Academic literature on the topic 'Cellule solaire à pigment photosensible'

Dans cette thèse, nous avons traité de la modélisation computationnelle des matériaux et des systèmes moléculaires utilisés dans les cellules solaires à colorant (DSSC) et les cellules photoélectrosynthétiques à colorant (DSPEC). En particulier, nous avons abordé l’étude des éléments composant ces dispositifs, à savoir les colorants, les semi-conducteurs et les interfaces au moyen de techniques de chimie computationnelle en accordant une attention particulière à la modélisation des propriétés de la structure dynamique, optique et électronique. La complexité des systèmes et des processus physiques impliqués nécessite la combinaison de différentes méthodologies théoriques, comme détaillé ci-dessous. Un diimide de pérylène (PDI) en solution a été étudié en combinant des méthodes basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité et des simulations de dynamique moléculaire (MD) classiques. En particulier, nous nous sommes concentrés sur les propriétés d’état excité de ses agrégats et sur la simulation de son spectre d’absorption électronique en prenant en compte les effets vibroniques. Dans ce contexte, pour avoir une description fiable de la surface d’énergie potentielle, nous avons utilisé un champ de force dérivé quantique-mécanique (QMD-FF) spécifiquement paramétré. Concernant les semi-conducteurs, nous avons étudié différentes phases de WO₃, c’est-à-dire un semi-conducteur de type n, en utilisant des méthodes basées sur les fonctions de Green afin de rationaliser le rôle de la distorsion du réseau cristallin sur la structure de bande et sur les propriétés électroniques et optiques. Enfin, nous avons étudié un modèle simplifié, quoique réaliste, d’une interface NiO sensibilisée aux colorants (C343@NiO(100)) en combinant des calculs de dynamique moléculaire ab initio (AIMD) et de GW pour décrire le rôle des effets thermiques et des molécules du solvant environnemental sur l’alignement interfacial du niveau d’énergie
In this thesis we have dealt with the computational modelling of materials and molecular systems that are used in dye-sensitized solar cells (DSSCs) and dye-sensitized photoelectrosynthetic cells (DSPECs). In particular, we have addressed the study of the elements composing these devices, i.e. dyes, semiconductors and interfaces, by means of computational chemistry techniques, paying special attention to the modelling of the dynamical, optical and electronic structure properties.The complexity of the systems and the physical processes involved requires the combined use of different theoretical methodologies, as detailed below. A perylene diimide (PDI) dye in solution has been investigated by combining Density Functional Theory based methods and classical molecular dynamics (MD) simulations. In particular, we focused on the excited state properties of its aggregates and on the simulation of its electronic absorption spectrum by taking into account vibronic effects. In this context, to have a reliable description of the potential energy surface we made use of a specifically parameterized Quantum-Mechanically Derived Force Field (QMD-FF). Regarding the semiconductors, we have studied different phases of WO₃, that is an n-type semiconductor, using methods based on the Green’s Functions in order to rationalize the role of the crystal lattice distortion on the band structure and on the electronic and optical properties. Lastly, we have studied a simplified, albeit realistic model, of a dye-sensitized NiO interface (C343@NiO(100)) by combining ab initio molecular dynamic (AIMD) and GW calculations to describe the role of thermal effects and of the environmental solvent molecules on the interfacial energy-level alignment

Cette thèse est divisée en trois parties. La première traite la synthèse de la polyaniline (PANI), un polymère conducteur de trou, utilisé dans plusieurs applications. En variant les quantités du monomère et de l’oxydant tout en fixant leur rapport molaire à 1:1,25, et en ajoutant de l’oxyde de magnésium, des aiguilles et des nouvelles structures semblables aux échinides sont formées. Le mécanisme de formation des structures unidimensionnelles est expliqué à l’aide de la théorie des multicouches. La deuxième partie est consacrée à la fabrication des monocouches photovoltaïques à faible coût en se basant sur le principe de fonctionnement des cellules à pigment photosensible (en anglais DSSC, Dye-Sensitized