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Synthèse par ablation laser KrF de nanotubes de carbone monoparois (NTCSPs) et leur intégration dans des dispositifs photovoltaïques hybrides de type NTCSPs/n-Silicium.

Le Borgne, Vincent (2013). Synthèse par ablation laser KrF de nanotubes de carbone monoparois (NTCSPs) et leur intégration dans des dispositifs photovoltaïques hybrides de type NTCSPs/n-Silicium. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 179 p.

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Résumé

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Des dispositifs phovoltaïques hybrides constitués de nanotubes de carbone monoparoi (NTCSPs) et de silicium type n ont été développés et étudiés au cours de cette thèse. Pour ce faire, trois étapes critiques et interdépendantes ont du être complétées avec succès. Premièrement, nous avons développé un procédé de synthèse des NTCSPs par ablation laser KrF. Un faisceau laser (248 nm, 20 ns, 40 Hz) est focalisé sur une cible composée de poudre de grapite et de catalyseur métallique (Co/Ni). La cible est placée dans un réacteur unique en « y» développé pour ce travail, qui la maintient sous une atmosphère inerte de Ar. Nous avons combiné l'optimisation des paramètres de croissance avec des caractérisations poussées (Raman, microscopie électronique, photoluminescence) pour proposer un modèle de croissance des NTCSPs. Nous montrons notamment qu'il est possible de contrôler le ratio de NTCSPs et de C60 en contrôlant la proportion de catalyseur dans la cible. Les NTCSPs optimisés et retenus pour leur intégration dans des dispositifs photovoltaïques présentent un diamètre moyen de 1.3 nm avec la température de synthèse de 1150 °C et une concentration de catalyseur de 1.2 at. %. Deuxièmement, afin d'être intégrés dans des dispositifs, les NTCSPs sont purifiés de façon à retirer les résidus de catalyseur métallique et de carbone amorphe puis déposés sous forme de film mince. Trois méthodes de fabrication de film mince sont proposées: le « drop casting », le « spin coating » et le « spray coating . » Troisièmement, les films sont déposés sur des substrats de n-Si spécialement préparés. Nous avons été parmi les premiers à présenter l'efficacité quantique externe de ce genre de dispositif et à démontrer la capacité des NTCSPs à participer à la génération de photo courant. De plus, nous avons démontré qu'il est possible d'utiliser une figure de mérite combinant la transparence et la résistance feuille des films et montré qu'il y a une forte corrélation entre celle-ci et l'efficacité de photo génération. Finalement, nous nous attardons au mécanisme de production de photocourant et montrons que les NTCSPs se comportent comme la partie «p» d'une jonction p-n avec le silicum.

Abstract

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Hybrid photovoltaic devices built from single wall carbon nanotubes (SWCNTs) and n-type silicon were developed over the course of this work. To achieve this goal, three steps have to be achieved. First, we have developed a KrF laser ablation SWCNTs synthesis process. A laser beam (248 nm, 20 nm, 40 Hz) is focalized onto a graphite-catalyst (CoNi) target. It is located inside a novel "y" shaped reactor design and buitt for this project where it is held in an high temperature inert Ar atmosphere. We have combined the growth parameter optimization with advanced caracterization techniques (Raman, electron microscopie, photoluminescence) to introduce a new growth model for SWCNTS. We have shown that it is possible to control the C60 to SWCNTs ratio in a synthesis by tuning the catalyst content of the target. The optimized SWCNTs used in this work for integration into photovoltaic devices have an average diameter of 1.3 nm for a synthesis temperature of 1150 °C and a target catalyst content of 1.2 at. % Secondly, before integration into devices, SWCNTs undergo a purification pro cess to remove metal catalyst and amorphous carbon residue. In order to integrate them into devices, three methods of thin film fabrication are proposed: drop casting, spin coating and spray coating. Thirdly, the films are are deposited onto specially-prepared n-Si substrates to study their photogeneration properties. We were among the first to report the external quantum efficiency of this type of device and to evidence the SWCNTs' contribution to photocurrent generation. Moreover, introduce a figure of merit and show that it bears a strong correlation with photogeneration efficiciency. We discuss extensively the generation mechanism and show that SWCNTs behave as the p part of a p-n junction with silicon.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: El Khakani, My Ali
Co-directeurs de mémoire/thèse: De Crescenzi, Maurizio
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: nanotubes de carbone monoparois; laser KrF; dépôt par laser pulsé; photovoltaïque; cellule solaire
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 09 juill. 2014 21:01
Dernière modification: 23 nov. 2015 21:14
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2150

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