ITMI20091796A1 - Composizioni fotoluminescenti per convertitori di spettro a migliorata efficienza - Google Patents
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Description
Composizioni fotoluminescenti per convertitori di spettro a migliorata efficienza
La presente invenzione si riferisce a composizioni fotoluminescenti per convertitori di spettro a migliorata efficienza.
La presente invenzione si inserisce nel settore delle composizioni fotoluminescenti impiegabili per preparare convertitori di spettro in grado di migliorare le prestazioni di dispositivi per lo sfruttamento dell’energia solare (di seguito denominati “dispositivi solari†), quali ad esempio celle fotovoltaiche e celle fotoelettrolitiche.
Allo stato della tecnica, uno dei principali limiti nello sfruttamento dell’energia delle radiazioni solari à ̈ rappresentato dalla capacità dei dispositivi solari di sfruttare in modo ottimale esclusivamente le radiazioni aventi lunghezze d’onda che ricadono in un ristretto intervallo spettrale.
A fronte di un intervallo spettrale della radiazione solare che si estende da lunghezze d’onda di circa 300 nm a lunghezze d’onda di circa 2500 nm, le celle solari a base di silicio, ad esempio, presentano una zona ottimale di assorbimento (spettro efficace) non più larghe di 300 nm, mentre le celle solari polimeriche sono passibili di danneggiamenti se esposte a radiazioni di lunghezza d’onda inferiori a circa 400 nm, a causa di fenomeni di fotodegradazione indotta che divengono significativi al di sotto di tale limite. Tipicamente, l’efficienza dei dispositivi solari dello stato della tecnica à ̈ massima nella regione dello spettro tra 570 nm e 680 nm (giallo-arancio).
Gli inconvenienti precedentemente indicati comportano una limitata efficienza quantica esterna (EQE) del dispositivo solare, definita come il rapporto tra il numero di coppie elettrone-buca generate nel materiale semiconduttore del dispositivo solare ed il numero di fotoni incidenti sul dispositivo.
Per migliorare l’EQE dei dispositivi solari sono stati quindi sviluppati dispositivi che, interposti tra la sorgente della radiazione luminosa (il sole) ed il dispositivo solare, assorbono selettivamente le radiazioni incidenti aventi lunghezze d’onda fuori dallo spettro efficace del dispositivo, ri-emettendo l’energia assorbita sotto forma di fotoni di lunghezza d’onda compresa nello spettro efficace. Questi dispositivi sono denominati “convertitori di spettro†e possono essere utilizzati in “concentratori luminescenti†. Quando la frequenza dei fotoni ri-emessi dal convertitore à ̈ superiore a quella dei fotoni incidenti, il processo di fotoluminescenza, comprendente l’assorbimento della radiazione solare e la successiva ri-emissione di fotoni a minore lunghezza d’onda, à ̈ anche chiamato processo di “upconversion†. Al contrario, quando la frequenza dei fotoni emessi dal convertitore à ̈ inferiore a quella dei fotoni incidenti il processo di fotoluminescenza à ̈ definito processo di down-shifting.
Tipicamente, i convertitori di spettro noti dallo stato della tecnica sono costituiti da un supporto in un materiale trasparente, come tale, alle radiazioni di interesse (ad esempio, vetri polimerici o inorganici), comprendente composti fotoluminescenti costituiti da molecole organiche o complessi metallici. In particolare, il supporto à ̈ trasparente alle radiazioni aventi frequenza compresa nello spettro efficace del dispositivo solare.
I composti fotoluminescenti possono essere depositati sul supporto in vetro in forma di film sottile oppure, come avviene nel caso dei materiali polimerici, possono essere dispersi all’interno della matrice polimerica. Alternativamente, la matrice polimerica può essere direttamente funzionalizzata con gruppi cromofori fotoluminescenti.
Idealmente, per essere utilizzati nei convertitori di spettro i composti fotoluminescenti devono presentare le seguenti caratteristiche:
- efficienza quantica di luminescenza (EQL) pari a 1 (EQL Ã ̈ il rapporto tra il numero di fotoni emessi e il numero di fotoni assorbiti da un gruppo cromoforo luminescente);
- ampia banda di assorbimento nella regione spettrale in cui il dispositivo solare à ̈ scarsamente efficiente;
- elevato coefficiente di assorbimento;
- stretta banda di emissione
- bande di assorbimento ed emissione ben separate.