Solar Cell). En 1991, Grätzel a réintroduit l’effet photo-électrochimique en développant la première DSSC, une des cellules solaire troisième génération, formée d’un film de TiO2 (photo-anode) pigmenté à l’aide d’un colorant et d’un électrolyte qui sert à régénérer le pigment oxydé. Malgré leur faible coût, les DSSCs font face à de nombreux problèmes tels que le coût élevé du pigment, la fuite de l’électrolyte, la sublimation du couple I-/I3- à travers I2, etc. Afin de résoudre ces problèmes, des monocouches photovoltaïques ont été développées. Des composites formés de PANI et TiO2 sont la base de ces dispositifs nouvelle génération. La polymérisation in-situ de l’aniline en présence des nanoparticules de TiO2 conduit à une forte interaction entre la PANI et les particules de TiO2 où une structure « core (TiO2)/shell (PANI) » existe dans le composite. Dans le dispositif photovoltaïque basé sur le composite PANI-TiO2, PANI est considérée comme pigment à la photo-anode et comme poly-électrolyte plus profondément dans le composite. En plus, des textiles fabriqués utilisant ces composites photo-génèrent une tension de 0,6 V et un courant de 1 A/m2 lorsque l’éthanol est injecté dans le dispositif. Une nouvelle architecture a été développée qui sert à améliorer la performance de la cellule et en même temps stocker l’énergie pour des utilisations ultérieures. La dernière partie est consacrée à la fabrication des DSSCs basées sur les pigments naturels. L’anthocyane, un pigment naturel halochromique responsable de la couleur rouge dans les plantes, a été extrait du chou rouge et utilisé pour pigmenter les films de TiO2. Cette propriété se traduit par la fabrication des DSSCs de différentes couleurs et comportement photovoltaïque. Avec un pH égal à 0, une Vco et une Jcc de 520 mV et 185 μA/cm2 sont respectivement obtenues prouvant la possibilité d’utiliser le chou rouge comme source de pigment à très faible coût des DSSCs
This thesis is divided in three parts. The first one deals with the synthesis of polyaniline (PANI), a hole conducting polymer, used in many applications. By varying the quantities of the monomer and the oxidant while fixing the molar ratio at 1:1.25, and by adding magnesium oxide, novel echinoid-like and PANI needles were formed. The formation mechanism of the 1D structures is explained using the multi-layer theory. The second section is devoted for the fabrication of low cost single-layered photovoltaic devices based on the working principle of dye-sensitized solar cells (DSSCs). In 1991, Grätzel reintroduced the photo-electrochemical effect by developing the first DSSC, one of the third generation solar cells, formed of a TiO2 film (photoanode) sensitized using a dye and an electrolyte regenerating the excited dye. Despite their low cost, DSSCs face many problems such as the high cost of the dye, leaking of the electrolyte, sublimation of the I-/I3- through I2, etc. To solve these problems a single layer photovoltaic device has been developed. Composites formed of PANI, and TiO2 are the basis of the new generation photovoltaics. The in-situ polymerization of aniline inside a titania solution results in a strong interaction between PANI and TiO2 particles where a core (TiO2)/shell (PANI) structure exists inside the composite. In the single-layered photovoltaic device based on PANI-TiO2 composite, PANI is considered as sensitizer at the photoanode and as polyelectrolyte deeper inside the composite layer. In addition, textiles fabricated using such composites generated a voltage of 0.6 V and a current of 1 A/m2 when ethanol is injected in the solar cell. A new architecture has been developed to enhance the performance of the device and at the same time to store the converted energy for later use. The final part is devoted to the fabrication of DSSCs based on natural dyes. Anthocyanin; a halochromic natural dye responsible for the red color in plants, extracted from red cabbage was used to sensitize TiO2 films. This property results in the fabrication of DSSCs with different colors and photovoltaic behavior. At a pH equal to 0, a Voc and Jsc of 520 mV and 185 μA/cm2 were respectively recorded proving the possibility of using red cabbages as a very low cost dye source for DSSCs

