Visible light photocatalyst: Iodine-doped mesoporous titania with a bicrystalline framework

Iodine-doped (I-doped) mesoporous titania with a bicrystalline (anatase and rutile) framework was synthesized by a two-step template hydrothermal synthesis route. I-doped titania with anatase structure was also synthesized without the use of a block copolymer as a template. The resultant titania samples were characterized by X-ray diffraction, Raman spectroscopy, Fourier transform infrared, nitrogen adsorption, transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and UV-visible absorption spectroscopy. Both I-doped titania samples, with and without template, show much better photocatalytic activity than commercial P25 titania in the photodegradation of methylene blue under the irradiation of visible light (> 420 nm) and UV-visible light. Furthermore, I-doped mesoporous titania with a bicrystalline framework exhibits better activity than I-doped titania with anatase structure. The effect of rutile phase in titania on the adsorptive capacity of water and surface hydroxyl, and photocatalytic activity was investigated in detail. The excellent performance of I-doped mesoporous titania under both visible light and UV-visible light can be attributed to the combined effects of bicrystalline framework, high crystallinity, large surface area, mesoporous structure, and high visible light absorption induced by I-doping.

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.

Catalyst screening: Refinement of the origin of the volcano curve and its implication in heterogeneous catalysis

Understanding the overall catalytic activity trend for rational catalyst design is one of the core goals in heterogeneous catalysis. In the past two decades, the development of density functional theory (DFT) and surface kinetics make it feasible to theoretically evaluate and predict the catalytic activity variation of catalysts within a descriptor-based framework. Thereinto, the concept of the volcano curve, which reveals the general activity trend, usually constitutes the basic foundation of catalyst screening. However, although it is a widely accepted concept in heterogeneous catalysis, its origin lacks a clear physical picture and definite interpretation. Herein, starting with a brief review of the development of the catalyst screening framework, we use a two-step kinetic model to refine and clarify the origin of the volcano curve with a full analytical analysis by integrating the surface kinetics and the results of first-principles calculations. It is mathematically demonstrated that the volcano curve is an essential property in catalysis, which results from the self-poisoning effect accompanying the catalytic adsorption process. Specifically, when adsorption is strong, it is the rapid decrease of surface free sites rather than the augmentation of energy barriers that inhibits the overall reaction rate and results in the volcano curve. Some interesting points and implications in assisting catalyst screening are also discussed based on the kinetic derivation. Moreover, recent applications of the volcano curve for catalyst design in two important photoelectrocatalytic processes (the hydrogen evolution reaction and dye-sensitized solar cells) are also briefly discussed.

Ultrafast charge-transfer in organic photovoltaic interfaces: geometrical and functionalization effects

Understanding the microscopic mechanisms of electronic excitation in organic photovoltaic cells is a challenging problem in the design of efficient devices capable of performing sunlight harvesting. Here we develop and apply an ab initio approach based on time-dependent density functional theory and Ehrenfest dynamics to investigate photoinduced charge transfer in small organic molecules. Our calculations include mixed quantum–classical dynamics with ions moving classically and electrons quantum mechanically, where no experimental external parameter other than the material geometry is required. We show that the behavior of photocarriers in zinc phthalocyanine (ZnPc) and C60 systems, an effective prototype system for organic solar cells, is sensitive to the atomic orientation of the donor and the acceptor units as well as the functionalization of covalent molecules at the interface. In particular, configurations with the ZnPc molecules facing on C60 facilitate charge transfer between substrate and molecules that occurs within 200 fs. In contrast, configurations where ZnPc is tilted above C60 present extremely low carrier injection efficiency even at longer times as an effect of the larger interfacial potential level offset and higher energetic barrier between the donor and acceptor molecules. An enhancement of charge injection into C60 at shorter times is observed as binding groups connect ZnPc and C60 in a dyad system. Our results demonstrate a promising way of designing and controlling photoinduced charge transfer on the atomic level in organic devices that would lead to efficient carrier separation and maximize device performance.

Piezo force microscopy and peakforce tuna measurements of III-V semiconductor nanowires

GaN, InP and GaAs nanowires were investigated for piezoelectric response. Nanowires and structures based on them can find wide applications in areas purposes such as nanogenarators, nanodrives, Solar cells and other perspective areas. Experemental measurements were carried out on AFM Bruker multimode 8 and data was handled with Nanoscope software. AFM techniques permitted not only to visualize the surface topography, but also to show distribution of piezoresponse and allowed to calculate its properties. The calculated values are in the same range as published by other authors.

Synthesis and Characterization of Nanostructured Electro-active Materials

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

The effect of ionic Co presence on the structural, optical and photocatalytic properties of modified cobalt–titanate nanotubes

With the aim of producing materials with enhanced optical and photocatalytic properties, titanate nanotubes (TNTs) modified by cobalt doping (Co-TNT) and by Na+ -> Co ion-exchange (TNT/Co) were successfully prepared by a hydrothermal method. The influence of the doping level and of the cobalt position in the TNT crystalline structure was studied. Although no perceptible influence of the cobalt ion position on the morphology of the prepared titanate nanotubes was observed, the optical behaviour of the cobalt modified samples is clearly dependent on the cobalt ions either substituting the Ti4+ ions in the TiO6 octahedra building blocks of the TNT structure (doped samples) or replacing the Na+ ions between the TiO6 interlayers (ion-exchange samples). The catalytic ability of these materials on pollutant photodegradation was investigated. First, the evaluation of hydroxyl radical formation using the terephthalic acid as a probe was performed. Afterwards, phenol, naphthol yellow S and brilliant green were used as model pollutants. Anticipating real world situations, photocatalytic experiments were performed using solutions combining these pollutants. The results show that the Co modified TNT materials (Co-TNT and TNT/Co) are good catalysts, the photocatalytic performance being dependent on the Co/Ti ratio and on the structural metal location. The Co(1%)-TNT doped sample was the best photocatalyst for all the degradation processes studied.

