Development of glass-based luminescent solar concentrators for building-integrated photovoltaic applications
Binalara entegre fotovoltaik uygulamaları için cam tabanlı lüminesan güneş yoğunlaştırıcıların geliştirilmesi
- Tez No: 997904
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ ERÇİN ERSUNDU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bina ile bütünleşik fotovoltaik (BIPV) sistemler, doğrudan, dağınık ve iç mekân aydınlatması altında çalışabilen şeffaf, dayanıklı ve ölçeklenebilir ışık toplayıcı yüzeylere ihtiyaç duyar. Lüminesanslı güneş yoğunlaştırıcılar (LSC'ler), geniş bir yüzeyden güneş ışığını toplayıp cihaz kenarlarına yerleştirilen küçük fotovoltaik hücrelere dalga kılavuzluğu yoluyla yönlendirerek bu gereksinimi karşılar. Bu çalışmada, 2.5 mm kalınlığında iki cam esaslı LSC platformu geliştirilmiştir: (i) yüksek şeffaflık ve renk nötrlüğü için tasarlanan Eu3+ katkılı camlar ve (ii) yüksek foton dönüşüm performansı için geliştirilen CsPbBr3 perovskit kuantum nokta cam nanokompozitleri (PQD-GNC). Laboratuvar ölçekli sonuçların metre ölçeğine taşınması için birleşik deneysel ve model tabanlı bir yaklaşım uygulanmıştır. Eu3+ katkılı camlarda katkı oranının optimize edilmesi, optik berraklık ve renk nötrlüğü korunurken taşıma kayıplarını en aza indirmiştir. 2×2 ile 6×6 cm2 arasında üretilen LSC cihazları, görünür bölgede ortalama ~%90 geçirgenlik, neredeyse nötr renk üretimi (CRI ≈ 98) ve yüksek çevresel kararlılık sergilemiştir. Dış foton verimliliği (ηext) tüm boyutlarda ~%6.4 civarında sabit kalarak ölçekleme sırasında dalga kılavuzu kaynaklı kayıpların ihmal edilebilir olduğunu göstermiştir. Buna karşın, 〖PCE〗_lsc değeri boyut artışıyla 0.852%'den 0.164%'e düşmüştür. Bu azalma tamamen geometrik bir etkiden kaynaklanmaktadır: ışık toplayan yüzey alanı karesel olarak artarken, enerji dönüştüren kenar alanı yalnızca doğrusal olarak büyümektedir. Sonuç olarak birim alan başına verim düşerken, toplam akım, gerilim ve güç çıktıları cihaz boyutuyla birlikte artmaktadır. PQD-GNC LSC'lerde geniş soğurma profili ve yüksek kuantum verimi (QY ≈ %97) birlikte etkin foton dönüşümünü mümkün kılmaktadır. 1×1 cm2 boyutunda 〖PCE〗_lsc %3.16, optik verim %27.13 ve ηext %53.7 olarak elde edilmiştir. Boyut 5×5 cm2'ye çıkarıldığında toplam elektrik çıktısı artmakta, ancak 〖PCE〗_lsc geometrik kazanım sebebiyle %0.38'e düşmektedir. Optik verim ve ηext sırasıyla %0.38, %2.78 ve %35.2'ye düşmektedir; ki bu durum dalga kılavuzu kayıplarının ortaya çıkmasıyla ilişkilidir. 100×100 cm2'ye kadar yapılan Monte Carlo simülasyonları, optik performanstaki ilk düşüşün yaklaşık 3×3 cm2 civarında doygunluğa ulaştığını ve dalga kılavuzu kayıpları ile artan ışık toplama alanı arasında bir denge oluştuğunu, dolayısıyla artan boyutun artık cihaz performansını etkilemediğini göstermektedir. Sonuç olarak, Eu3+ katkılı camlar estetik nötrlüğü, PQD-GNC sistemleri ise yüksek foton dönüşüm kapasitesini öne çıkaran tamamlayıcı LSC platformları sunmaktadır. Bu bulgular, mimari cepheler ve pencereler gibi BIPV uygulamaları için dayanıklı ve ölçeklenebilir cam tabanlı LSC'lerin uygulanabilirliğini ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
Building-integrated photovoltaics (BIPV) require transparent, durable, and scalable light-harvesting surfaces capable of operating under direct, diffuse, and indoor illumination. Luminescent solar concentrators (LSCs) address this need by collecting sunlight over a large area and guiding it to small photovoltaic cells located at the device edges. In this study, two glass-based LSC platforms are developed within a 2.5-mm-thick architecture: (i) Eu3+-doped glasses designed for high transparency and color neutrality, and (ii) CsPbBr3 perovskite quantum dot glass nanocomposites (PQD-GNCs) engineered