Développement et caractérisation de dérivés dipyrrométhène pour des applications dans le domaine du photovoltaïque

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.

Graphene and Semicondutor or Metallic Nanoparticles for Energy Conversion

The purpose of the present PhD thesis is to investigate the properties of innovative nano- materials with respect to the conversion of renewable energies to electrical and chemical energy. The materials have been synthesized and characterized by means of a wide spectrum of morphological, compositional and photophysical techniques, in order to get an insight into the correlation between the properties of each material and the activity towards different energy conversion applications. Two main topics are addressed: in the first part of the thesis the light harvesting in pyrene functionalized silicon nanocrystals has been discussed, suggesting an original approach to suc- cessfully increase the absorption properties of these nanocrystals. The interaction of these nanocrystals was then studied, in order to give a deeper insight on the charge and energy extraction, preparing the way to implement SiNCs as active material in optoelectronic devices and photovoltaic cells. In addition to this, the luminescence of SiNCs has been exploited to increase the efficiency of conventional photovoltaic cells by means of two innovative architectures. Specifically, SiNCs has been used as luminescent downshifting layer in dye sensitized solar cells, and they were shown to be very promising light emitters in luminescent solar concentrators. The second part of the thesis was concerned on the production of hydrogen by platinum nanoparticles coupled to either electro-active or photo-active materials. Within this context, the electrocatalytic activity of platinum nanoparticles supported on exfoliated graphene has been studied, preparing an high-efficiency catalyst and disclosing the role of the exfoliation technique towards the catalytic activity. Furthermore, platinum nanoparticles have been synthesized within photoactive dendrimers, providing the first proof of concept of a dendrimer-based photocatalytic system for the hydrogen production where both sensitizer and catalyst are anchored to a single scaffold.

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.

BODIPY-Porphyrazin-Hybride als panchromatische Lichtsammelsysteme für farbstoffsensibilisierte Solarzellen

In farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSC) spielen Chromophore, die als Lichtsammel- und Energie-/Elektronentransfersysteme fungieren, eine zentrale Rolle. Phthalocyanine mit ihren intensiven Absorptionsbanden um 400 nm und 700 nm besitzen großes Potential für die effektive Sensibilisierung von Solarzellen. Trotz ihrer vielversprechenden physikochemischen Eigenschaften und intensiver Bemühungen erreichen Phthalocyanin-sensibilisierte Solarzellen nicht die Effizienzen, die bisher mit anderen Chromophorklassen erzielt werden konnten. In der vorliegenden Dissertation wurde die Entwicklung effizienter Lichtsammelsysteme für DSSC auf der Basis von Aza-substituierten Phthalocyaninen, sogenannten Pyrazinoporphyrazinen, verfolgt. Ein besonderer Fokus lag dabei auf einer Verbesserung der Absorptionseigenschaften der Chromophore im Bereich ihrer intrinsischen Absorptionslücke zwischen den Maxima um 400 nm und 700 nm. Um diese optische Lücke zu schließen wurden komplementär absorbierende BODIPY-Farbstoffe kovalent an synthetisch maßgeschneiderte Porphyrazine gebunden. Insgesamt wurden sechs neue Porphyrazin-Sensibilisatoren synthetisiert und photophysikalisch sowie elektrochemisch charakterisiert. Alle in dieser Arbeit untersuchten Porphyrazine tragen sterisch anspruchsvolle Tri(p-tolyl)propinyl-Gruppen um Agglomerationen zu vermeiden. Darüber hinaus wurden die Porphyrazine peripher entweder mit Hydroxy- oder Carboxygruppen als Bindungsstellen für oxidische Materialien ausgestattet sowie mit sechs BODIPY-Auxiliarfarbstoffen funktionalisiert, deren Substitutionsmuster variiert wurden. Zur Darstellung der komplexen Porphyrazine wurde eine Syntheseroute erarbeitet, die statistische Cyclisierungen unterschiedlicher Dinitril-Vorstufen beinhaltete und es ermöglichte, funktionelle Gruppen erst am vorgeformten Makrocyclus einzuführen. Die photophysikalische Untersuchung der hochfunktionalisierten Farbstoffe erfolgte über UV/Vis- und Fluoreszenzspektroskopie. Im Fall der BODIPY-Porphyrazin-Hybride schließt die zusätzliche Absorptionsbande der peripheren BODIPY-Einheiten die intrinsische Absorptionslücke der Porphyrazine. Die Hybride zeigen somit eine breite Absorption über den gesamten sichtbaren Spektralbereich mit hohen Extinktionskoeffizienten von ca. 4·10^5 M^−1cm^−1. Mittels Fluoreszenz- und Anregungsspektren wurde ein photoinduzierter Energie-transfer von den BODIPY-Einheiten auf den Porphyrazinkern nachgewiesen. Das elektrochemische Verhalten der BODIPY- und Porphyrazin-Verbindungen wurde mittels Cyclo- und Square-Wave-Voltammetrie untersucht. Die Effizienzen der Lichtenergieumwandlung wurden mit Hilfe von selbst-hergestellten und standardisierten farbstoffsensibilisierten Solarzellen bewertet. Alle Solarzellen zeigten eine messbare Photoaktivität unter Bestrahlung. Die Wirkungsgrade der Zellen lagen jedoch alle unter 1 %. Generell führten die Carboxyl-funktionalisierten Porphyrazine zu besseren Wirkungsgraden als die analogen, mit der tripodalen Ankergruppe ausgestatteten Derivate. Die mit Hilfe von Adsorptionsisothermen ermittelten Bindungskonstanten der Adsorption der Farbstoffe auf der TiO2-Oberfläche zeigten, dass beide Hafteinheiten eine feste Verankerung der Chromophore auf den TiO2-Elektroden ermöglichten. Insgesamt wirkte sich die Präsenz der peripheren BODIPY-Farbstoffe positiv auf die Wirkungsgrade der Solarzellen aus, jedoch nur in geringem Maß. Dieses Ergebnis wurde hauptsächlich auf die geringe Energiedifferenz zwischen der Leitungsbandkante des TiO2 und den LUMO-Energieniveaus der Chromophore zurückgeführt. Zusätzlich scheinen konkurrierende Prozesse wie die direkte Photoelektroneninjektion von den BODIPY-Einheiten in das TiO2 eine wichtige Rolle zu spielen. Neben der Anwendung in DSSC wurde die Wechselwirkung der Porphyrazine mit Graphen untersucht. Hierzu wurden A3B-Porphyrazine mit Pyrenyl-Seitenketten ausgestattet, die eine nicht-kovalente Verankerung des Chromophors auf Graphen ermöglichen. UV/Vis- und Fluoreszenzmessungen gaben u.a. erste Hinweise auf eine elektronische Kommunikation zwischen den beiden Hybridpartnern.

