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Pulsed laser deposition based nanodecoration of carbon-based nanomaterials, their characterizations, and integration into third generation photovoltaic devices.

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Imbrogno, Alessandra (2018). Pulsed laser deposition based nanodecoration of carbon-based nanomaterials, their characterizations, and integration into third generation photovoltaic devices. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 87 p.

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Résumé

Le projet de thèse porte sur la synthèse et la caractérisation de nanomatériaux à base de carbone et leur décoration subséquente par des nanoparticules en utilisant la technique de déposition par ablation laser pulsée (ALP). L'objectif ultime étant d'optimiser les conditions de décoration afin de développer de nouvelles électrodes hautement performantes pour les cellules solaires sensibilisées par colorant (communément connues sous le sigle DSCC pour "Dye sensitized solar cells"). Les cellules solaires à colorant appartiennent à la troisième génération de dispositifs photovoltaïques, et sont principalement composées de deux électrodes (photoanode et cathode) déposées sur des verres revêtus de fims de FTO (Fluorine-doped Tin Oxide) transparents et conducteurs électriquement. La photoanode, également appelée "électrode de travail" ou "Working electrode (WE)", est constituée d'un film mince de TiO₂, déposé sur un le verre revêtu de FTO, sensibilisé par un colorant organique. La cathode, appelée "contre-électrode (CE)", est constituée d'un film mince de platine pulvérisé sur un verre-FTO conducteur. L'espace entre ces deux électrodes est rempli d'une solution d'électrolyte composée d'un couple redox. Le grand avantage de ces dispositifs solaires par rapport aux dispositifs solaires traditionnels, à base de silicium, réside dans les processus de fabrication relativement simples et l'utilisation de matériaux abondants sur la terre. Cependant, l'efficacité de conversion des DSSC est encore modeste avec des efficacités de conversion atteignant à peine les 18% pour les DSSC de type solide et les 10% pour les DSSC de type liquide. Les principaux problèmes affectant l'efficacité photovoltaïque des DSSC sont la détérioration du colorant, la forte recombinaison des paires électrons/trous (e-/h+) dans le substrat de TiO₂, la résistance de contact entre la contre- électrode et l'électrolyte, et la dégradation de la CE de platine dans la solution d'électrolyte. Au cours des deux dernières décennies, de nombreux efforts ont été déployés pour résoudre ces problèmes, et certains progrès ont été faits en modifiant à la fois les électrodes de travail et les contre-électrodes. Ce projet de doctorat s'inscrit dans cette thématique de recherche visant à améliorer la structure et les propriétés des matériaux formant les deux électrodes des cellules DSSC de type liquide. Pour ce faire, nous avons opté pour l'utilisation des nanomatériaux à base de carbone. Pour la contre-électrode, nous avons démontré que le platine onéreux et instable dans l'électrolyte peut être remplacé efficacement par des nanotubes de carbone multi-parois (MWCNT) recouverts par des nanoparticules de Co-Ni déposées par ALP. Ces nouvelles CE (moins coûteuses) assurent non seulement une bonne résistance à l'action corrosive de la solution électrolytique, mais offrent également une plus grande surface active qui améliore la catalyse de la réaction redox, résultant en une amélioration significative de la performance photovoltaïque du dispositif DSSC. Nous avons en effet pu corréler la performance de photoconversion des DSSC à la rugosité de surface des CE formée par les nanoparticules de Co-Ni. Du côté de l'électrode de travail, nous nous sommes concentré sur l'insertion des différents nanomatériaux à base de carbone (les MWCNTs et les feuillets de graphène) pour améliorer la conductivité des films de TiO₂ tout en réduisant les recombinaisons des paires (e-/h+). En combinant les conditions de préparation optimales de nos CE et WE, nous avons réussi à obtenir une efficacité de photoconversion maximale de 9.8% (qui est de 57% plus élevée que celles obtenues avec des CE de platine). Ces résultats montrent clairement le potentiel de l'approche ALP pour la décoration des électrodes par des nanoparticules métalliques ayant une haute pureté et une grande adhésion à la surface. Ils ouvrent ainsi des perspectives fort prometteuses pour des applications de DSSC.