for high photon-conversion efficiency. A unified experimental and model-based framework is applied to relate laboratory-scale results with meter-scale performance. For Eu3+-doped glasses, optimization of dopant concentration minimizes transport losses while preserving optical clarity. LSC devices fabricated in sizes ranging from 2×2 to 6×6 cm2 exhibit an average visible transmittance of ~90%, near-neutral color rendering (CRI ≈ 98), and strong environmental stability. The external photon efficiency (ηext) remains nearly constant at ~6.4% for all device sizes, indicating negligible waveguide-related losses during scaling. However, the peak 〖PCE〗_lsc decreases from 0.852% to 0.164% with increasing dimensions. This reduction arises purely from geometric effects: while the light-collecting surface area increases quadratically, the energy-converting edge area grows only linearly. As a result, efficiency per unit area declines, even though absolute current, voltage, and power output increase with device size. In PQD-GNC LSCs, a broad absorption profile combined with a high quantum yield (QY ≈ 97%) enables efficient photon conversion while maintaining ~90% transmittance beyond the absorption edge. At 1×1 cm2, devices achieve a 〖PCE〗_lsc of 3.16%, an optical efficiency of 27.13%, and ηext of 53.7%. When scaled to 5×5 cm2, total electrical output increases, but 〖PCE〗_lsc decrease to 0.38% due to geometric gain. Optical efficiency and ηext decrease to, 2.78%, and 35.2%, respectively, due to emerging waveguide losses. Monte Carlo simulations extended to 100×100 cm2 reveal that this initial performance decline saturates near 3×3 cm2, reflecting a balance between waveguide losses and the expanding geometric gain, indicating further increase in size does not affect device performance. Overall, Eu3+-doped glasses and PQD-GNCs represent complementary LSC platforms, emphasizing aesthetic neutrality and high photon-conversion performance, respectively. These findings demonstrate the feasibility of durable and scalable glass-based LSCs for BIPV applications such as architectural facades and windows.
Benzer Tezler
- Improvement of luminescence properties of zinc borosilicate glasses for white led applications
Beyaz led uygulamaları için çinko borosilikat camların lüminesans özelliklerinin geliştirilmesi
SENA DAYIOĞLUGİL
Doktora
İngilizce
2024
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK
- Eu+3 katkılı borat camlarının optik ve lüminesans özelliklerinin fotonik uygulamalar açısından araştırılması
Investigation of optical and luminescence properties of Eu3+ doped borate glasses for photonic applications
ATILAY GÜNGÖR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Fizik ve Fizik MühendisliğiAydın Adnan Menderes ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYTAÇ GÜRHAN GÖKÇE
- Bor içeren donör-akseptör (D-A) organik materyallerin sentezi ve özelliklerinin incelenmesi
Syntheses of boron containing donor-acceptor (D-A) organic materials and investigation of their properties
ONUR ŞAHİN
- Samarium and thulium doped luminescent glass-based LEDs in indoor agriculture applications and their effects on plant growth
Samaryum ve tulyum katkılı lüminesan cam bazlı LED'lerin iç mekan tarım uygulamalarında kullanımları ve bitki gelişimine etkileri
UTKU EKİM
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ ERÇİN ERSUNDU
- Lanthanide and/or quantum dot doped luminescent glasses/glass nanocomposites as wavelength convertors for advanced opto electronic applications
İleri opto-elektronik uygulamalar için dalga boyu dönüştürücüler olarak lantanit ve/veya kuantum nokta katkılı luminesan cam ve cam nanokompozitler
ORHAN KIBRISLI
Doktora
İngilizce
2022
Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ ERÇİN ERSUNDU