maggiormente l'efficienza di conversione dell'energia delle celle solari a base di silicio. La parte dell'ultravioletto (UV) dello spettro solare (circa 7% dell'intero spettro) non può essere sfruttato completamente dalle celle solari al Si. Sono state così valutate le caratteristiche elettro-ottiche prima e dopo deposizione sulla superficie delle celle solari delle stesse nanoparticelle inserite nel polimero determinando l'effetto antiriflesso e della down-shifting sull'efficienza. La seconda parte del lavoro si è focalizzata sulla sintesi di nanoparticelle di Seleniuro di Piombo (PbSe) and di core-shell, dove l'interno di PbSe è rivestito da uno strato di CdSe, così da stabilizzare le proprietà di emissione di questi materiali. Infine queste nanoparticelle sono state incorporate in diverse matrici, tra cui Ormocer e PMMA mantenendo le loro proprietà di luminescenza. Questi nuovi materiali trovano future applicazioni in microcavità ottiche che incorporano quantum dots e litografia.