Fabrication et caractérisation de cellules solaires organiques nanostructurées par la méthode de nanoimpression thermique

La morphologie des couches actives des cellules solaires organiques joue un rôle important sur l’efficacité de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique de ces dispositifs. Les hétérojonctions planaires et les hétérojonctions en volume sont les plus communément utilisées. Cependant, la morphologie idéale pour l’efficacité se situerait à mis chemin entre celles-ci. Il s’agit de l’hétérojonction nanostructurée qui augmenterait la surface entre les couches actives de matériaux tout en favorisant le transport des porteurs de charge. L’objectif de ce projet de maîtrise est d’étudier l’impact de l’implantation de nanostructures dans les cellules solaires organiques sur leurs performances photovoltaïques. Pour ce faire, on utilise la méthode de nanoimpression thermique sur le matériau donneur, le P3HT, afin que celui-ci forme une interface nanostructurée avec le matériau accepteur, le PCBM. Pour effectuer les nanoimpressions, des moules en alumine nanoporeuse ont été fabriqués à l’aide du procédé d’anodisation en deux temps développé par Masuda et al. Ces moules ont subi un traitement afin de faciliter leur séparation du P3HT. Les agents antiadhésifs PDMS et FTDS ont été utilisés à cette fin. Les résultats obtenus témoignent de la complexité d’exécution du procédé de nanoimpression. Il a été démontré que la pression appliquée durant le procédé, la tension superficielle des éléments en contact et les dimensions des nanopores des moules sont des paramètres critiques pour le succès des nanoimpressions. Ceux-ci ont donc dû être optimisés de manière à réussir cette opération. Ainsi, des cellules à interface nanostructurée à 25% avec des nanobâtonnets de 35 nm de hauteur ont pu être fabriquées. Les cellules nanostructurées ont démontré une efficacité 2,3 ± 0,6 fois supérieure aux cellules sans nanostructures, dites planaires. D’autre part, un solvant a été proposé pour diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM pouvant altérer les nanostructures. Ce phénomène bien connu survient lors du dépot de la couche de PCBM avec le dichlorométhane, un solvant orthogonal avec ces matériaux. Des mesures au TOF-SIMS ont démontré que le limonène permet de diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM, ce qui en fait un meilleur solvant orthogonal que le dichlorométhane.

TILTED COLUMNAR THIN FILM COATINGS WITH ANISOTROPIC LIGHT SCATTERING PROPERTIES FOR SOLAR ENERGY APPLICATIONS

The main goal of this thesis is to show the versatility of glancing angle deposition (GLAD) thin films in applications. This research is first focused on studying the effect of select deposition variables in GLAD thin films and secondly, to demonstrate the flexibility of GLAD films to be incorporated in two different applications: (1) as a reflective coating in low-level concentration photovoltaic systems, and (2) as an anode structure in dye-sensitized solar cells (DSSC). A particular type of microstructure composed of tilted micro-columns of titanium is fabricated by GLAD. The microstructures form elongated and fan-like tilted micro-columns that demonstrate anisotropic scattering. The thin films texture changes from fiber texture to tilted fiber texture by increasing the vapor incidence angle. At very large deposition angles, biaxial texture forms. The morphology of the thin films deposited under extreme shadowing condition and at high temperature (below recrystallization zone) shows a porous and inclined micro-columnar morphology, resulting from the dominance of shadowing over adatom surface diffusion. The anisotropic scattering behavior of the tilted Ti thin film coatings is quantified by bidirectional reflectance distribution function (BRDF) measurements and is found to be consistent with reflectance from the microstructure acting as an array of inclined micro-mirrors that redirect the incident light in a non-specular reflection. A silver-coating of the surface of the tilted-Ti micro-columns is performed to enhance the total reflectance of the Ti-thin films while keeping the anisotropic scattering behavior. By using such coating is as a booster reflector in a laboratory-scale low-level concentration photovoltaic system, the short-circuit current of the reference silicon solar cell by 25%. Finally, based on the scattering properties of the tilted microcolumnar microstructure, its scattering effect is studied as a part of titanium dioxide microstructure for the anode in DSSCs. GLAD-fabricated TiO2 microstructures for the anode in a DSSC, consisting of vertical micro-columns, and combined vertical topped with tilted micro-columns are compared. The solar cell with the two-part microstructure shows the highest monochromatic incident photon to current efficiency with 20% improvement compared to the vertical microstructure, and the efficiency of the cell increases from 1.5% to 2% due to employing the scattering layer.

