Elaboration et caractérisation des structures coeur/coquille à base de nanofils de ZnO pour des applications photovoltaïques

par Chantal Karam

Thèse de doctorat en Chimie et physico-chimie des matériaux

Sous la direction de Philippe Miele et de Roland Habchi.


  • Résumé

    Le but de cette thèse était de fabriquer des structures cœur / coquille à base de nanofils d’oxyde de zinc (ZnO) pour des applications en photovoltaïques principalement, et ensuite pour des détecteurs UV. Des réseaux de nanofils de ZnO de dimensions contrôlées ont été synthétisés en utilisant la méthode d’électrodéposition de ZnO (ECD). Nous avons également synthétisé des oursins organisés à base de nanofils de ZnO (U-ZnO NWs) en combinant les méthodes de nanostructuration de surface (auto-assemblage de sphères de polystyrène), dépôt de couche atomique (ALD) et ECD de ZnO. Plusieurs approches concernant le contrôle des dimensions de ces nanofils ont été envisagées. Les diamètres, la densité et la morphologie de ces nanofils ont été ajustés soit en modifiant les diamètres des sphères utilisés soit en modulant les paramètres expérimentaux durant la déposition (ALD et/ou ECD). Des monocouches et des multicouches de U-ZnO NWs de longueur variant de 750 nm jusqu'à 1500 nm ont été obtenus dans une large gamme de diamètre (57-170 nm).Ces matériaux ont été utilisés pour la construction de cellules solaires à colorant (DSSC) à base de réseaux de nanofils et des U-ZnO NWs, recouverts de couches minces d’oxyde de titane (TiO2) par dépôt de couches atomiques (ALD). Des rendements de conversion solaire de ~ 2% ont été atteints, sachant que le ZnO absorbe seulement dans l’UV. Ces matériaux ont été également utilisés pour la construction de cellules solaires de type II formés des U-ZnO NWs recouverts de couches d’oxyde de cuivre (Cu2O) de différentes épaisseurs par ECD. Les effets de la morphologie et des dimensions des nanofils et des U-ZnO NWs sur la diffusion de la lumière et la performance électronique des dispositifs ont été étudiés. Des capteurs d’ultraviolet ont été testés en utilisant les nanofils et les U-ZnO NWs. Une amélioration significative de la performance et de la stabilité en matière de détection UV a été observée en utilisant ces nanostructures de ZnO. Cela est dû à l'augmentation de la surface active offerte par les nanofils et les U-ZnO NWs en comparaison avec la performance obtenue avec les couches minces de ZnO. Finalement, une bioélectrode à base de nanofibres de polyacrylonitrile (PAN) recouverts par une couche d’or a été préparée pour la réduction électrochimique du CO2 en biocarburants utiles. L'électrode de PAN / Or a été préparée en utilisant une méthode de synthèse basée sur l'électrofilage suivi d'une pulvérisation d'Or. Une amélioration significative de l'activité électrochimique et de la stabilité de la bioélectrode a été observée.

  • Titre traduit

    Elaboration and characterization of core/ shell structures based on naowires for photovoltaic applications


  • Résumé

    The aim of this thesis was to fabricate core / shell structures based on zinc oxide (ZnO) nanowires for photovoltaic applications mainly, and UV sensors as well. ZnO nanowire arrays of controlled size were grown using electrodeposition method (ECD). We also synthesized organized urchins based on ZnO nanowires by combining methods of surface nanostructuring (self-assembly of polystyrene spheres), atomic layer deposition (ALD) and electrodeposition of ZnO (ECD). Several approaches concerning the control of dimensions on these nanowires have been investigated. The diameter, density and morphology of these nanowires were adjusted either by modifying the diameters of spheres or by modulating the experimental parameters during deposition (ALD and / or ECD). Organized monolayers and multilayers of urchins based on ZnO nanowires ranging between 750 -1500 nm in length were obtained in a diameter range between 50-170 nm. The construction of dye solar cells (DSSC) was based on nanowire arrays and organized urchins based on ZnO nanowires coated with thin shells of titanium oxide (TiO2) obtained by atomic layer deposition (ALD). As proof of concept, solar conversion efficiencies of ~ 2% were achieved, bearing in mind that ZnO absorbs only in UV range. These materials have also been used for solar cells construction of type II based on organized urchin-like ZnO nanowires coated with copper oxide (Cu2O) layers of different thicknesses by electrodeposition of Cu2O. The effects of the morphology and the dimension of the organized nanowires and urchin-like ZnO nanowires on light scattering and electronic performance of the devices have been studied. UV sensors were tested using nanowires and urchin-like ZnO nanowires. A significant improvement in the performance and stability in UV detection was observed when using these ZnO nanostructures. This is due to the increase in active area offered by the ZnO nanowires and urchins compared to the performance obtained with ZnO thin films. Finally, a bioelectrode based on polyacrylonitrile nanofibers (PAN) coated with a layer of gold has been prepared for the electrochemical reduction of CO2 into useful biofuels. The PAN/gold electrode was prepared using a homemade synthesis method, based on electrospinning followed by gold sputtering. A significant improvement in the electrochemical activity and the stability of the bioelectrode was observed.

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