Paramètres de performances de photo-électrodes de Ti02/Kaolinite et d'électrolytes à base de carbonates biosourcés dans la cellule solaire sensibilisée par la bixine

par Winda Rahmalia

Thèse de doctorat en Sciences des Agroressources

Sous la direction de Zéphirin Mouloungui.

Soutenue le 11-07-2016

à Toulouse, INPT , dans le cadre de École Doctorale Sciences de la Matière (Toulouse) , en partenariat avec Laboratoire de Chimie Agro-industrielle (Toulouse) (laboratoire) .


  • Résumé

    Le développement d'un colorant naturel sensibilisateur pour les applications de cellules solaires a attiré beaucoup d'attention en raison de ses avantages inhérents, tels que son faible coût, la préparation simple, les ressources facilement disponibles et le respect de l'environnement. Toutefois, les principaux problèmes liés à la cellule solaire sensibilisée par colorant (CSSC) sont une faible photostabilité et une faible efficacité. Dans cette thèse, la bixine extrait de graines de rocou (Bixa orellana L.) a été utilisée comme sensibilisateur. Pour améliorer sa stabilité et la performance des CSSC, l’utilisation de la kaolinite activée a également été étudiée. Une CSSC à haute efficacité nécessite une photo-électrode avec une grande surface spécifique pour adsorber efficacement le colorant. Ainsi le couple TiO2/kaolinite a été préparé dans ce but. Il est considéré que la kaolinite peut confiner la lumière incidente à l'intérieur de l'électrode et peut aussi améliorer la conduction d'électrons. Dans ce système, la kaolinite a également un rôle important pour accroître la photostabilité de la bixine. Un autre facteur affectant les performances des CSSC est le rôle important de l’électrolyte. Dans ces travaux, les carbonates organiques cycliques qui ont une constante diélectrique élevée et aussi un point d’ébullition élevé (plus de 300oC) ont été évalués comme solvants de l’électrolyte. Ces travaux ont été réalisés en quatre étapes: (1) extraction, purification et caractérisation de la bixine, (2) préparation, activation et caractérisation de la kaolinite, (3) étude d’adsorption de la bixine sur la surface de la kaolinite et du TiO2, et (4) fabrication des cellules solaires sensibilisées par la bixine (CSSB). Les résultats montrent que l’extraction accélérée par solvant en utilisant un mélange de 60% de cyclohexane et 40% d’acétone peut être une méthode d’extraction efficace pour la bixine. Après purification par la chromatographie flash, la bixine est isolée avec un dégré de pureté de 99,86%. Elle est composée de 88,11% de cis-bixine et 11,75% de dicis- bixine. L’activation par l’ammoniaque de la kaolinite calcinée (la métakaolinite) est une bonne méthode pour produire la kaolinite avec une très grande surface spécifique et un rapport Si/Al élevé. L’étude d’absorption de la bixine a montré que le carbonate de diméthyle est un solvant approprié pour la bixine. Il permet à la bixine un coefficient d’absorption élevé et de bonnes caractéristiques d’adsorption sur la surface de la photo-électrode. L’adsorption de monocouche de la bixine sur la surface de TiO2 ou la surface de la kaolinite est plus favorable pour obtenir un rendement énergétique plus élevée. La présence de la métakaolinite activée dans la photo-électrode TiO2 a contribué à améliorer les performances et la stabilité de la CSSB par rapport à la CSSB fabriquée avec la photoélectrode de TiO2 pur. Ces performances sont reproductibles. L’électrolyte exerce un effet synergétique avec la métakaolinite activée en faveur de l’amélioration des paramètres électriques de la CSSB. Sous une intensité lumineuse de 200 W/m2, la CSSB comprenant une photo-électrode de TiO2 modifié par 5% de métakaolinite activée et un système électrolyte de KiI/I2 dans l’acétate de carbonate de glycérol produit un rendement énergétique de (0,050+0,006)%, ce qui est plus élevé que celui de la CSSB comprenant une photo-électrode de TiO2 pur (0,027+0,012)%. L’utilisation d’un couple redox de LiI/I2 dans l’acétate de carbonate de glycérol produit le rendement maximum (0,086+0,014)%. La fonction de stockage et de chargement d’énergie des CSSB fonctionnent bien jusqu’au troisième jour de l’analyse. A ce jour, la CSSB fabriquée en utilisant la photoélectrode de TiO2 modifiée par la métakaolinite activée est 16 fois plus stable que celle de la CSSB fabriquée en utilisant la photo-électrode de TiO2 pur.

  • Titre traduit

    Performances parameters of TiO2/Kaolinite photo-electrode and biosourced carbonates based electrolyte in bixin-sensitized solar cell


  • Résumé

    The development of natural dye sensitizer for solar cell applications has attracted much attention because of its inherent advantages such as low cost, simple preparation, readily available resources, and low impact in the environment. However, the main problems related to dye-sensitized solar cell (DCCS) are low photostability and low efficiency. In this thesis, the bixin extracted from annatto (Bixa orellana L.) seeds was used as sensitizer. To improve its stability and the performance of the DSSC, the use of activated kaolinite was also studied. A high efficiency DSSC requires a photo-electrode with a high surface area to effectively adsorb the dye. So the couple of TiO2/kaolinite photo-electrode was prepared for this purpose. It is considered that kaolinite can confine the incident light within the electrode and can also improve the conduction of electrons. In this system, kaolinite also has an important role to increase the photostability of bixin. Another factor affecting the performance of DSSC is the important role of the electrolyte. In these studies, cyclic organic carbonates that have a high dielectric constant and also a high boiling point (above 300oC) were evaluated as solvents in the electrolyte. These works were carried out in four stages: (1) extraction, purification and characterization of bixin, (2) preparation, characterization and activation of kaolinite, (3) study of adsorption of bixin on the surface of kaolinite and TiO2, and (4) manufacturing of bixin sensitized solar cell (BSSC). The results show that the accelerated solvent extraction using a mixture of 60% cyclohexane and 40% acetone can be an effective method of extraction for bixin. After purification by flash chromatography, bixin with a degree of purity of 99.86% was isolated. It is composed of 88.11% cisbixin and 11.75% di-cis-bixin. The activation of calcined kaolinite (metakaolinite) by ammonia is a good method to produce kaolinite with very high specific surface area and a higher Si/Al ratio. The absorption study bixin has shown that the dimethyl carbonate is a suitable solvent for bixin. It allows bixin to have a high absorption coefficient and good adsorption characteristics onto the surface of the photo-electrode. The monolayer adsorption of bixin on the surface of TiO2 or kaolinite is more favorable to obtain higher energy efficiency. The presence of activated metakaolinite in the photo-electrode TiO2 has proven to improve the performance and stability of the BSSC compared to the BSSC manufactured with the pure TiO2 photo-electrode. These performances are reproducible. The electrolyte has a synergistic effect with the activated metakaolinite for improving the electrical parameters of the BSSC. Under a light intensity of 200 W/m2, the BSSC including a photo-electrode of TiO2 modified by 5% of the activated metakaolinite and KI/I2 electrolyte system in glycerol carbonate acetate produced an energy efficiency of (0.050+ 0.006)%, which is higher than that of the BSSC comprising a pure TiO2 photoelectrode (0.027+0.012)%. The use of LiI/I2 a redox couple in the glycerol carbonate acetate produces the maximum energy efficiency of (0.086+0.014)%. Its function of energy storage and loading worked well until the third day of analysis. To date, the BSSC manufactured using the photoelectrode TiO2 modified by activated metakaolinite is 16 times more stable than the BSSC manufactured using the pure TiO2 photo-electrode.


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