Per migliorare ulteriormente le prestazioni di un dispositivo solare à ̈ possibile utilizzare in modo combinato composti fotoluminescenti aventi caratteristiche di fotoluminescenza diverse tra loro, in particolare composti aventi bande di assorbimento e/o emissione in regioni diverse dello spettro solare. A tal fine, à ̈ possibile, ad esempio, applicare sul supporto di un convertitore di spettro film sottili contenenti composti fotoluminescenti diversi tra loro.
L’uso combinato di due o più composti fotoluminescenti in un convertitore di spettro, secondo l’arte nota, ha come scopo quello di catturare un intervallo più ampio di radiazioni elettromagnetiche, aumentando conseguentemente il numero totale di fotoni convertiti in corrente elettrica. Tale uso combinato di composti fotoluminescenti differenti, tuttavia, non produce rilevanti miglioramenti delle prestazioni dei dispositivi solari. I composti fotoluminescenti usati nello stato della tecnica, infatti, presentano spesso bande di assorbimento e di emissione parzialmente sovrapposte, che determinano il riassorbimento dei fotoni emessi nel processo di fotoluminescenza (autoquenching). Inoltre, i composti fotoluminescenti presentano spesso un’EQL inferiore a 1, che limita quindi il numero di fotoni effettivamente convertibili in radiazioni utilizzabili da un dispositivo solare. Per una rassegna dello stato della tecnica di questo settore si veda E. Klampaftis et al., Solar Energy Materials & Solar Cells, vol. 93 (2009), pp. 1182-1194.
Scopo della presente invenzione à ̈ quello di superare gli inconvenienti evidenziati dallo stato della tecnica.
È un primo oggetto della presente invenzione una composizione fotoluminescente comprendente un composto acenico di formula generale (I) o (Ia):
R"
X"
(I)
mn
X'
R'
Ra"
Xa"
p (Ia)
Xa'
Ra'
in cui n à ̈ un numero intero variabile da 1 a 3, preferibilmente 1, m à ̈ un numero intero variabile da 0 a 2, preferibilmente 0, e p à ̈ un numero intero variabile da 1 a 3, preferibilmente 1;
R’ e R†rappresentano, ciascuno indipendentemente, un gruppo aromatico o eteroaromatico, eventualmente sostituito, legato ad X’ e, rispettivamente, ad X†mediante un atomo dell’anello aromatico, preferibilmente scelto tra fenile, pirroile, piridile, carbazoile e loro derivati sostituiti;
X’ e X†sono, ciascuno indipendentemente, scelti tra un legame covalente e un gruppo divalente -C≡C o -CH=CH-;
Ra’, Ra†, Xa’ e Xa†in formula (Ia) hanno rispettivamente lo stesso significato dei corrispondenti gruppi R’, R†, X’ e X†sopra definiti, oppure ciascun gruppo [Ra’- Xa’-] o [Ra†- Xa†-] à ̈ H o un gruppo alchilico avente da 1 a 5 atomi di carbonio, con la condizione che almeno uno di ciascun gruppo Ra’, Ra†, Xa’ e Xa†abbia lo stesso significato dei corrispondenti gruppi R’, R†, X’ e X†;
ed un composto benzotiadiazolico di formula generale (II)
in cui ciascun R1à ̈ indipendentemente un gruppo alchinile R3C≡C-, o un gruppo aromatico o eteroaromatico, eventualmente sostituito, coniugato con l’anello benzenico del benzotiadiazolo, dove R3à ̈ H, un gruppo alchilico eventualmente fluorurato, avente da 1 a 8 atomi di carbonio o un gruppo aromatico o eteroaromatico, eventualmente sostituito, avente da 4 a 10 atomi di carbonio,
ciascun R2à ̈ indipendentemente H oppure un gruppo alchilico avente da 1 a 10 atomi di carbonio, e preferibilmente à ̈ H.
Nelle suddette formula (I) e (Ia), quando i gruppi X’, X†, Xa’ o Xa†rappresentano un legame covalente, i
rispettivi gruppi R’, R†, Ra’ e Ra†sono direttamente
legati all’atomo di carbonio del nucleo acenico delle
formule (I) o (Ia) mediante un legame covalente.