Ces dernières années, les matériaux fonctionnels hybrides ont commencé à être employés pour des applications de la haute technologie, allant des senseurs bio/médicaux, à la production d’énergie renouvelable. Pour cette raison, ils sont devenus le centre de plusieurs études dans le domaine des sciences des matériaux. Simultanément, des molécules conjuguées ont été examinée intensément à cause de leurs propriétés venant de leurs longs systèmes π, allant de la possibilité de conduire l’électricité, à leur capacité d’absorber la lumière dans une grande fenêtre spectrale. Le travail de cette thèse se concentre sur l’introduction de tels systèmes dans deux sortes de matériaux hybrides, les dispositifs photovoltaïques pour la production d’électricité (en particuliers les cellules solaires à pigment photosensible) et de carburants alternatifs (hydrogène), et pour les hydrogels biocompatibles sensibles aux stimuli (capables de conduire l’électricité et de réagir sous irradiation), et sur l’étude de leur influence sur les caractéristiques du matériau final
In recent years hybrid functional materials began to be employed in a series of technologically advanced applications spanning from bio/medical sensors, to renewable energy generation. For this reason, they became the focus of several studies in the field of materials science. At the same time, conjugated molecules have also been intensively investigated, due to the properties arising by the presence of long π-conjugated systems, from the possibility to conduct electricity to the ability to absorb light in a wide range of wavelengths. This PhD work focused on the introduction of such systems in two different kinds of hybrid materials, namely photovoltaic devices for the production of electricity (in particular Dye Sensitzed Solar Cells) and alternative fuels (hydrogen), and biocompatible stimuli-responsive hydrogels (capable to conduct electricity and to react upon irradiation), and on the study of their influence on the characteristics of the final material

Cette thèse est divisée en trois parties. La première traite la synthèse de la polyaniline (PANI), un polymère conducteur de trou, utilisé dans plusieurs applications. En variant les quantités du monomère et de l'oxydant tout en fixant leur rapport molaire à 1:1,25, et en ajoutant de l'oxyde de magnésium, des aiguilles et des nouvelles structures semblables aux échinides sont formées. Le mécanisme de formation des structures unidimensionnelles est expliqué à l'aide de la théorie des multicouches. La deuxième partie est consacrée à la fabrication des monocouches photovoltaïques à faible coût en se basant sur le principe de fonctionnement des cellules à pigment photosensible (en anglais DSSC, Dye-Sensitized Solar Cell). En 1991, Grätzel a réintroduit l'effet photo-électrochimique en développant la première DSSC, une des cellules solaire troisième génération, formée d'un film de TiO2 (photo-anode) pigmenté à l'aide d'un colorant et d'un électrolyte qui sert à régénérer le pigment oxydé. Malgré leur faible coût, les DSSCs font face à de nombreux problèmes tels que le coût élevé du pigment, la fuite de l'électrolyte, la sublimation du couple I-/I3- à travers I2, etc. Afin de résoudre ces problèmes, des monocouches photovoltaïques ont été développées. Des composites formés de PANI et TiO2 sont la base de ces dispositifs nouvelle génération. La polymérisation in-situ de l'aniline en présence des nanoparticules de TiO2 conduit à une forte interaction entre la PANI et les particules de TiO2 où une structure " core (TiO2)/shell (PANI) " existe dans le composite. Dans le dispositif photovoltaïque basé sur le composite PANI-TiO2, PANI est considérée comme pigment à la photo-anode et comme poly-électrolyte plus profondément dans le composite. En plus, des textiles fabriqués utilisant ces composites photo-génèrent une tension de 0,6 V et un courant de 1 A/m2 lorsque l'éthanol est injecté dans le dispositif. Une nouvelle architecture a été développée qui sert à améliorer la performance de la cellule et en même temps stocker l'énergie pour des utilisations ultérieures. La dernière partie est consacrée à la fabrication des DSSCs basées sur les pigments naturels. L'anthocyane, un pigment naturel halochromique responsable de la couleur rouge dans les plantes, a été extrait du chou rouge et utilisé pour pigmenter les films de TiO2. Cette propriété se traduit par la fabrication des DSSCs de différentes couleurs et comportement photovoltaïque. Avec un pH égal à 0, une Vco et une Jcc de 520 mV et 185 μA/cm2 sont respectivement obtenues prouvant la possibilité d'utiliser le chou rouge comme source de pigment à très faible coût des DSSCs.

