Integration of optically random media into optoelectronic devices

Resumen

El trabajo descrito en esta tesis aborda los fenómenos de mejora de absorción y emisión de luz en medios ópticos desordenados y su implementación en dispositivos optoelectrónicos, tales como dispositivos emisores de luz (LEDs) y celdas solares de colorante (DSSCs). Mientras que las estructuras periódicas han demostrado un control de la propagación de la luz sin precedentes, estructuras ópticamente desordenadas que poseen una variación aleatoria del índice de refracción pueden igualmente modificar la propagación de la luz de forma significativa. En este trabajo se propone y se lleva a cabo la fabricación de un nuevo medio óptico desordenado denominado vidrio de Mie, que consiste en una matriz porosa transparente en forma de lámina en la que se distribuyen de forma aleatoria centros dispersores de tamaño y forma controlados. Concretamente, se fabrican tres vidrios de Mie, que consisten en una matriz porosa de TiO2, una matrix altamente porosa de SiO2 y una matriz porosa de un material luminiscente que integran esferas monodipersas de TiO2 cristalina, de los que se espera una intensa fuerza de dispersión, y se caracterizan sus propiedades ópticas. Un análisis de su respuesta óptica demuestra que la propagación de la luz en estos materiales puede predecirse empleando el formalismo de Mie, que tiene en cuenta la dispersión de la luz por una partícula individual, probando así su comportamiento como una versión sólida de las suspensiones de partículas en un medio líquido típicamente empleadas en el campo de laseo aleatorio. En consecuencia, el vidrio de Mie permite diseñar sus propiedades de dispersión previamente a su fabricación a través de las condiciones del desorden óptico incluido, posibilitando así un control de su respuesta óptica. Como parte del proceso de fabricación, se aborda la preparación de láminas de índice de refracción ultrabajo controlado y la preparación de láminas luminiscentes basadas en nanofósforos. Además, se desarrolla y se describe un procedimiento para la fabricación de láminas flexible y autosoportadas de los vidrios de Mie basados en matrices de alto índice de refracción. Tras demostrar una mejora controlada de absorción de luz en el vidrio de Mie basado en una matriz mesoporosa de TiO2, el material típicamente empleado como fotoánodo en DSSCs, sensibilizado con un colorante absorbente debido a fenómenos de dispersión de la luz, se integra como electrodo en DSSCs bifaciales. Una caracterización optoeléctrica completa demuestra una mejora en el funcionamiento de estos dispositivos, que ofrecen control mediante el tamaño y la concentración de los centros dispersores incluidos. Este material también muestra una mejora controlada de su fotoluminiscencia cuando se infiltra con moléculas orgánicas de un colorante emisor, probando así su potencial para aplicaciones de conversión de color. Finalmente, un análisis de la fotoluminiscencia del vidrio de Mie basado en una matriz de nanofósforos demuestra una mejora sintonizable de su intensidad de emisión como consecuencia de un proceso controlado de desacople de la luz generada del material, lo que demuestra ser válido para láminas rígidas y para aquellas flexibles autosoportadas. Este material presenta potencial para ser empleado como una lámina de conversión eficiente de bajo coste para LEDs. Esta tesis combina métodos teóricos con procedimientos experimentales de preparación y caracterización que permiten una comprensión profunda de la propagación de la luz en medios ópticos desordenados y el efecto de integrarlos en DSSCs bifaciales y emplearlos como conversores de color en aplicaciones de emisión de luz.