Hybrid bulk heterojunction solar cells from a blend of poly(3-hexylthiophene) and TiO2 nanotubes

Hybrid bulk heterojunction solar cells based on blend of poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and TiO2 nanotubes or dye(N719) modified TiO2 nanotubes were processed from solution and characterized to research the nature of organic/inorganic hybrid materials. Compared with the pristine polymer P3HT and TiO2 nanoparticles/P3HT solar cells, the TiO2 nanotubes/P3HT hybrid solar cells show obvious performance improvement, due to the formation of the bulk heterojunction and charge transport improvement. A further improvement in the device performance can be achieved by modifying TiO2 nanotube surface with a standard dye N719 which can play a role in the improvement of both the light absorption and charge dissociation. Compared with the non-modified TiO2 nanotubes solar cells, the modified ones have better power conversion efficiency under 100 mW/cm(2) illumination with 500W Xenon lamp. (C) 2008 Elsevier B. V. All rights reserved.

Unravelling the Chemical Morphology of a Mesoporous Titanium Dioxide Interface by Confocal Raman Microscopy: New Clues for Improving the Efficiency of Dye Solar Cells and Photocatalysts

The presence of anatase and rutile domains on nanocrystalline films of P25 TiO(2), as well as the distinct coordination modes of carboxylates on those phases, were revealed by confocal Raman microscopy, a technique that showed to be suitable for imaging the chemical morphology down to submicrometric size.

Characteristics of Photo Electrodes Based on TiO2 Nanoparticles, Nanotubes and Microspheres for Dye Solar Cell

We have analyzed the characteristics of electrodes made of TiO2 nanotubes, microspheres and commercially available nanoparticles for dye sensitized solar cell. The morphology of the electrodes and the formation of aggregates have been analyzed by scanning electron microscopy and surface profiling technique. The concentration of Ti3+ type impurity state on the surface of these electrodes is quantified by X-ray photoelectron spectroscopy. Micro structural properties have been characterized by Brunauer, Emmett and Teller method The optical properties of the electrodes such as band gap energy, the type of band formation and the diffuse reflectance are evaluated by UV-Visible spectroscopy. The photovoltaic characteristics of dye solar cell made of these electrodes have been evaluated and it is found that the characteristics of the TiO2 film alone can alter the overall conversion efficiency to a great extent. Additional analysis using electrochemical impedance spectroscopy has been carried out to probe the electron transport properties and charge collection efficiency of these electrodes.