POLYMER-NANOPARTICLE COMPOSITES FOR APPLICATIONS IN FLEXIBLE ELECTRONICS

The aim of this dissertation was to investigate flexible polymer-nanoparticle composites with unique magnetic and electrical properties. Toward this goal, two distinct projects were carried out. The first project explored the magneto-dielectric properties and morphology of flexible polymer-nanoparticle composites that possess high permeability (µ), high permittivity (ε) and minimal dielectric, and magnetic loss (tan δε, tan δµ). The main materials challenges were the synthesis of magnetic nanoparticle fillers displaying high saturation magnetization (Ms), limited coercivity, and their homogeneous dispersion in a polymeric matrix. Nanostructured magnetic fillers including polycrystalline iron core-shell nanoparticles, and constructively assembled superparamagnetic iron oxide nanoparticles were synthesized, and dispersed uniformly in an elastomer matrix to minimize conductive losses. The resulting composites have demonstrated promising permittivity (22.3), permeability (3), and sustained low dielectric (0.1), magnetic (0.4) loss for frequencies below 2 GHz. This study demonstrated nanocomposites with tunable magnetic resonance frequency, which can be used to develop compact and flexible radio frequency devices with high efficiency. The second project focused on fundamental research regarding methods for the design of highly conductive polymer-nanoparticle composites that can maintain high electrical conductivity under tensile strain exceeding 100%. We investigated a simple solution spraying method to fabricate stretchable conductors based on elastomeric block copolymer fibers and silver nanoparticles. Silver nanoparticles were assembled both in and around block copolymer fibers forming interconnected dual nanoparticle networks, resulting in both in-fiber conductive pathways and additional conductive pathways on the outer surface of the fibers. Stretchable composites with conductivity values reaching 9000 S/cm maintained 56% of their initial conductivity after 500 cycles at 100% strain. The developed manufacturing method in this research could pave the way towards direct deposition of flexible electronic devices on any shaped substrate. The electrical and electromechanical properties of these dual silver nanoparticle network composites make them promising materials for the future construction of stretchable circuitry for displays, solar cells, antennas, and strain and tactility sensors.

Investigation of the hazards of substrate current injection: transient external latchup and substrate noise coupling

Substrate current injection is the origin of external latchup and substrate noise coupling. The trigger current for external latchup depends on the duration of the trigger event. A physics-based model is provided to model the effects of aggressor to victim spacing and orientation on transient triggering of external latchup. The latchup susceptibility of standard cell based designs is also investigated. Guard rings are used to reduce latchup susceptibility and to reduce the substrate noise coupled to sensitive analog circuits. In this work, the effectiveness of different guard ring topologies for the reduction of substrate noise coupling is also investigated.

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.

Design of Nanophotonic Antireflection Coatings for III-V Thin-Film Photovoltaics

Thin-film photovoltaics have provided a critical design avenue to help decrease the overall cost of solar power. However, a major drawback of thin-film solar cell technology is decreased optical absorption, making compact, high-quality antireflection coatings of critical importance to ensure that all available light enters the cell. In this thesis, we describe high efficiency thin-film InP and GaAs solar cells that utilize a periodic array of nanocylinders as antireflection coatings. We use coupled optical and electrical simulations to find that these nanophotonic structures reduce the solar-weighted average reflectivity of InP and GaAs solar cells to around 1.3 %, outperforming the best double-layer antireflection coatings. The coupling between Mie scattering resonances and thin-film interference effects accurately describes the optical enhancement provided by the nanocylinders. The spectrally resolved reflectivity and J-V characteristics of the devices under AM1.5G solar illumination are determined via the coupled optical and electrical simulations, resulting in predicted power conversion efficiencies > 23 %. We conclude that the nanostructured coatings reduce reflection without negatively affecting the electronic properties of the InP and GaAs solar cells by separating the nanostructured optical components from the active layer of the device.

Raman Spectroscopy and DFT calculations for the Electronic Structure Characterization of Conjugated Polymers

In the last three decades, there has been a broad academic and industrial interest in conjugated polymers as semiconducting materials for organic electronics. Their applications in polymer light-emitting diodes (PLEDs), polymer solar cells (PSCs), and organic field-effect transistors (OFETs) offer opportunities for the resolution of energy issues as well as the development of display and information technologies1. Conjugated polymers provide several advantages including low cost, light weight, good flexibility, as well as solubility which make them readily processed and easily printed, removing the conventional photolithography for patterning2. A large library of polymer semiconductors have been synthesized and investigated with different building blocks, such as acenes or thiophene and derivatives, which have been employed to design new materials according to individual demands for specific applications. To design ideal conjugated polymers for specific applications, some general principles should be taken into account, including (i) side chains (ii) molecular weights, (iii) band gap and HOMO and LUMO energy levels, and (iv) suited morphology.3-6 The aim of this study is to elucidate the impact that substitution exerts on the molecular and electronic structure of π-conjugated polymers with outstanding performances in organic electronic devices. Different configurations of the π-conjugated backbones are analyzed: (i) donor-acceptor configuration, (ii) 1D lineal or 2D branched conjugated backbones, and (iii) encapsulated polymers (see Figure 1). Our combined vibrational spectroscopy and DFT study shows that small changes in the substitution pattern and in the molecular configuration have a strong impact on the electronic characteristics of these polymers. We hope this study can advance useful structure-property relationships of conjugated polymers and guide the design of new materials for organic electronic applications.