Negli ultimi anni, i materiali funzionalizzati ibridi hanno iniziato ad essere largamente impiegati in applicazioni altamente tecnologiche, dai sensori bio/medicali alla produzione di energie rinnovabili. Per questa ragione sono diventati l’oggetto di diversi studi nell’ambito della scienza dei materiali. Allo stesso tempo, le molecole organiche coniugate sono state intensivamente analizzate per via delle loro proprietà particolari riconducibili alla presenza di un lungo sistema di legami π, dalla possibilità di condurre elettricità al loro largo spettro di assorbimento della radiazione luminosa. Questo lavoro di tesi si è concentrato sull’introduzione di questi sistemi all’interno di due tipi di materiali ibridi, dei dispositivi fotovoltaici per la produzione di elettricità (in particolare delle celle solari sensibilizzate a coloranti) e di carburanti alternativi (idrogeno), e degli idrogel biocompatibili sensibili agli stimoli (capaci di condurre elettricità e di reagire a stimoli luminosi), ed inoltre sullo studio della loro influenza sulle caratteristiche del materiale finale.
In recent years hybrid functional materials began to be employed in a series of technologically advanced applications spanning from bio/medical sensors, to renewable energy generation. For this reason, they became the focus of several studies in the field of materials science. At the same time, conjugated molecules have also been intensively investigated, due to the properties arising by the presence of long π-conjugated systems, from the possibility to conduct electricity to the ability to absorb light in a wide range of wavelengths. This PhD work focused on the introduction of such systems in two different kinds of hybrid materials, namely photovoltaic devices for the production of electricity (in particular Dye Sensitzed Solar Cells) and alternative fuels hydrogen), and biocompatible stimuli-responsive hydrogels (capable to conduct electricity and to react upon irradiation), and on the study of their influence on the characteristics of the final material.
Ces dernières années, les matériaux fonctionnels hybrides ont commencé à être employés pour des applications de la haute technologie, allant des senseurs bio/médicaux, à la production d’énergie renouvelable. Pour cette raison, ils sont devenus le centre de plusieurs études dans le domaine des sciences des matériaux. Simultanément, des molécules conjuguées ont été examinée intensément à cause de leurs propriétés venant de leurs longs systèmes π, allant de la possibilité de conduire l’électricité, à leur capacité d’absorber la lumière dans une grande fenêtre spectrale. Le travail de cette thèse se concentre sur l’introduction de tels systèmes dans deux sortes de matériaux hybrides, les dispositifs photovoltaïques pour la production d’électricité (en particuliers les cellules solaires à pigment photosensible) et de carburants alternatifs (hydrogène), et pour les hydrogels biocompatibles sensibles aux stimuli (capables de conduire l’électricité et de réagir sous irradiation), et sur l’étude de leur influence sur les caractéristiques du matériau final.

Ce projet de recherche mené en collaboration industrielle avec St-Jean Photochimie Inc. / PCAS Canada vise le développement et la caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. La quête du récoltage des photons se situant dans le proche-infrarouge a été au centre des modifications structurales explorées afin d’augmenter l’efficacité de conversion des cellules solaires de type organique et à pigments photosensibles. Trois familles de composés intégrant le motif dipyrrométhène ont été synthétisées et caractérisées du point de vue spectroscopique, électrochimique, structural ainsi que par modélisation moléculaire afin d’établir des relations structures-propriétés. La première famille comporte six azadipyrrométhènes au potentiel de coordination tétradentate sur des centres métalliques. Le développement d’une nouvelle voie synthétique asymétrique combinée à l’utilisation d’une voie symétrique classique ont permis d’obtenir l’ensemble des combinaisons de substituants possibles sur les aryles proximaux incluant les noyaux 2-hydroxyphényle, 2-méthoxyphényle et 2- pyridyle. La modulation du maximum d’absorption dans le rouge a pu être faite entre 598 et 619 nm. De même, la présence de groupements méthoxyle ou hydroxyle augmente l’absorption dans le violet (~410 nm) tel que démontré par modélisation. La caractérisation électrochimique a montré que les dérivés tétradentates étaient en général moins stables aux processus redox que leur contre-parti bidentate. La deuxième famille comporte dix dérivés BODIPY fusionnés de façon asymétrique en position [b]. L’aryle proximal a été modifié de façon systématique afin de mieux comprendre l’impact des substituents riches en électron et de la fusion de cycles aromatiques. De