Metamateriali Attivi per Sistemi Fotonici per Irraggiamento Diurno

Abstract

I radiatori diurni per raffreddamento passivo (Passive Daytime Radiative Coolers, PDRC) sono sistemi fotonici in grado, se esposti a cieli sereni, di raffreddarsi spontaneamente al di sotto di temperatura ambiente anche sotto l'influsso di pieno irraggiamento solare. Per garantire tali prestazioni, i sistemi PDRC devono presentare specifiche proprietà fotoniche su un intervallo spettrale ampio, che va dal vicino ultravioletto fino al medio infrarosso. Tipicamente, le caratteristiche fotoniche, e quindi termodinamiche, di tali sistemi sono fissate all'atto della loro fabbricazione, limitandone la potenziale applicazione in ambienti con forti variazioni diurne o stagionali della temperatura. Il progetto presentato all'interno di questa tesi mira invece alla fabbricazione di radiatori diurni per raffreddamento attivo (Active Daytime Radiative Coolers, ADRC), le cui proprietà ottiche possano essere variate mediante stimoli esterni, in particolare attraverso applicazione di basse tensioni al sistema. A tal fine, si studierà l'introduzione all'interno dei radiatori diurni di metamateriali contenenti materiali otticamente attivi. In particolare, all'interno di questa tesi, verranno trattati sistemi multistrato del tipo riflettori di Bragg distribuiti (Distributed Bragg Reflectors, DBR), costruiti a partire da sospensioni colloidali di nanoparticelle tramite la tecnica dello spin coating e aventi come una delle due componenti un ossido trasparente conduttivo (Transparent Conducting Oxide, TCO). Osserveremo che, proseguendo il progetto in questa direzione, sarà possibile ottenere un'ottimizzazione su tutto lo spettro utile delle proprietà ottiche e termodinamiche degli ADRC.

Passive Daytime Radiative Coolers (PDRCs) are photonic systems capable, when exposed to clear skies, of spontaneously cooling below ambient temperature even under full solar irradiation. To achieve such performance, PDRCs must exhibit specific photonic properties over a broad spectral range, extending from the near-ultraviolet to the mid-infrared. Typically, the photonic, and consequently thermodynamic, properties of these systems are fixed at the time of fabrication, limiting their potential application in environments characterized by significant diurnal or seasonal temperature variations. The project presented in this thesis instead aims at the fabrication of Active Daytime Radiative Coolers (ADRCs), whose optical properties can be dynamically modified through external stimuli, in particular by applying low voltages to the system. To this end, the incorporation of metamaterials containing optically active materials into daytime radiative coolers will be investigated. In particular, this thesis focuses on multilayer systems based on Distributed Bragg Reflectors (DBRs), fabricated from colloidal nanoparticle suspensions by means of spin coating, with one of the two constituent materials being a Transparent Conducting Oxide (TCO). It will be shown that, by further developing the project in this direction, it is possible to optimize the optical and thermodynamic properties of ADRCs across the entire relevant spectral range.