Etude mixte expérimentale/théorique de cellules solaires à boîtes quantiques sensibilisées

Mixed experimental/theoretical study of quantum dot sensitized solar cells

• Auteur / Autrice : Alexandra Szemjonov
• Direction : Thierry Pauporté
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique et Chimie Analytique
• Date : Soutenance le 22/09/2016
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École nationale supérieure de chimie (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Alexis Markovits
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Boulet, Peter Reiss, Frédéric Labat, Sandrine Ithurria-Lhuillier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Régis Gautier, Thierry Toupance

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanocristaux semiconducteurs

Hétérostructures

Photopiles

Mots clés libres

Cellules solaires

Boîtes quantiques

Nanoplaquettes

DFT

Modélisation

Fonctionnalisation

Solar cells

Quantum dots

Nanoplatelets

Résumé

Une approche mixte théorique/expérimentale a été utilisé pour analyser les composants semi-conducteurs des cellules solaires à boites quantiques, ainsi que les interfaces qui se forment entre eux. En ce qui concerne la partie théorique de cette thèse, tout d'abord on a identifié un protocole computationnel pour décrire les propriétés géométriques et électroniques du bulk et les surfaces de CdSe. Après, les nanoplaquettes CdSe de plusieurs épaisseurs et passivé par plusieurs ligands distincts ont été simulés. Ensuite, une hétéro-structure nanocristal - semi-conducteurs à large bande interdite a été modélisée, et ses propriétés structurelles, vibrationnelles et électroniques ont été calculées. Expérimentalement, des semi-conducteurs à large bande interdite sous le forme de nanobatôns, ainsi que des nanocristaux sous forme des nanoplaquettes et des boîtes quantiques CdSe ont été synthétisées. Les nanobatôns ont été sensibilisés avec des nanocristaux CdSe préparés ex situ et in situ. Ces hétérostructures semi-conducteurs ainsi préparées ont été caractérisées par spectroscopie d'absorption UV-VIS et Raman. Enfin, des cellules solaires incorporant ces systèmes ont été fabriquées et testées. L'approche combiné expérimentale/théorique qu'on a utilisée a rendu possible de contre-valider la capacité des méthodes expérimentales et théoriques pour caractériser les systèmes semi-conducteurs étudiées lors de cette thèse. De plus, on a pu établir des indications générales pour la sélection des composants pour ces dispositifs. Cette approche mixte peut être étendu pour étudier des hétérostructures semi-conducteurs dans une vaste gamme des applications optoélectroniques.

A mixed theoretical/experimental approach was used to analyze the semiconductor components of quantum dot sensitized solar cells and the interfaces formed between them. We first identified a computational protocol that accurately and efficiently describes the bulk and surface geometrical and electronic properties of CdSe. Then, we simulated CdSe nanoplatelets of various thicknesses, passivated by different ligands. Next, a model of the sensitizer - wide band gap semiconductor heterostructure was built and its structural, vibrational and electronic properties were calculated. In the meantime, computational results were compared to experimental data. Wide band gap semiconductors (WBSC) in the form of nanorods and sensitizer nanocrystals (CdSe nanoplatelets and quantum dots) were synthesized. The WBSC substrates were sensitized both by ex situ and in situ grown CdSe QDs. The as-prepared semiconductor systems were characterized by UV-VIS absorption and Raman spectroscopy. Finally, solar cells based on these heterostructures were fabricated and tested. The applied combined theoretical/experimental approach made it possible to cross-validate the capacity of computational and experimental methods for the characterization of the semiconductor systems studied in this thesis. Moreover, general guidelines for the screening of QDSC components could be drawn from the obtained results. The here proposed mixed theoretical/experimental approach can be extended to other semiconductor heterostructures in a wide variety of optoelectronic applications, and it could contribute to a better understanding of the working principle of these devices and improve their performance.