Charge generation and recombination in hybrid organic,inorganic solar cells

This thesis deals with the investigation of exciton and charge dynamics in hybrid solar cells by time-resolved optical spectroscopy. Quasi-steady-state and transient absorption spectroscopy, as well as time-resolved photoluminescence spectroscopy, were employed to study charge generation and recombination in solid-state organic dye-sensitized solar cells, where the commonly used liquid electrolyte is replaced by an organic solid hole transporter, namely 2,2′7,7′-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9′-spirobifluorene (spiro-MeOTAD), and polymer-metal oxide bulk heterojunction solar cells, where the commonly used fullerene acceptor [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM) is replaced by zinc oxide (ZnO) nanoparticles. By correlating the spectroscopic results with the photovoltaic performance, efficiency-limiting processes and processes leading to photocurrent generation in the investigated systems are revealed. rnIt is shown that the charge generation from several all-organic donor-π-bridge-acceptor dyes, specifically perylene monoimide derivatives, employed in solid-state dye-sensitized solar cells, is strongly dependent on the presence of a commonly used additive lithium bis(trifluoromethanesulphonyl)imide salt (Li-TFSI) at the interface. rnMoreover, it is shown that charges can not only be generated by electron injection from the excited dye into the TiO2 acceptor and subsequent regeneration of the dye cation by the hole transporter, but also by an alternative mechanism, called preceding hole transfer (or reductive quenching). Here, the excited dye is first reduced by the hole transporter and the thereby formed anion subsequently injects an electron into the titania. This additional charge generation process, which is only possible for solid hole transporters, helps to overcome injection problems. rnHowever, a severe disadvantage of solid-state dye-sensitized solar cells is re-vealed by monitoring the transient Stark effect on dye molecules at the inter-face induced by the electric field between electrons and holes. The attraction between the negative image charge present in TiO2, which is induced by the positive charge carrier in the hole transporter due to the dielectric contrast between the organic spiro-MeOTAD and inorganic titania, is sufficient to at-tract the hole back to the interface, thereby increasing recombination and suppressing the extraction of free charges.rnBy investigating the effect of different dye structures and physical properties on charge generation and recombination, design rules and guidelines for the further advancement of solid-state dye-sensitized solar cells are proposed.rnFinally, a spectroscopic study on polymer:ZnO bulk heterojunction hybrid solar cells, employing different surfactants attached to the metal oxide nanoparticles, was performed to understand the effect of surfactants upon photovoltaic behavior. By applying a parallel pool analysis on the transient absorption data, it is shown that suppressing fast recombination while simultaneously maintaining the exciton splitting efficiency by the right choice of surfactants leads to better photovoltaic performances. Suppressing the fast recombination completely, whilst maintaining the exciton splitting, could lead to a doubling of the power conversion efficiency of this type of solar cell.

Single-exciton spectroscopy of single Mn doped InAs quantum dots

The optical spectroscopy of a single InAs quantum dot doped with a single Mn atom is studied using a model Hamiltonian that includes the exchange interactions between the spins of the quantum dot electron-hole pair, the Mn atom, and the acceptor hole. Our model permits linking the photoluminescence spectra to the Mn spin states after photon emission. We focus on the relation between the charge state of the Mn, A0 or A−, and the different spectra which result through either band-to-band or band-to-acceptor transitions. We consider both neutral and negatively charged dots. Our model is able to account for recent experimental results on single Mn doped InAs photoluminescence spectra and can be used to account for future experiments in GaAs quantum dots. Similarities and differences with the case of single Mn doped CdTe quantum dots are discussed.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Le diagnostic anténatal modifie-t-il la prise en charge néonatale et le devenir à 1 an des enfants suivis pour atrésie de l’œsophage de type III ?

International audience

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Comparing charge transport predictions for a ternary electrolyte using the Maxwell–Stefan and Nernst–Planck equations

In this work, we investigate and compare the Maxwell–Stefan and Nernst–Planck equations for modeling multicomponent charge transport in liquid electrolytes. Specifically, we consider charge transport in the Li+/I−/I3−/ACN ternary electrolyte originally found in dye-sensitized solar cells. We employ molecular dynamics simulations to obtain the Maxwell–Stefan diffusivities for this electrolyte. These simulated diffusion coefficients are used in a multicomponent charge transport model based on the Maxwell– Stefan equations, and this is compared to a Nernst–Planck based model which employs binary diffusion coefficients sourced from the literature. We show that significant differences between the electrolyte concentrations at electrode interfaces, as predicted by the Maxwell–Stefan and Nernst–Planck models, can occur. We find that these differences are driven by a pressure term that appears in the Maxwell–Stefan equations. We also investigate what effects the Maxwell–Stefan diffusivities have on the simulated charge transport. By incorporating binary diffusivities found in the literature into the Maxwell–Stefan framework, we show that the simulated transient concentration profiles depend on the diffusivities; however, the simulated equilibrium profiles remain unaffected.