Gruppi sostituenti preferiti di R’ o R†, e dei corrispondenti Ra’ e Ra†, sono –F, -OH, -OR, -R, -ROH, -OROH, -NHR, -CN, fenile, fluorofenile, dove R à ̈ un gruppo alchilico lineare o ramificato, contenente da 1 a 10 atomi di carbonio. Detti gruppi preferiti possono essere anche sostituenti di R3in uno o entrambi i gruppi R1di formula (II).Più preferibilmente R1, R’, R†, Ra’ e Ra†sono sostituiti con da 1 a 5 atomi di F. Secondo un altro aspetto preferito della presente invenzione, i gruppi R’ e R†, in formula (I), Ra’ e Ra†, in formula (Ia), e R1in formula (II), se diverso da alchinile, se sostituiti, sono sostituiti con uno o più dei suddetti gruppi sostituenti in posizione diversa dalla posizione orto.
Dalla precedente definizione della formula (Ia) risulta evidente che quando Ra’ o Ra†sono un gruppo aromatico o eteroaromatico, i rispettivi gruppi Xa’ o Xa†sono necessariamente scelti tra un legame covalente e un gruppo divalente -C≡C- o -CH=CH-.
Gruppi R’X’, R†X†, Ra’Xa’ e Ra†Xa†preferiti sono fenile (C6H5-), etinilfenile (C6H5C≡C-) o stirile (C6H5CH=CH-), eventualmente sostituito con uno o più atomi di fluoro.
Nei composti di formula (Ia) in cui p à ̈ 2 o 3, i gruppi Ra’Xa’ e, rispettivamente, Ra†Xa†legati a due diversi anelli aromatici del nucleo acenico possono essere uguali o diversi tra loro .
Gruppi R1preferiti sono tienile (-C4H3S), tieniletinile (-C≡C-C4H3S), piridile (-C5H4N), eventualmente sostituito con uno o più atomi di fluoro.
Composizioni particolarmente preferite sono quelle in cui i due gruppi R1in formula (II), i gruppi R’X’e R†X†, in formula (I), e i gruppi Ra’Xa’ e Ra†Xa†in formula (Ia), sono rispettivamente uguali tra loro.
Un secondo oggetto della presente invenzione à ̈ l’uso delle composizioni come sopra definite quale composizione fotoluminescente in un convertitore di spettro.
Oggetto della presente invenzione à ̈ anche un convertitore di spettro comprendente la composizione fotoluminescente sopra definita, comprendente i suddetti composti di formula generale (I) o (Ia) e (II).
Un ulteriore oggetto della presente invenzione à ̈ un dispositivo solare comprendente un convertitore di spettro come sopra definito.
La Richiedente ha sorprendentemente trovato che utilizzando le composizioni fotoluminescenti secondo la presente invenzione che comprendono contemporaneamente i suddetti composti di formula generale (I) o (Ia) (di seguito indicati anche per semplicità come composti acenici) e di formula generale (II) (di seguito indicati anche come composti benzotiadiazolici) in un convertitore di spettro, grazie alla peculiare interazione delle caratteristiche di fotoluminescenza dei suddetti composti acenici e benzotiadiazolici, à ̈ possibile migliorare l’efficienza di conversione della radiazione solare.
Più precisamente l’uso combinato e simultaneo dei suddetti composti in una composizione fotoluminescente permette di intercettare un’ampia porzione delle radiazioni dello spettro solare (radiazione assorbita) e di ri-emetterle a frequenze più basse (radiazione emessa), in un intervallo spettrale più ristretto, in modo molto più efficace rispetto ai convertitori di spettro dello stato della tecnica. Preferibilmente, le radiazioni emesse hanno una lunghezza d’onda che ricade nell’intervallo di lunghezze d’onda dello spettro efficace di un dispositivo solare.
I composti acenici di formula generale (I) e (Ia) assorbono radiazioni aventi lunghezza d’onda nell’intervallo 250 – 400 nm e le riemettono per fotoluminescenza nell’intervallo 400 - 550 nm, coincidente con almeno una banda di assorbimento del composto di formula generale (II).