DESIGN, FABRICATION, AND PERFORMANCE CHARACTERIZATION OF MULTIFUNCTIONAL STRUCTURES TO HARVEST SOLAR ENERGY FOR FLAPPING WING AERIAL VEHICLES

Flapping Wing Aerial Vehicles (FWAVs) have the capability to combine the benefits of both fixed wing vehicles and rotary vehicles. However, flight time is limited due to limited on-board energy storage capacity. For most Unmanned Aerial Vehicle (UAV) operators, frequent recharging of the batteries is not ideal due to lack of nearby electrical outlets. This imposes serious limitations on FWAV flights. The approach taken to extend the flight time of UAVs was to integrate photovoltaic solar cells onto different structures of the vehicle to harvest and use energy from the sun. Integration of the solar cells can greatly improve the energy capacity of an UAV; however, this integration does effect the performance of the UAV and especially FWAVs. The integration of solar cells affects the ability of the vehicle to produce the aerodynamic forces necessary to maintain flight. This PhD dissertation characterizes the effects of solar cell integration on the performance of a FWAV. Robo Raven, a recently developed FWAV, is used as the platform for this work. An additive manufacturing technique was developed to integrate photovoltaic solar cells into the wing and tail structures of the vehicle. An approach to characterizing the effects of solar cell integration to the wings, tail, and body of the UAV is also described. This approach includes measurement of aerodynamic forces generated by the vehicle and measurements of the wing shape during the flapping cycle using Digital Image Correlation. Various changes to wing, body, and tail design are investigated and changes in performance for each design are measured. The electrical performance from the solar cells is also characterized. A new multifunctional performance model was formulated that describes how integration of solar cells influences the flight performance. Aerodynamic models were developed to describe effects of solar cell integration force production and performance of the FWAV. Thus, performance changes can be predicted depending on changes in design. Sensing capabilities of the solar cells were also discovered and correlated to the deformation of the wing. This demonstrated that the solar cells were capable of: (1) Lightweight and flexible structure to generate aerodynamic forces, (2) Energy harvesting to extend operational time and autonomy, (3) Sensing of an aerodynamic force associated with wing deformation. Finally, different flexible photovoltaic materials with higher efficiencies are investigated, which enable the multifunctional wings to provide enough solar power to keep the FWAV aloft without batteries as long as there is enough sunlight to power the vehicle.

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.

Fabrication et caractérisation de cellules solaires organiques nanostructurées par la méthode de nanoimpression thermique

La morphologie des couches actives des cellules solaires organiques joue un rôle important sur l’efficacité de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique de ces dispositifs. Les hétérojonctions planaires et les hétérojonctions en volume sont les plus communément utilisées. Cependant, la morphologie idéale pour l’efficacité se situerait à mis chemin entre celles-ci. Il s’agit de l’hétérojonction nanostructurée qui augmenterait la surface entre les couches actives de matériaux tout en favorisant le transport des porteurs de charge. L’objectif de ce projet de maîtrise est d’étudier l’impact de l’implantation de nanostructures dans les cellules solaires organiques sur leurs performances photovoltaïques. Pour ce faire, on utilise la méthode de nanoimpression thermique sur le matériau donneur, le P3HT, afin que celui-ci forme une interface nanostructurée avec le matériau accepteur, le PCBM. Pour effectuer les nanoimpressions, des moules en alumine nanoporeuse ont été fabriqués à l’aide du procédé d’anodisation en deux temps développé par Masuda et al. Ces moules ont subi un traitement afin de faciliter leur séparation du P3HT. Les agents antiadhésifs PDMS et FTDS ont été utilisés à cette fin. Les résultats obtenus témoignent de la complexité d’exécution du procédé de nanoimpression. Il a été démontré que la pression appliquée durant le procédé, la tension superficielle des éléments en contact et les dimensions des nanopores des moules sont des paramètres critiques pour le succès des nanoimpressions. Ceux-ci ont donc dû être optimisés de manière à réussir cette opération. Ainsi, des cellules à interface nanostructurée à 25% avec des nanobâtonnets de 35 nm de hauteur ont pu être fabriquées. Les cellules nanostructurées ont démontré une efficacité 2,3 ± 0,6 fois supérieure aux cellules sans nanostructures, dites planaires. D’autre part, un solvant a été proposé pour diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM pouvant altérer les nanostructures. Ce phénomène bien connu survient lors du dépot de la couche de PCBM avec le dichlorométhane, un solvant orthogonal avec ces matériaux. Des mesures au TOF-SIMS ont démontré que le limonène permet de diminuer l’interdiffusion entre les couches de P3HT et de PCBM, ce qui en fait un meilleur solvant orthogonal que le dichlorométhane.