Abstract

The thesis project is focused on the synthesis and characterization of carbonbased nanomaterials and their subsequent decoration by nanoparticles using the pulsed laser ablation technique (PLA). The ultimate goal is to optimize the conditions for the decoration in order to develop new high performance electrodes for dye sensitized solar cells (commonly known as DSCC for "Dye sensitized solar cells"). The dye solar cells belong to the third generation of photovoltaic devices, and are mainly composed of two electrodes (photoanode and cathode) deposited on glasses coated with electrically conductive and transparent FTO films (Fluorine-doped Tin Oxide). The photoanode, also called "Working electrode (WE)", consists of a thin fillm of TiO₂, deposited on a glass coated with FTO, sensitized with an organic dye. The cathode, referred to as the "counter electrode (CE)", consists of a platinum thin film sprayed onto a conductive FTO-glass. The space between these two electrodes is filled with an electrolyte solution composed of a redox couple. The great advantage of these solar devices over traditional silicon-based solar devices is the relatively simple manufacturing processes and the use of materials which are abundant on the Earth. However, the conversion efficiency of DSSCs is still modest with conversion efficiencies as low as 18% for solid DSSCs and 10% for liquid DSSCs. The main problems affecting the photovoltaic efficiency of DSSCs are the deterioration of the dye, the strong recombination of the electron / hole pairs (e- / h +) in the TiO₂ substrate, the contact resistance between the counter-electrode and the electrolyte, and degradation of platinum CE in the electrolyte solution. Over the last two decades, many efforts have been made to address these problems, and some progress has been made in modifying both the working and the counter electrodes. This doctoral project is part of this research theme aimed at improving the structure and properties of the materials forming the two electrodes of liquid-type DSSC cells. To do this, we opted for the use of carbon nanomaterials. For the counter-electrode, we have demonstrated that platinum that is expensive and unstable in the electrolyte can be effectively replaced by multiwall carbon nanotubes (MWCNT) coated with PLA-deposited Co-Ni nanoparticles. These new (cheaper) CEs not only provide good resistance to the corrosive action of the electrolytic solution, but also provide a larger active surface that improves the catalysis of the redox reaction, resulting in a signi_cant improvement in the photovoltaic performance of the DSSC device. We have indeed correlated the photoconversion performance of DSSC with the surface roughness of the CE formed by the nanoparticles of Co-Ni. On the working electrode side, we focused on the insertion of the various carbon-based nanomaterials (MWCNTs and graphene sheets) to improve the conductivity of TiO₂ films while reducing recombination of pairs (e - / h +). By combining the optimal preparation conditions of our CE and WE, we achieved a maximum photoconversion efficiency of 9.8% (which is 57% higher than those obtained with platinum CEs). These results clearly show the potential of the ALP approach for the decoration of electrodes by metal nanoparticles having a high purity and a great adhesion to the surface. They open up very promising prospects for DSSC applications.