I composti benzotiadiazolici di formula generale (II), presentano la fondamentale peculiarità di possedere almeno una banda di assorbimento nell’intervallo 400 – 600 nm, ossia in corrispondenza della regione spettrale in cui si verifica l’emissione di fotoluminescenza dei composti acenici. I composti di formula generale (II), inoltre, sono caratterizzati dal fatto che la loro emissione di fotoluminescenza ricade nell’intervallo 500 – 800 nm, ossia all’interno dello spettro generalmente utilizzabile in modo efficace dai dispositivi solari di tipo inorganico, particolarmente a base di Si cristallino, Si-amorfo, CdTe (Cadmio Tellurio), CIGS (Copper Indium Gallium diSelenide). Inoltre, i due suddetti intervalli di 400 – 600 nm e 500 – 800 nm distano sufficientemente tra loro da poter ridurre in modo sostanziale il fenomeno del cosidetto autoquenching, cioà ̈ l’assorbimento parziale della radiazione emessa da parte dello stesso composto fotoluminescente. Grazie alla sovrapposizione delle regioni spettrali di emissione di fotoluminescenza dei composti acenici e di quelle di assorbimento dei composti benzotiadiazolici, la radiazione emessa dai composti acenici - che ricade al di fuori dello spettro efficace dei dispositivi solari del tipo sopra riportato - viene assorbita dai composti benzotiadiazolici e convertita ulteriormente, con alta efficienza, in radiazione a più bassa lunghezza d’onda. La selezione dei composti fotoluminescenti in accordo con la presente invenzione produce un meccanismo di assorbimento/emissione delle radiazioni a cascata, che permette di convertire radiazioni incidenti aventi lunghezze d’onda compresa in un ampio intervallo spettrale in radiazioni a più bassa lunghezza d’onda (down-shifting) e, al tempo stesso, di concentrarle in un intervallo spettrale dove possono essere efficacemente sfruttate da un dispositivo solare.
Le composizioni fotoluminescenti oggetto della presente invenzione sono caratterizzate da una inaspettata ed elevata efficienza derivante dalla combinazione dei seguenti fattori:
a) elevati coefficienti di assorbimento ed efficienze quantiche di luminescenza dei composti di formula generale (I) e (II),
b) efficace sovrapposizione delle bande di emissione dei composti acenici con quelle di assorbimento dei composti benzotiadiazolici,
c) netta separazione delle bande di assorbimento ed emissione dei composti benzotiadiazolici.
In particolare, la netta separazione delle bande di emissione ed assorbimento che contraddistingue i composti benzotiadiazolici consente di evitare o, almeno, attenuare notevolmente il fenomeno dell’autoquenching della luminescenza, una delle cause principali della scarsa efficacia dei convertitori di spettro noti nello stato della tecnica.
Le proprietà di fotoluminescenza dei composti acenici e benzotiadiazolici possono essere variate entro limiti ristretti selezionando opportunamente il tipo di sostituenti (R’, R†, Ra’, Ra†e R1) e, nel caso della struttura di formula generale (I) e (Ia), il numero di anelli aromatici condensati.
Nel caso dei composti acenici di formula generale (I) o (Ia), al crescere del valore dell’indice n, m o p, ossia del numero di anelli condensati, aumenta l’estensione del sistema di elettroni pi coniugati, con conseguente variazione delle proprietà di luminescenza del composto. Generalmente, al crescere della coniugazione pi, ossia al crescere di n, si osserva uno spostamento delle bande di assorbimento ed emissione dei composti luminescenti verso lunghezze d’onda maggiori.
Sono stati individuati quali composti particolarmente efficaci, in accordo con la presente invenzione, i composti di formula generale (I) o (Ia) e (II) che presentano proprietà di simmetria molecolare, cioà ̈ aventi una struttura sostanzialmente simmetrica rispetto alla rotazione di 180° sull’asse di simmetria C2 dell’anello benzotiadiazolico dei composti di formula (II) e sull’asse trasversale agli anelli coplanari dei composti acenici (I) e (Ia).
Nel caso dei composti acenici di formula generale (Ia), à ̈ preferibile che i gruppi R’aX’ae R†aX†asiano reciprocamente disposti in posizione para, o sullo stesso anello benzenico, o su due diversi anelli benzenici del nucleo acenico. Questa particolare simmetria, infatti, sembra favorire la coniugazione degli elettroni pi del composto, in modo da migliorare la resa di conversione della radiazione incidente.
