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.

Cálculo de constantes ópticas de películas delgadas de Cu3BiS3 a través del método de Wolfe

Se calculó la obtención de las constantes ópticas usando el método de Wolfe. Dichas contantes: coeficiente de absorción (α), índice de refracción (n) y espesor de una película delgada (d ), son de importancia en el proceso de caracterización óptica del material. Se realizó una comparación del método del Wolfe con el método empleado por R. Swanepoel. Se desarrolló un modelo de programación no lineal con restricciones, de manera que fue posible estimar las constantes ópticas de películas delgadas semiconductoras, a partir únicamente, de datos de transmisión conocidos. Se presentó una solución al modelo de programación no lineal para programación cuadrática. Se demostró la confiabilidad del método propuesto, obteniendo valores de α = 10378.34 cm−1, n = 2.4595, d =989.71 nm y Eg = 1.39 Ev, a través de experimentos numéricos con datos de medidas de transmitancia espectral en películas delgadas de Cu3BiS3.

ESTUDIO ESTRUCTURAL DE SEMICONDUCTORES USADOS EN APLICACIONES FOTOVOLTAICAS

Se presenta un estudio de las propiedades estructurales de los semiconductores Bi2S3, SnS, SnS2, SnS:Bi, Cu3BiS3 y Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) usados como capa absorbente en dispositivos optoelectrónicos. Todas las muestras fueron crecidas por procesos de co-evaporación de sus especies metálicas sobre sustratos de vidrio. El efecto de las condiciones de preparación sobre las propiedades estructurales y composición química han sido analizados y obtenidos a partir de difracción de rayos-X (XRD) y espectroscopia de electrones Auger (AES). Los resultados revelan que todos los compuestos crecen con estructura ortorrómbica, a diferencia del SnS2 y el CIGS, que crecen con estructura hexagonal y tetragonal, respectivamente. Los resultados composicionales revelaron que a partir de la deconvolución de sus picos se encontraron fases asociadas a Cu2Se y In2Se3

Hall Effect and transient surface photovoltage (SPV) study of Cu3BiS3 thin films

Se presentan las propiedades eléctricas del compuesto Cu3BiS3 depositado por co-evaporación. Este es un nuevo compuesto que puede tener propiedades adecuadas para ser utilizado como capa absorbente en celdas solares. Las muestras fueron caracterizadas a través de medidas de efecto Hall y fotovoltaje superficial transiente (SPV). A través de medidas de efecto Hall se encontró que la concentración de portadores de carga n es del orden de 1016 cm-3 independiente de la relación de masas de Cu/Bi. También se encontró que la movilidad de este compuesto (μ del orden de 4 cm2V -1s-1) varía de acuerdo con los mecanismos de transporte que la gobiernan en dependencia con la temperatura. A partir de las medidas de SPV se encontró alta densidad de defectos superficiales, defectos que son pasivados al superponer una capa buffer sobre el compuesto Cu3BiS3.

Study of heterostructures of Cu3BiS3–buffer layer measured by Kelvin probe force microscopy measurements (KPFM)

The interface formed between Cu3BiS3 thin films and the buffer layer is a potentially limiting factor to the performance of solar cells based on Al/Cu3BiS3/buffer heterojunctions. The buffer layers of ZnS and In2S3 were grown by coevaporation, and tested as an alternative to the traditional CdS deposited by chemical bath deposition. From the Kelvin probe force microscopy measurements, we found the values of the work function of ZnS, In2S3, and CdS, layers deposited into Cu3BiS3. Additionally, different electronic activity was found for different grain boundaries (GBs), from studies under illumination, we also found the net doping concentration and the density of charged GB states for Cu3BiS3 and Cu3BiS3/CdS.

First-Principles Calculations of the Electronic and Structural Properties of GaSb

In this paper, we carried out first-principles calculations in order to investigate the structural and electronic properties of the binary compound gallium antimonide (GaSb). This theoretical study was carried out using the Density Functional Theory within the plane-wave pseudopotential method. The effects ofexchange and correlation (XC) were treated using the functional Local Density Approximation (LDA), generalized gradient approximation (GGA): Perdew–Burke–Ernzerhof (PBE), Perdew-Burke-Ernzerhof revised for solids (PBEsol), Perdew-Wang91 (PW91), revised Perdew–Burke–Ernzerhof (rPBE), Armiento–Mattson 2005 (AM05) and meta-generalized gradient approximation (meta-GGA): Tao–Perdew– Staroverov–Scuseria (TPSS) and revised Tao–Perdew–Staroverov–Scuseria (RTPSS) and modified Becke-Johnson (MBJ). We calculated the densities of state (DOS) and band structure with different XC potentials identified and compared them with the theoretical and experimental results reported in the literature. It was discovered that functional: LDA, PBEsol, AM05 and RTPSS provide the best results to calculate the lattice parameters (a) and bulk modulus (B0); while for the cohesive energy (Ecoh), functional: AM05, RTPSS and PW91 are closer to the values obtained experimentally. The MBJ, Rtpss and AM05 values found for the band gap energy is slightly underestimated with those values reported experimentally.