Coherent superposition of exciton states in quantum dots induced by surface plasmons

We present an experimental demonstration of strong optical coupling between CdSequantum dots of different sizes which is induced by a surface plasmon propagating on a planar silver thin film. Attenuated total reflection measurements demonstrate the hybridization of exciton states, characterized by the observation of two avoided crossings in the energy dispersion measured for the interacting system.

Surface plasmon hybridization and exciton coupling

We derive a semianalytical model to describe the interaction of a single photon emitter and a collection of arbitrarily shaped metal nanoparticles. The theory treats the metal nanoparticles classically within the electrostatic eigenmode method, wherein the surface plasmon resonances of collections of nanoparticles are represented by the hybridization of the plasmon modes of the noninteracting particles. The single photon emitter is represented by a quantum mechanical two-level system that exhibits line broadening due to a finite spontaneous decay rate. Plasmon-emitter coupling is described by solving the resulting Bloch equations. We illustrate the theory by studying model systems consisting of a single emitter coupled to one, two, and three nanoparticles, and we also compare the predictions of our model to published experimental data. ©2012 American Physical Society.

The effect of charge on ultrafine particle deposition : an experimental pilot study

Eepidemiological studies have linked exposure to ultrafine particles (UFPs, <100 nm) to a variety of adverse health effects. To understand the mechanisms behind these effects, it is essential to measure aerosol deposition in the human respiratory tract. Electrical charge is a very important property as it may increase the particle deposition in human respiratory tract (Melanderi et al., 1983). However, the effect of charge on UFP deposition has seldom been investigated. The aim of this study is to investigate the effect of charge on UFP deposition in human lung, by conducting a pilot study using a tube-based experimental system.

Experimental study of the effect of charge on ultrafine particle deposition

The health effects of ultrafine particles (UFPs, <100 nm) have received increasing attention in recent years and particles from a variety of indoor sources, such as combustion or printer emissions, fall within this size range. Since people spend most of their time indoors, knowledge on aerosol deposition in the human respiratory tract is essential to minimise the health risks associated with environmental or occupational exposure to aerosol particles. Among the factors that could alter particle deposition, electrical charge is important as it may increase particle deposition in human respiratory tract (Melanderi et al., 1983), even when particles carry only a few charges. However, evidence showing such an increase in particle deposition for UFPs is sparse. The aim of this study was to investigate the effect of charge on the deposition of UFPs in the human lung by studying the deposition of charged particles in the conductive tubing of an experimental laboratory system.

Increased charge transfer of Poly (ethylene oxide) based electrolyte by addition of small molecule and its application in dye-sensitized solar cells

A Poly (ethylene oxide) based polymer electrolyte impregnated with 2-Mercapto benzimidazole was comprehensively characterized by XRD, UV–visible spectroscopy, FTIR as well as electrochemical impedance spectroscopy. It was found that the crystallization of PEO was dramatically reduced and the ionic conductivity of the electrolyte was increased 4.5 fold by addition of 2-Mercapto benzimidazole. UV–visible and FTIR spectroscopes indicated the formation of charge transfer complex between 2-Mercapto benzimidazole and iodine of the electrolyte. Dye-sensitized solar cells with the polymer electrolytes were assembled. It was found that both the photocurrent density and photovoltage were enhanced with respect to the DSC without 2-Mercapto benzimidazole, leading to a 60% increase of the performance of the cell.

Hybrid graphene and graphitic carbon nitride nanocomposite : gap opening, electron–hole puddle, interfacial charge transfer, and enhanced visible light response

Opening up a band gap and finding a suitable substrate material are two big challenges for building graphene-based nanodevices. Using state-of-the-art hybrid density functional theory incorporating long range dispersion corrections, we investigate the interface between optically active graphitic carbon nitride (g-C3N4) and electronically active graphene. We find an inhomogeneous planar substrate (g-C3N4) promotes electronrich and hole-rich regions, i.e., forming a well-defined electron−hole puddle, on the supported graphene layer. The composite displays significant charge transfer from graphene to the g-C3N4 substrate, which alters the electronic properties of both components. In particular, the strong electronic coupling at the graphene/g-C3N4 interface opens a 70 meV gap in g-C3N4-supported graphene, a feature that can potentially allow overcoming the graphene’s band gap hurdle in constructing field effect transistors. Additionally, the 2-D planar structure of g-C3N4 is free of dangling bonds, providing an ideal substrate for graphene to sit on. Furthermore, when compared to a pure g-C3N4 monolayer, the hybrid graphene/g-C3N4 complex displays an enhanced optical absorption in the visible region, a promising feature for novel photovoltaic and photocatalytic applications.