Nel caso dei composti benzotiadiazolici di formula generale (II), per ottenere un’efficace conversione della lunghezza d’onda della radiazione incidente, à ̈ preferibile che i gruppi (R1) sostituenti dell’anello benzenico in posizione 3 e 4 siano sostanzialmente identici, cioà ̈ non differiscano significativamente nella struttura e composizione dei gruppi coniugati.
Preferibilmente, nella composizione oggetto della presente invenzione à ̈ presente un composto di tipo antracenico sostituito nelle posizioni 9 e 10, ossia un composto di formula generale (I) in cui n = 1.
Preferibilmente, nel caso delle strutture antraceniche (n = 1), tetraceniche (n = 2) e pentaceniche (n = 3), i gruppi sostituenti R’ e R†del composto acenico sono gruppi fenile, più preferibilmente, R’X’ e R†X†sono gruppi feniletinile.
Particolarmente preferito à ̈ il seguente composto di formula (III), corrispondente al composto di formula generale (I) in cui n = 2 e R à ̈ un gruppo fenile.
Tra i composti benzotiadiazolici, particolarmente preferito à ̈ il seguente composto di formula (IV), corrispondente al composto di formula generale (II) in cui il sostituente R1à ̈ un gruppo tienile
In una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, il composto di formula (III) Ã ̈ utilizzato in combinazione con il composto di formula (IV).
In un’altra forma preferita di realizzazione, la composizione della presente invenzione à ̈ costituita da antracene sostituito in posizione 9,10 con pentafluorofenile e dal composto avente la precedente formula (IV).
Nelle composizioni oggetto della presente invenzione, i composti di formula (I) o (Ia) e (II) sono presenti in proporzioni tra loro che possono variare entro ampi limiti, in dipendenza di diversi fattori, quali i rispettivi coefficienti molari di assorbanza ed emissione, ma anche la reperibilità commerciale o la complessità della preparazione. Generalmente si à ̈ trovato che si ottengono soddisfacenti risultati quando il rapporto molare tra il composto di formula (I) o (Ia) e il composto di formula (II) à ̈ compreso tra 0,2 e 5,0, preferibilmente tra 0,5 e 2,0, più preferibilmente tra 0,9 e 1,1.
La concentrazioni dei cromofori di formula (I), (Ia) e (II) nelle matrici polimeriche, nelle soluzioni o nei gel in cui possono essere dispersi sono generalmente comprese tra 0,05% e 10%, preferibilmente tra 0,1% e 5%, in peso.
Per comprendere meglio le caratteristiche della presente invenzione, nel seguito della presente descrizione si farà riferimento alle seguenti figure:
- Figura 1: spettri di fotoluminescenza in soluzione di diclorometano di miscele di composti di formula (III) e (IV), al variare della concentrazione del composto di formula (IV) (lunghezza d’onda della radiazione di eccitazione pari a 355 nm);
- Figura 2: analisi termogravimetrica del composto di formula (III) (curva (I)) e del composto di formula (IV) (curva (II));
- Figura 3: curve potenza (P)/superficie (A) illuminata in funzione della distanza (D) della copertura dal bordo del supporto contenente le celle solari di dispositivi solari contenenti differenti composti luminescenti.
La sorprendente efficacia dell’uso combinato dei composti acenici e benzotiadiazolici, specificatamente quelli di formula (III) e (IV) nelle composizioni fotoluminescenti secondo la presente invenzione, in un convertitore di spettro à ̈ confermata dagli spettri di fotoluminescenza riportati in figura 1.
Detti spettri si riferiscono a soluzioni contenenti solo il composto di formula (III) (spettro BC(III)) e alla medesima soluzione addizionata di quantità crescenti del composto di formula (IV) (lo spettro AC(IV) corrisponde alla concentrazione massima del composto di formula (IV)). Gli spettri di figura 1 evidenziano come la radiazione emessa dal composto di formula (III) (bande di emissione centrate a 412 nm e 431 nm), in presenza di un composto di formula (IV), venga assorbita da quest’ultimo per essere successivamente ri-emessa con produzione di una fotoluminescenza complessiva più intensa a lunghezze d’onda convenienti (525 – 670 nm).