Estratto

Il progetto di tesi è incentrato sulla sintesi e caratterizzazione di nanomateriali a base di carbonio e sulla loro successiva decorazione mediante nanoparticelle utilizzando la tecnica di ablazione laser pulsata (PLA). L'obiettivo finale è quello di ottimizzare le condizioni per la decorazione al fine di sviluppare nuovi elettrodi ad alte prestazioni per celle solari sensibilizzate con coloranti (comunemente note come DSCC, "Dye-sensitized Solar Cells"). Le celle solari con colorante appartengono alla terza generazione di dispositivi fotovoltaici e sono principalmente composte da due elettrodi (fotoanode e catodo) depositati su vetri rivestiti con film FTO elettricamente conduttivi e trasparenti (ossido di stagno drogato con uoro). Il fotoanodo, chiamato anche "working electrode (WE)", consiste in un film sottile di TiO₂, depositato su un vetro rivestito di FTO, sensibilizzato con un colorante organico. Il catodo, indicato come "controelettrodo (CE)", è costituito da un film sottile di platino spruzzato su un vetro FTO conduttivo. Lo spazio tra questi due elettrodi è riempito con una soluzione elettrolitica composta da una coppia redox. Il grande vantaggio di queste celle solari rispetto ai tradizionali dispositivi basati sul silicio sono i processi di produzione relativamente semplici e l'uso di materiali che sono abbondanti sulla Terra. Tuttavia, l'efficienza di conversione delle DSSC è ancora modesta con efficienze di conversione inferiori al 18% per le DSSC a stato solido e al 10% per le DSSC a stato liquido. I principali problemi che riguardano l'efficienza fotovoltaica delle DSSC sono il deterioramento del colorante, la forte ricombinazione delle coppie di elettroni / lacune (e- / h +) nel substrato di TiO₂, la resistenza di contatto tra il contro-elettrodo e l'elettrolita, e degradazione del CE di platino nella soluzione elettrolitica. Negli ultimi due decenni, sono stati fatti molti sforzi per risolvere questi problemi e sono stati fatti alcuni progressi nella modifica sia dei fotoanodi che dei contro-elettrodi. Questo progetto di dottorato fa parte del filone di ricerca volto a migliorare la struttura e le propriet_a dei materiali che formano i due elettrodi delle cellule DSSC di tipo liquido. Per fare questo, abbiamo optato per l'uso di nanomateriali di carbonio. Per il contro-elettrodo, abbiamo dimostrato che il platino che è costoso e instabile nell'elettrolita può essere efficacemente sostituito da nanotubi di carbonio a pareti multiple (MWCNT) rivestiti con nanoparticelle di Co-Ni depositate con PLA. Questi nuovi CE (meno costosi) non solo forniscono una buona resistenza all'azione corrosiva della soluzione elettrolitica, ma forniscono anche una superficie attiva più ampia che migliora la catalisi della reazione redox, determinando un significativo miglioramento delle prestazioni fotovoltaiche del dispositivo DSSC. Abbiamo infatti correlato le prestazioni di fotoconversione della DSSC con la rugosità superficiale del CE formato dalle nanoparticelle di Co-Ni. Sul lato del fotoanodo, ci siamo concentrati sull'inserimento di vari nanomateriali a base di carbonio (MWCNT e fogli di grafene) per migliorare la conduttività dei film di TiO₂ riducendo la ricombinazione delle coppie (e - / h +). Combinando le condizioni di preparazione ottimali dei nostri CE e WE, abbiamo ottenuto un' efficienza di fotoconversione massima del 9,8% (che è del 57% superiore a quella ottenuta con CE di platino). Questi risultati mostrano chiaramente il potenziale dell'approccio PLA per la decorazione di elettrodi da parte di nanoparticelle metalliche con un'elevata purezza e una grande adesione alla superficie, aprendo prospettive molto promettenti per le applicazioni nelle DSSC.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: El Khakani, My Ali
Co-directeurs de mémoire/thèse: Bonanno, Assunta; Macario, Anastasia
Mots-clés libres: cellules solaires sensibilisées par colorant; électrodes; ablation laser pulsée; nano-décoration; nanoparticules de Co/Ni; nanomatériaux à base de carbone; dye sensitized solar cells; electrodes; pulsed laser ablation; nano-decoration; Co/Ni nanoparticles; carbon-based nanomaterials; celle solari sensibilizzate con colorante; elettrodi; ablazione laser pulsata; nano-decorazione; nanoparticelle di Co/Ni; nanomateriali a base di carbonio
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 19 oct. 2018 15:39
Dernière modification: 19 oct. 2018 15:39
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/7643

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