Influence of interface modification on the performance of polymer/Bi2S3 nanorods bulk heterojunction solar cells

In this paper, bulk heterojunction photovoltaic devices based on the poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxy)- 1,4-phenylenevinylene] (MDMO-PPV):Bi2S3 nanorods hybrid material were present. To optimize the performance of the devices, the interface modification of the hybrid material that has a significant impact on the exciton dissociation efficiency was studied. An improvement in the device performance was achieved by modifying the Bi2S3 surface with a thin dye layer. Moreover, modifying the Bi2S3 surface with anthracene-9-carboxylic acid can enhance the performance further. Compared with the solar cells with Bi2S3 nanorods hybrid with the MDMO-PPV as the active layer, the anthracene-9carboxylic acid modified devices are better in performance, with the power conversion efficiency higher by about one order in magnitude.

Sevenfold enhancement on porphyrin dye efficiency by coordination of ruthenium polypyridine complexes

Sevenfold enhancement of photoconversion efficiency was achieved by incorporation of peripheral ruthenium complexes to a porphyrin dye, generating supramolecular effects capable of playing several key roles (e.g., transferring energy to, inhibiting aggregation, and accepting the hole generated in the porphyrin center after electron injection), providing new insights for the design of better DSSC photosensitizers.

Thin film solar cells based on CU2ZnSnS4 absorber

Cu2ZnSnS4 (CZTS) is considered to be one of the most promising light absorbing materials for low cost, high efficiency thin film solar cells. Compared to conventional CuIn(S, Se)2 (CIS) and Cu(InGa)(S,Se)2 (CIGS) as well as CdTe light absorber, CZTS is only composed of earth-abundant non-toxic elements, ensuring the price competitiveness of this kind of solar cell in the future PV market. However, the research in this area is very limited compared to CIS and CIGS. Detailed studies of both the material and the device are rare, which significantly restricts the development in this area. This paper reviews the progress in the research field of CZTS, particularly the methods which were employed to prepare CZTS absorber material.

Low temperature synthesis of carbon nanotubes on indium tin oxide electrodes for organic solar cells

The electrical performance of indium tin oxide (ITO) coated glass was improved by including a controlled layer of carbon nanotubes directly on top of the ITO film. Multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs) were synthesized by chemical vapor deposition, using ultra-thin Fe layers as catalyst. The process parameters (temperature, gas flow and duration) were carefully refined to obtain the appropriate size and density of MWCNTs with a minimum decrease of the light harvesting in the cell. When used as anodes for organic solar cells based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM), the MWCNT-enhanced electrodes are found to improve the charge carrier extraction from the photoactive blend, thanks to the additional percolation paths provided by the CNTs. The work function of as-modified ITO surfaces was measured by the Kelvin probe method to be 4.95 eV, resulting in an improved matching to the highest occupied molecular orbital level of the P3HT. This is in turn expected to increase the hole transport and collection at the anode, contributing to the significant increase of current density and open circuit voltage observed in test cells created with such MWCNT-enhanced electrodes.

Development of a gas nanosensor node powered by solar cells

This work focuses on the development of a stand-alone gas nanosensor node, powered by solar energy to track concentration of polluted gases such as NO2, N2O, and NH3. Gas sensor networks have been widely developed over recent years, but the rise of nanotechnology is allowing the creation of a new range of gas sensors [1] with higher performance, smaller size and an inexpensive manufacturing process. This work has created a gas nanosensor node prototype to evaluate future field performance of this new generation of sensors. The sensor node has four main parts: (i) solar cells; (ii) control electronics; (iii) gas sensor and sensor board interface [2-4]; and (iv) data transmission. The station is remotely monitored through wired (ethernet cable) or wireless connection (radio transmitter) [5, 6] in order to evaluate, in real time, the performance of the solar cells and sensor node under different weather conditions. The energy source of the node is a module of polycrystalline silicon solar cells with 410cm2 of active surface. The prototype is equipped with a Resistance-To-Period circuit [2-4] to measure the wide range of resistances (KΩ to GΩ) from the sensor in a simple and accurate way. The system shows high performance on (i) managing the energy from the solar panel, (ii) powering the system load and (iii) recharging the battery. The results show that the prototype is suitable to work with any kind of resistive gas nanosensor and provide useful data for future nanosensor networks.

Photocatalytic reduction of carbon dioxide to formic acid, formaldehyde, and methanol using dye-sensitized TiO2 film

A bifunctionalized TiO2 film containing a dye-sensitized zone and a catalysis zone is designed for visible-light photocatalytic reduction of CO2 to chemicals continuously. Charge separation can be accomplished with electron transferring to catalysis zone and positive charge transforming to anode. Highly efficient conversion of CO2 to formic acid, formaldehyde, and methanol is achieved through the transferring electrons on conduction bands (CB) of TiO2. Reduction of CO2 and O2 evolution take place in separated solutions on different catalysts. The separated solution carried out in this photo-reactor system can avoid CO2 reduction products being oxidized by anode. The yields of reduction products were enhanced remarkably by external electrical power. This study provides not only a new photocatalytic system but also a potential of renewable energy source via carbon dioxide.