I composti acenici di formula generale (I), (Ia) e (II) sono composti disponibili commercialmente oppure sintetizzabili in accordo con procedimenti di sintesi noti nello stato della tecnica.
I composti di formula generale (I) e (II) possiedono un’elevata stabilità termica, come evidenziano le curve termogravimetriche di figura 2 riferite specificatamente ai composti di formula (III) (curva (III)) e (IV) (curva (IV)). L’analisi termogravimetrica mostra che entrambi i composti sono stabili sino alla temperatura di almeno 240°C.
La stabilità termica dei composti fotoluminescenti utilizzabili nelle composizioni secondo la presente invenzione consente di preparare convertitori di spettro mediante la dispersione in fuso di questi composti in materiali polimerici, quali ad esempio, polimetilmetacrilato (PMMA), polistirene e polivinilacetato (PVA).
Alternativamente, i convertitori di spettro possono essere preparati funzionalizzando la matrice polimerica utilizzata come supporto del convertitore con i suddetti composti fotoluminescenti, ad esempio mediante reazioni di immidizzazione in fuso. In quest’ultimo caso, i composti di formula generale (I), (Ia) e (II) devono prevedere almeno un gruppo sostituente del tipo NHR come visto in precedenza, che ne garantisca l’ancoraggio alle catene polimeriche del materiale poliacrilico usato come supporto. I composti fotoluminescenti possono anche essere introdotti, per esempio, mediante reazione di copolimerizzazione tra un monomero acrilico tradizionale ed un altro monomero acrilico contenente il composto fotoluminescente come sostituente.
I convertitori di spettro della presente invenzione possono essere realizzati in forma di prismi o di lastre polimeriche da accoppiare ai dispositivi solari. Alternativamente, secondo una diversa tecnica costruttiva nota, i convertitori di spettro possono essere realizzati formando un film sottile steso sulla superficie di una lastra o prisma trasparente in materiale vetroso organico o inorganico, quale vetro o polimetilmetacrilato.
Le composizioni oggetto della presente invenzione producono i vantaggiosi effetti di conversione e concentrazione delle radiazioni luminose incidenti sopra descritti, oltre che in soluzione, anche allo stato di gel.
Il seguente esempio di realizzazione à ̈ fornito a mero scopo illustrativo della presente invenzione e non deve essere inteso in senso limitativo dell’ambito di protezione definito dalle accluse rivendicazioni.
ESEMPIO
I seguenti convertitori di spettro sono stati preparati a partire da un supporto polimerico in polimetilmetacrilato (PMMA) (dimensioni: 90X90X6 mm) su cui à ̈ stato deposto un film sottile, di spessore compreso tra 300 e 350 µm di PMMA additivato con uno o più composti fotoluminescenti. A tal fine, si prepara una soluzione in 1,2-diclorobenzene (12 ml) contenente PMMA (6 g), difenilantracene (DPA) (66 mg, 1% mol) e ditienilbenzotiodiazolo (DTB) (67 mg, 1% mol). Questa soluzione viene deposta uniformemente su una lastra di PMMA (dimensioni 90x90x6 mm) mediante l’utilizzo di un filmografo tipo Doctor Blade. Si lascia quindi evaporare completamente il solvente a temperatura ambiente ed in leggera corrente di aria per almeno 24 h.
Sono stati preparati i seguenti dispositivi convertitori di spettro:
Convertitore S1 (riferimento): convertitore costituito dal solo supporto polimerico in PMMA, senza deposizione di alcun film sottile;
Convertitore S2 (riferimento): convertitore in cui il film sottile di PMMA non à ̈ additivato con composti fotoluminescenti;
Convertitore S3 (comparativo): convertitore in cui il film sottile di PMMA Ã ̈ additivato con il composto di formula (III) (1,0% mol);
Convertitore S4 (comparativo): convertitore in cui il film sottile di PMMA Ã ̈ additivato con il composto di formula (IV) (1,0% mol);
Convertitore S5 (secondo la presente invenzione): convertitore in cui il film sottile di PMMA Ã ̈ additivato con una composizione fotoluminescente comprendente i composti di formula (III) (1,1% in peso della soluzione utilizzata per depositare il film sottile) e (IV) (1,1% in peso della soluzione utilizzata per depositare il film sottile).