plus, ces dérivés ont été mis en relation avec une vaste série de composés analogues. Les résultats empiriques ont montré que les propriétés optoélectroniques de la plateforme sont régies par le degré de communication électronique entre l’aryle proximal, le pyrrole sur lequel il est attaché et le noyau indolique adjacent à ce dernier. Les maximums d’absorption dans le rouge sont modulables entre 547 et 628 nm et la fluorescence des composés se situe dans le proche- infrarouge. L’un des composé s’est révélé souhaitable pour une utilisation en photovoltaïque ainsi qu’à titre de sonde à pH. La troisième famille comporte cinq complexes neutres de RuII basés sur des polypyridines et portant un ligand azadipyrrométhène cyclométalé. Les composés ont montré une forte absorption de photons dans la région de 600 à 800 nm (rouge à proche- infrarouge) et qui a pu être étendue au-delà de 1100 nm dans le cas des dérivés portant un ligand terpyridine. L’analyse des propriétés optoélectroniques de façon empirique et théorique a montré un impact significatif de la cyclométalation et ouvert la voie pour leur étude en tant que photosensibilisateurs en OPV et en DSSC. La capacité d’un des complexes à photo-injecter un électron dans la bande de conduction du semi-conducteur TiO2 a été démontré en collaboration avec le groupe du Pr Gerald J. Meyer à University of North Carolina at Chapel Hill, premier pas vers une utilisation dans les cellules solaires à pigments photosensibles. La stabilité des complexes en solution s’est toutefois avérée problématique et des pistes de solutions sont suggérées basées sur les connaissances acquises dans le cadre de cette thèse.
This research project carried out in industrial collaboration with Saint-Jean Photochemicals Inc. / PCAS Canada aims at the development and characterization of dipyrromethene derivatives for photovoltaic applications. The quest for harvesting near- infrared photons was the central focus and various structural modifications were explored to improve the power conversion efficiency of organic and dye-sensitized solar cells (OPV and DSSC, respectively). Three families of chromophores which embedded a dipyrromethene motif were synthesized and characterized through spectroscopy, electrochemistry, X-ray diffraction and computationnal modelization in order to establish their structure-properties relationship. The first family includes six azadipyrromethenes with potential for tetradentate coordination on metallic centers. The development of a new asymmetric synthetic route together with the classical symmetric one allowed access to all possible combinations of derivatives including 2-hydroxyphenyl, 2-methoxyphenyl and 2-pyridyl substituents in the proximal position of the dipyrromethene. Modulation of the absorption maxima in the red ranged between 598 and 619 nm. Also, having methoxy or hydroxy substituents provided an increase of the violet absorption (~410 nm) as established by modelization. Electrochemical characterization showed that the tetradentate azadipyrromethenes were generally less stable towards redox processes as compared to their bidentate counter- parts. The second family includes ten asymmetric benzo[b]-fused BODIPYs where the proximal aryl was systematically modified in order to assess the impact of electron-rich substituents and fused aromatic cycles. The derivatives were further compared to a wide series of related BODIPYs. Empirical results showed the optoelectronic properties are dictated by the extend of electronic communication between the proximal aryl, the pyrrol to which it is attached and the adjacent indolic moiety. Absorption maxima in the red were modulated between 547 nm and 628 nm and the fluorescence was in the near-infrared. One compound proved to be a potential candidate for photovoltaic and pH probe applications. The third family includes five neutral RuII polypyridine complexes bearing a cyclometalated azadipyrromethene ligand. The compounds exhibit strong light absorption in the 600 – 800 nm range (red to near-infrared) that tails beyond 1100 nm in the terpyridine-based adducts. Analysis of the optoelectronic properties showed a significant impact of this novel cyclometalation strategy for dipyrromethene derivatives and paved the way for further incorporation of the resulting complexes as photosensitizers in OPV and DSSC. In collaboration with the group of Pr Gerald J. Meyer at the University of North Carolina at Chapel Hill, the capacity of one compound to photo-inject its electron into the conduction band of the TiO2 semiconductor was established, a first step towards their use in dye-sensitized solar cells. The structural instability in solution of the complexes hindered their full potential for photovoltaic applications and suggestions to improve them are proposed based on the knowledge acquired in the course of this thesis.