Assessment of PV Systems Performance in the Madeira Island Using Typical Meteorological Year Data

This paper focus on the development of an algorithm using Matlab to generate Typical Meteorological Years from weather data of eight locations in the Madeira Island and to predict the energy generation of photovoltaic systems based on solar cells modelling. Solar cells model includes the effect of ambient temperature and wind speed. The analysis of the PV system performance is carried out through the Weather Corrected Performance Ratio and the PV system yield for the entire island is estimated using spatial interpolation tools.

A finite element framework for the interplay between delamination and buckling of rubber-like bi-material systems and stretchable electronics

In this study, a finite element (FE) framework for the analysis of the interplay between buckling and delamination of thin layers bonded to soft substrates is proposed. The current framework incorporates the following modeling features: (i) geometrically nonlinear solid shell elements, (ii) geometrically nonlinear cohesive interface elements, and (iii) hyperelastic material constitutive response for the bodies that compose the system. A fully implicit Newton–Raphson solution strategy is adopted to deal with the complex simultaneous presence of geometrical and material nonlinearities through the derivation of the consistent FE formulation. Applications to a rubber-like bi-material system under finite bending and to patterned stiff islands resting on soft substrate for stretchable solar cells subjected to tensile loading are proposed. The results obtained are in good agreement with benchmark results available in the literature, confirming the accuracy and the capabilities of the proposed numerical method for the analysis of complex three-dimensional fracture mechanics problems under finite deformations.

New functional polythiophene based materials: fine-tuning of photovoltaic or chiroptical properties

There is a remarkable level of interest in the development of π-conjugated polymers (ICPs) which have been employed, thanks to their promising optical and electronic properties, in numerous applications including photovoltaic cells, light emitting diodes and thin-film transistors. Although high power conversion efficiency can be reached using poly(3-alkylthiophenes) (P3ATs) as electron-donating materials in polymeric solar cells of the Bulk-Heterojunction type (BHJ), their relatively large band gap limits the solar spectrum fraction that can be utilized. The research work described in this dissertation thus concerns the synthesis, characterization and study of the optical and photoactivity properties of new organic semiconducting materials based on polythiophenes. In detail, various narrow band gap polymers and copolymers were developed through different approaches and were characterized by several complementary techniques, such as gel permeation chromatography (GPC), NMR spectroscopy, thermal analyses (DSC, TGA), UV-Vis/PL spectroscopy and cyclic voltammetry (CV), in order to investigate their structural and chemical/photophysical properties. Moreover, the polymeric derivatives were tested as active material in air-processed organic solar cells. The activity has also been devoted to investigate the behavior of polythiophenes with chiral side chain, that are fascinating materials capable to assume helix supramolecular structures, exhibiting optical activity in the aggregated state.

Sintesi, caratterizzazione e nano-strutturazione di politiofeni e loro applicazione in celle solari

Negli ultimi decenni i polimeri coniugati, grazie alla loro peculiarità di essere dei semiconduttori organici, hanno attirato l’attenzione della ricerca scientifica, e tra questi composti rientrano i politiofeni. Versatilità, robustezza chimica strutturale e fluorescenza sono alcune delle proprietà che caratterizzano tali composti e che hanno permesso di esplorare nuovi materiali da un punto di vista scientifico e tecnologico. Recentemente molto interessanti sono risultate essere le nanoparticelle politiofeniche poiché permettono di modulare le proprietà chimico-fisiche dei relativi polimeri, ampliandone le potenzialità a trovare applicazione in molteplici dispositivi elettronici, tra cui le celle solari (CS) organiche. Infatti, molto attivo è l’interesse della comunità scientifica per ottimizzare questi dispositivi ricercando nuovi prodotti che soddisfino diversi requisiti, come riduzione dell’impatto ambientale, la facilità di preparazione e compatibilità con substrati flessibili. In tale contesto, uno degli obiettivi della ricerca attualmente si focalizza sulla preparazione di nuovi accettori da usare in CS organiche alternativi ai derivati fullerenici, i quali presentano diversi svantaggi. Alla luce dei più recenti risultati si è visto che i politiofeni push-pull, caratterizzati dall’alternanza di gruppi accettori (A) e gruppi donatori (D), hanno una notevole potenzialità a rimpiazzare tali materiali e ad essere usati come accettori non-fullerenici. Infatti, questi hanno permesso di ottenere buoni risultati in termini di conversioni ed efficienze delle celle fotovoltaiche. Lo scopo di questo lavoro di tesi è sintetizzare sei nuovi polimeri a base tiofenica (quattro con sequenza A-D e due con sequenza A-A) per studiarne le possibili applicazioni come materiali accettori non-fullerenici e la loro organizzazione in strutture ordinate di nanoparticelle.