Con ognuno di questi convertitori di spettro à ̈ stato quindi preparato un diverso dispositivo solare, applicando nove celle solari IXYS-XOD17, in serie, aventi una superficie totale di 9x6x6 mm, ad uno dei bordi del supporto polimerico di ciascun convertitore.
I dispositivi solari sono stati sottoposti a misure della potenza elettrica generata per effetto dell’illuminazione della faccia principale della lastra polimerica rivestita con il film sottile contenente i composti fotoluminescenti, mediante una sorgente di potenza uguale a 1 sole (1000 W/mq).
Le misure di potenza sono state realizzate coprendo con un rivestimento opaco (mascheratura) superfici ad area variabile del supporto polimerico, a distanza decrescente rispetto al bordo contenente le celle solari. Le misure sono state poi ripetute utilizzando una mascheratura ad area fissa per eliminare gli eventuali effetti di bordo e di diffusione multipla generati dall'irraggiamento dell'intera superficie del campione. Le misure condotte in condizioni di schermatura variabile e fissa permettono di quantificare e, quindi, sottrarre il contributo di eventuali effetti di guida d’onda, di bordo o di diffusione multipla dovuti al supporto.
Le misure di potenza generata sono state elaborate in forma di curve Potenza (P)/Superficie (A) illuminata in funzione della distanza della copertura (mascheratura) dal bordo del supporto contenente le celle solari (figura 3).
La figura 3 riporta le curve 1-5, relative ai valori di potenza generata per unità d'area in funzione della distanza della mascheratura dal bordo del supporto contenente le celle solari deposto sui convertitori S1-S5. Le curve 1-5 sono state normalizzate rispetto al contributo del riferimento S1 (curva 1) relativo ad una misura sul solo supporto polimerico
I risultati illustrati in figura 3 dimostrano che il convertitore S5, contenente i composti di formula (III) e (IV), secondo la presente invenzione presenta un’efficienza del dispositivo solare decisamente maggiore rispetto ai convertitori secondo lo stato della tecnica.
I valori numerici assoluti (ossia, senza sottrazione di eventuali contributi dovuti ad effetti di guida d’onda, di bordo o di diffusione multipla dovuti al supporto) della massima potenza misurata per ciascun convertitore sono riportati nella seguente tabella, e confermano gli eccellenti risultati ottenibili con i dispositivi fotovoltaici comprendenti i convertitori secondo la presente invenzione: Campione P (mW) Composto luminescente
S1 7,79 Nessuno
6,57 NessunoS2
10,37 Composto diS3
formula (III)
18,42 Composto diS4
formula (IV)
24,03 Composti diS5
formula (III) e (IV)
Claims (19)
- RIVENDICAZIONI 1) Composizione fotoluminescente comprendente un composto acenico di formula generale (I) o (Ia) R" X" (I) mn X' R' Ra" Xa" p (Ia) Xa' Ra' in cui n à ̈ un numero intero variabile da 1 a 3, preferibilmente 1, m à ̈ un numero intero variabile da 0 a 2, preferibilmente 0, e p à ̈ un numero intero variabile da 1 a 3, preferibilmente 1; R’ e R†rappresentano, ciascuno indipendentemente, un gruppo aromatico o eteroaromatico, eventualmente sostituito, legato ad X’ e, rispettivamente, ad X†mediante un atomo dell’anello aromatico, preferibilmente scelto tra fenile, pirroile, piridile, carbazoile e loro derivati sostituiti; X’ e X†sono, ciascuno indipendentemente, scelti tra un legame covalente e un gruppo divalente -C≡C-o -CH=CH-; Ra’, Ra†, Xa’ e Xa†in formula (Ia) hanno rispettivamente lo stesso significato dei corrispondenti gruppi R’, R†, X’ e X†sopra definiti, oppure ciascun gruppo [Ra’- Xa’-] o [Ra†- Xa†-] à ̈ H o un gruppo alchilico avente da 1 a 5 atomi di carbonio, con la condizione che almeno uno di ciascun gruppo Ra’, Ra†, Xa’ e Xa†abbia lo stesso significato dei corrispondenti gruppi R’, R†, X’ e X†; ed un composto benzotiadiazolico di formula generale (II) in cui ciascun R1à ̈ indipendentemente un gruppo alchinile R3C≡C-, o un gruppo aromatico o eteroaromatico, eventualmente sostituito, coniugato con l’anello benzenico del benzotiadiazolo, dove R3à ̈ H, un gruppo alchilico eventualmente fluorurato, avente da 1 a 8 atomi di carbonio o un gruppo aromatico o eteroaromatico, eventualmente sostituito, avente da 4 a 10 atomi di carbonio, ciascun R2à ̈ indipendentemente H oppure un gruppo alchilico avente da 1 a 10 atomi di carbonio, e preferibilmente à ̈ H.
