Synthesis of ruthenium-phosphorus dyes and their incorporation in ZnO transparent conducting oxide and ZnO semi-conductor thin films for photovoltaic application

par Congcong Shang

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Sous la direction de Antoine Barnabé et de Pierre Sutra.

Soutenue en 2013

à Toulouse 3 .

  • Titre traduit

    Synthèse de complexes colorants ruthénium-phosphore et leur incorporation dans des films minces oxydes conducteurs transparents et semi-conducteurs ZnO pour le photovoltaïque


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée au développement de nouveaux colorants moléculaires a base de complexes de ruthénium phosphorés, d'oxydes conducteurs transparents (TCO) et de matériaux semi-conduteurs (SC) à base de ZnO en vue de leur application dans des cellules solaires à colorants. Des voies synthétiques originales ont été développées pour la préparation de complexes symétriques et non symétriques de type ligands phosphorés fonctionnalisés. Les résultats obtenus souligne le rôle prépondérant des ligands phosphorés dans le contrôle des propriétés électroniques et optiques de ces colorants. Nous avons aussi étudié ZnO sous forme de films minces. En ciblant une interface TCO/SC homogène, des TCO à base d'oxyde de zinc dopés au Ga (ZnO:Ga) et des SC à base d'oxyde de zinc pur ont été déposés par pulvérisation cathodique radiofréquence à partir de cibles céramiques. Les microstructures et les propriétés physiques de ces matériaux ont été étudiées. Les conditions de dépôts ont été optimisées pour préparer des films minces TCO de ZnO:Ga présentant une grande transparence optique et de bonnes conductivités électroniques et des films minces SC à grande surface. La surface accessible des films minces ZnO a ensuite été améliorée par attaque chimique humide. Dans la dernière partie, nous avons associé les colorants moléculaires aux matériaux SC et TCO par greffage chimique. Des nanopoudres de ZnO ont été élaborées pour effectuer des tests de greffage avant leurs validations sur les matériaux en couche mince. Le colorant est ancré sur ZnO par les fonctions phosphorées. L'intégration de ces matériaux dans des cellules photovoltaïques à colorant sera l'objet de développements futurs.


  • Résumé

    In this work, we studied the development of new molecular ruthenium-phosphorus dyes and new Transparent Conducting Oxide (TCO) and ZnO Semi-Conductor (SC) materials in view of integrating them in dye sensitized solar cells. This thesis described first the original synthetic pathways that were developed to prepare both symmetrical and non-symmetrical complexes [Ru(bpy)2LL']n+ (L, L' : functionalized phosphorus ligands). Results highlight the predominant role of the phosphorus ligands in tuning the electronic and optical properties of the corresponding dyes. Secondly, we studied the preparation of new ZnO materials. In the goal of obtaining a homogeneous TCO/SC interface, zinc oxide doped Ga (ZnO:Ga) TCO and zinc oxide SC thin films were deposited by RF magnetron sputtering using ceramic targets. The microstructure and physical properties of these materials were studied. The deposition conditions were specifically optimized to prepare dense ZnO:Ga thin films with high transparency and good electrical conductivity for the TCO layer on one hand, and porous ZnO with high accessible surface for the SC layer on the other hand. The accessible surface of relatively porous ZnO thin films were further extended by post-deposition wet chemical etching. Finally, we associated the molecular dyes to the SC and the TCO materials by chemical grafting. Preliminary grafting tests were first investigated on homemade ZnO nanopowders before being validated on thin film materials. In these new materials, the dye is anchored to the ZnO through phosphorus functionalized functions. As a continuation of this work, the integration of these new materials in DSSCs will be the focus of further studies.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (263 p.)
  • Annexes : Références bibliogr. en fin de chapitres

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2013 TOU3 0312
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