Molecular modelling of organic functional materials

The investigation of the mechanisms lying behind the (photo-)chemical processes is fundamental to address and improve the design of new organic functional materials. In many cases, dynamics simulations represent the only tool to capture the system properties emerging from complex interactions between many molecules. Despite the outstanding progresses in calculation power, the only way to carry out such computational studies is to introduce several approximations with respect to a fully quantum mechanical (QM) description. This thesis presents an approach that combines QM calculations with a classical Molecular Dynamics (MD) approach by means of accurate QM-derived force fields. It is based on a careful selection of the most relevant molecular degrees of freedom, whose potential energy surface is calculated at QM level and reproduced by the analytic functions of the force field, as well as by an accurate tuning of the approximations introduced in the model of the process to be simulated. This is made possible by some tools developed purposely, that allow to obtain and test the FF parameters through comparison with the QM frequencies and normal modes. These tools were applied in the modelling of three processes: the npi* photoisomerisation of azobenzene, where the FF description was extended to the excited state too and the non-adiabatic events were treated stochastically with Tully fewest switching algorithm; the charge separation in donors-acceptors bulk heterojunction organic solar cells, where a tight-binding Hamiltonian was carefully parametrised and solved by means of a code, also written specifically; the effect of the protonation state on the photoisomerisation quantum yield of the aryl-azoimidazolium unit of the axle molecule of a rotaxane molecular shuttle. In each case, the QM-based MD models that were specifically developed gave noteworthy information about the investigated phenomena, proving to be a fundamental key for a deeper comprehension of several experimental evidences.

Optoelectronic investigation of defects in hybrid metal halide perovskites

The growing demand for flexible and low-cost electronics has driven research towards the study of novel semiconducting materials to replace traditional semiconductors like silicon and germanium, which are limited by mechanical rigidity and high production cost. Some of the most promising semiconductors in this sense are metal halide perovskites (MHPs), which combine low-cost fabrication and solution processability with exceptional optoelectronic properties like high absorption coefficient, long charge carrier lifetime, and high mobility. These properties, combined with an impressive effort by many research groups around the world, have enabled the fabrication of solar cells with record-breaking efficiencies, and photodetectors with better performance than commercial ones. However, MHP devices are still affected by issues that are hindering their commercialization, such as degradation under humidity and illumination, ion migration, electronic defects, and limited resistance to mechanical stress. The aim of this thesis work is the experimental characterization of these phenomena. We investigated the effects of several factors, such as X-ray irradiation, exposure to environmental gases, and atmosphere during synthesis, on the optoelectronic properties of MHP single crystals. We achieved this by means of optical spectroscopy, electrical measurements, and chemical analyses. We identified the cause of mechanical delamination in MHP/silicon tandem solar cells by atomic force microscopy measurements. We characterized electronic defects and ion migration in MHP single crystals by applying for the first time the photo-induced current transient spectroscopy technique to this class of materials. This research allowed to gain insight into both intrinsic defects, like ion migration and electron trapping, and extrinsic defects, induced by X-ray irradiation, mechanical stress, and exposure to humidity. This research paves the way to the development of methods that heal and passivate these defects, enabling improved performance and stability of MHP optoelectronic devices.

Characterization of innovative kerfless cutting of monocrystalline silicon wafers for photovoltaic applications

Nowadays renewable energies are a hot research topic, and the goal is to improve cell efficiency and reduce production costs, aiming to make the use of photovoltaics increasingly widespread and convenient. Monocrystalline silicon solar cells are leaders in the photovoltaic market. However, market-established cutting techniques produce a consistent amount of material waste when cutting ingots into wafers. The“Stress-induced LIft-Off Method” (SLIM) is emerging in recent years as an alternative, more sustainable separation technique, which reduces material loss and can lead to obtaining increasingly thinner wafers, further reducing the required amount of silicon. This thesis presents the micro-characterization of the separated wafers with the SLIM technique. The wafers were obtained with a two-step procedure. First, a layer of defects was induced in the silicon using ultra-short medium-infrared laser pulses. Then, the material was deposited on one of the sides and induced stress in the silicon, such as to further weaken it. In this way, only rapid cooling is required for detachment to occur. The obtained results indicate that the SLIM-cut technique halves the minority carriers’ lifetime. There is no amorphization, crystal disorder or high-pressure phases. However, changes in the Raman spectra suggest that tensile stress may have been produced on these surface layers by the separation process. The AFM topography highlights surface irregularities, which may be removed with a polishing step. The surface also shows laser-modified regions, which are evident in SEM images, but not in AFM topographies, suggesting a charging effect due to electron bombardment. Lastly, the electrical characterization by conductive AFM lacks any changes in the conductive behaviour of the material where the laser-modified areas should be located. In conclusion, these preliminary results are promising to carry out a systematic characterization of this technique of this innovative SLIM technique.

Nonlinear frequency response analysis for the diagnosis of polymer electrolyte membrane fuel cells

Magdeburg, Univ., Fak. für Verfahrens- und Systemtechnik, Diss., 2012