- 2) Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui uno o più dei gruppi R’, R†, in formula (I) o Ra’, Ra†in formula (Ia), sono sostituiti, preferibilmente sull’anello aromatico, con almeno un gruppo scelto tra –F, -OH, -OR, -R, -ROH, -OROH, -NHR, -CN, fenile, fluorofenile, dove R à ̈ un gruppo alchilico lineare o ramificato, contenente da 1 a 10 atomi di carbonio.
- 3) Composizione secondo la rivendicazione 2, in cui R1, R’, R†, Ra’ e Ra†sono sostituiti con da 1 a 5 atomi di F.
- 4) Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui almeno uno dei gruppi R1in formula (II), à ̈ sostituito, preferibilmente su R3o sull’anello aromatico coniugato, con almeno un gruppo scelto tra – F, -OH, -OR, -R, -ROH, -OROH, -NHR, -CN, fenile, fluorofenile, dove R à ̈ un gruppo alchilico lineare o ramificato, contenente da 1 a 10 atomi di carbonio.
- 5) Composizione secondo la rivendicazione 1 in cui i due gruppi R1in formula (II), i gruppi R’ e R†in formula (I), e i gruppi Ra’, Ra†in formula (Ia), sono rispettivamente uguali tra loro.
- 6) Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui R1à ̈ un gruppo tienile (-C4H3S), tieniletinile (-C≡C-C4H3S), piridile (-C5H4N), eventualmente sostituito con uno o più atomi di fluoro.
- 7) Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui R’X’, R†X†, Ra’Xa’ e Ra†Xa†sono scelti nel gruppo consistente di fenile (C6H5-), etinilfenile (C6H5C≡C-) o stirile (C6H5CH=CH-), eventualmente sostituito con uno o più atomi di fluoro.
- 8) Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui i gruppi sostituenti R’X’ e R†X†sono localizzati sullo stesso anello benzenico, o su due diversi anelli benzenici, reciprocamente disposti in posizione para.
- 9) Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui, nei composti di formula (I), i gruppi sostituenti R’ e R†sono gruppi fenile, più preferibilmente, R’X’ e R†X†sono gruppi feniletinile.
- 10) Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui il composto acenico à ̈ il composto di formula (III) .
- 11) Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui il composto benzotiadiazolico à ̈ il composto di formula (IV) .
- 12) Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui il composto acenico di formula generale (I) Ã ̈ il composto di formula (III) ed il composto benzodiatiazolico di formula generale (II) Ã ̈ il composto di formula (IV).
- 13) Composizione secondo la rivendicazione 1, in cui il composto acenico di formula generale (I) Ã ̈ 9,10-pentafluorofenilantracene ed il composto benzodiatiazolico di formula generale (II) Ã ̈ il composto di formula (IV).
- 14) Composizione secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il rapporto molare tra il composto di formula (I) o (Ia) e il composto di formula (II) à ̈ compreso tra 0,2 e 5,0, preferibilmente tra 0,5 e 2,0, più preferibilmente tra 0,9 e 1,1.
- 15) Composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 14, in cui i composti (I), (Ia) e (II) sono in soluzione, in forma di gel, dispersi in fuso in materiali polimerici, ancorati a matrici polimeriche.
- 16) Composizione secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la concentrazioni dei composti di formula generale (I), (Ia) e (II) nelle matrici polimeriche, nelle soluzioni o nei gel in cui possono essere dispersi sono comprese tra 0,05% e 10%, preferibilmente tra 0,1% e 5%, in peso.
- 17) Uso di una composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 16 come composizione fotoluminescente in un convertitore di spettro.
- 18) Convertitore di spettro comprendente una composizione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 16.
- 19) Dispositivo solare comprendente un convertitore di spettro secondo la rivendicazione 18.
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