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Engineered semiconducting nanomaterials for photovoltaic applications .

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Benetti, Daniele (2019). Engineered semiconducting nanomaterials for photovoltaic applications . Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 196 p.

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Résumé

Pour réduire notre dépendance de combustibles fossiles et contrôler les émissions de gaz à effet de serre, il est nécessaire de passer à des sources d'énergie plus durables. Ce défi peut être relevé par les cellules solaires dites de troisième génération. Au cours de la dernière décennie, ces dispositifs se sont rapidement améliorés en matière d'efficacité de photoconversion et sont devenus l'une des alternatives les plus rentables par rapport aux cellules de silicium disponibles sur le marché, grâce à la disponibilité des matériaux et des processus de fabrication simples et peu coûteux. Cette thèse explore principalement les interactions entre les matériaux semi-conducteurs et comment leurs propriétés peuvent être contrôlées, en appliquant des modulations appropriées des interfaces des nanomatériaux. Plus précisément, ce travail se focalise sur l’étude de trois types de cellules solaires : à colorant (DSSC), à points quantiques (QDSC) et celles à perovskite (PSC) allons des études fondamentales de l'alignement énergétique de la bande et de la dynamique des porteurs dans les points quantiques de chalcogénure métallique composite (QD) jusqu'à la réalisation de dispositifs pleinement opérationnels, avec des couches d'interface modifiées afin de réduire la recombinaison porteuse et améliorer la collecte et donc le rendement final et la stabilité. Une nouvelle photo anode pour DSSC est présentée. Un composite de nanotubes de carbone fonctionnalisés à parois multiples (F-MWCNTs) et de TiO2 est utilisé comme photo anodes et le rôle du F-MWCNTS dans le transfert de charge sont étudiés. De l'autre côté, le film mince commun coûteux en Pt CE en DSSC est remplacé par un CE nanostructuré à faible coût fait de nanofibres creuses en Pt/Pd d'alliage sont proposées. Là CE produite est non seulement moins chère, mais aussi plus performante. En QDSC, la modulation de l'injection de charge peut être réalisée en choisissant correctement la composition des QDs. Cependant, on manque encore d'études sur la dynamique de charge et la structure locale de la bande électronique dans les objets à l'échelle quantique nanométrique directement développée sur des substrats. Pour cette raison, dans ce travail, nous étudions les propriétés électriques de chaque QD de chalcogénure métallique de tailles différentes sur un matériau semblable au graphème en utilisant une technique avancée telle que la microscopie à force de sonde Kelvin (KPFM). Les PSC avec structure p-i-n inversée sont également fabriqués. Le PEDOT: PSS HTL commun est remplacé par un HTL hybride basé sur un composite d'oxyde de graphène (OG) et de points de carbone (Cdots). La présence de Cdots résout le problème d’OG comme goulot d'étranglement pour l'extraction des trous de la couche de pérovskite. La contribution des Cdots pour améliorer la performance finale a été étudiée.

Abstract

To reduce our dependence on fossil fuels and control the greenhouse emissions, it is necessary to transit to more sustainable sources of energy. This challenge may be addressed by the so-called 3rd generation solar cells. In the last decade, these devices have rapidly improved in terms of photoconversion efficiency and became one of the most cost-effective alternatives to the commercial available silicon cells, due to simple, low-cost materials and fabrication process. This thesis explores how semiconducting materials interact with each other and how, by applying suitable modulations of the interfaces of nanomaterials, we can control proprieties, such as charge injection and light management, in order to improve the final performances of the device. Specifically, this work focuses on Dye Sensitized Solar Cells (DSSCs), Quantum Dots Solar Cells (QDSCs) and Perovskite Solar Cells (PSCs) starting from fundamental studies of band energy alignment and carrier dynamics in composite metal chalcogenide quantum dots (QDs) up to realizing full operational devices, with modified interface layers in order to reduce the carrier recombination and improving the charge collection and thus the final efficiency and stability. A new photoanode for DSSC is presented. A composite of functionalized multi-wall carbon nanotubes (FMWCNTs) and TiO2 is used as photoanodes and the role of F-MWCNTS in the charge transfer is investigated. On the other side, the common expensive Pt thin film CE in DSSC is replaced with a low-cost nanostructured CE made of hollow nanofibers of an alloy Pt/Pd is proposed. The CE produced is not only cheaper but also shows improved performance. In QDSC, the modulation of charge injection can be realized by properly choosing the composition of the QDs. However, there is still a lack of studies on the charge dynamics and the local electronic band structure in quantum-confined nanoscale objects directly grown on substrates. For this reason in this work it is investigated the electrical properties of individual metal chalcogenide QDs with different size on graphenelike material by using an advanced technique such as Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM). PSC with inverted p-i-n structure are also fabricated. The common PEDOT:PSS HTL is replaced with an hybrid HTL based on a composite of Graphene Oxide (GO) and carbon dots. The presence of carbon dots addresses the issue of GO acting as bottleneck for the extraction of holes from the perovskite layer. The contribution of Cdots to the enhancement of the final performance is investigated.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Rosei, Federico
Mots-clés libres: recombinaison de charge; collecte de charge; cellules solaires sensibilisées aux colorants (DSSC); cellules solaires à points quantiques (QDSC); cellules solaires à perovskite (PSC); microscopie à force de sonde Kelvin (KPFM); spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS); points de carbone; couche de transport de charges; charge collection ; dye sensitized solar cells (DSSCs); quantum dots solar cells (QDSCs); perovskite solar cells (PSCs); Kelvin probe force microscopy (KPFM); electrochemical impedance spectroscopy (EIS); carbon dots; charge transport layer
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 16 sept. 2020 14:55
Dernière modification: 16 sept. 2020 14:55
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/10358

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