Nanocomposites for optical applications

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.