Fabrication and characterization of a nanostructured TiO2/In2S3-Sb2S3/CuSCN extremely thin absorber (eta) solar cell

CuSCN extremely thin absorber solar cell. Nanostructured TiO2 deposited by screen printing on an ITO substrate was used as an n-type electrode. An ∼80 nm extremely thin layer of the system In2S3-Sb2S3 deposited by successive ionic layer adsorption and a reaction (silar) method was used as an absorber. The voids were filled with p-type CuSCN and the entire assembly was completed with a gold contact. The solar cell fabricated with this heterostructure showed an energy conversion efficiency of 4.9%, which is a promising result in the development of low cost and simple fabrication of solar cells.

Stability analysis and control of multiple converter based autonomous microgrid

In this paper, the stability of an autonomous microgrid with multiple distributed generators (DG) is studied through eigenvalue analysis. It is assumed that all the DGs are connected through Voltage Source Converter (VSC) and all connected loads are passive. The VSCs are controlled by state feedback controller to achieve desired voltage and current outputs that are decided by a droop controller. The state space models of each of the converters with its associated feedback are derived. These are then connected with the state space models of the droop, network and loads to form a homogeneous model, through which the eigenvalues are evaluated. The system stability is then investigated as a function of the droop controller real and reac-tive power coefficients. These observations are then verified through simulation studies using PSCAD/EMTDC. It will be shown that the simulation results closely agree with stability be-havior predicted by the eigenvalue analysis.

Power quality enhanced operation and control of a microgrid based custom power park

This paper describes the operation of a microgrid that contains a custom power park (CPP). The park may contain an unbalanced and/or nonlinear load and the microgrid may contain many dis-tributed generators (DGs). One of the DGs in the microgrid is used as a compensator to achieve load compensation. A new method is proposed for current reference generation for load compensation, which takes into account the real and reactive power to be supplied by the DG connected to the compensator. The real and reactive power from the DGs and the utility source is tightly regulated assuming that dedicated communication channels are available. Therefore this scheme is most suitable in cases where the loads in CPP and DGs are physically located close to each other. The proposal is validated through extensive simulation studies using EMTDC/PSCAD software package (version 4.2).

Operation and control of a microgrid containing inertial and non-inertial micro sources

In this paper, a new power sharing control method for a microgrid with several distributed generation units is proposed. The presence of both inertial and noninertial sources with different power ratings, maximum power point tracking, and various types of loads pose a great challenge for the power sharing and system stability. The conventional droop control method is modified to achieve the desired power sharing ensuring system stability in a highly resistive network. A transformation matrix is formed to derive equivalent real and reactive power output of the converter and equivalent feedback gain matrix for the modified droop equation. The proposed control strategy, aimed for the prototype microgrid planned at Queensland University of Technology, is validated through extensive simulation results using PSCAD/EMTDC software.

Control and protection of a microgrid with converter interfaced micro sources

This paper describes protection and control of a microgrid with converter interfaced micro sources. The proposed protection and control scheme consider both grid connected and autonomous operation of the microgrid. A protection scheme, capable of detecting faults effectively in both grid connected and islanded operations is proposed. The main challenge of the protection, due to current limiting state of the converters is overcome by using admittance relays. The relays operate according to the inverse time characteristic based on measured admittance of the line. The proposed scheme isolates the fault from both sides, while downstream side of the microgrid operates in islanding condition. Moreover faults can be detected in autonomous operation. In grid connected mode distributed generators (DG) supply the rated power while in absence of the grid, DGs share the entire power requirement proportional to rating based on output voltage angle droop control. The protection scheme ensures minimum load shedding with isolating the faulted network and DG control provides a smooth islanding and resynchronization operation. The efficacy of coordinated control and protection scheme has been validated through simulation for various operating conditions.

Design and evaluation of an image analysis platform for low-power, low-bandwidth camera networks

We describe the design and evaluation of a platform for networks of cameras in low-bandwidth, low-power sensor networks. In our work to date we have investigated two different DSP hardware/software platforms for undertaking the tasks of compression and object detection and tracking. We compare the relative merits of each of the hardware and software platforms in terms of both performance and energy consumption. Finally we discuss what we believe are the ongoing research questions for image processing in WSNs.