Synthesis of Zinc oxide nanorods via conductive polymeric template and its potential application in hybrid solar cells.

Tesis (Doctorado en Ciencias con orientación en Química de los Materiales) UANL, 2014.

A new avalanche model for solar flares

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Développement de nouveaux matériaux organométalliques pour des applications dans le domaine de la conversion d’énergie solaire

Dans un contexte où l’approvisionnement énergétique mondial du 21e siècle est un enjeu majeur, le développement de sources d’énergie renouvelables suscite l’attention croissante de la communauté scientifique et industrielle. L’énergie solaire est définitivement l’une des meilleures alternatives aux combustibles fossiles en tant que source d’énergie du monde de demain. Ce mémoire traite donc du développement de nouveaux matériaux organométalliques pour des applications de photorécoltage d’énergie en photovoltaïque et en production d’hydrogène. Le premier chapitre présente la synthèse assistée par microondes de quatre nouveaux complexes de Co(II), Ni(II), Cu(II) et Zn(II) basés sur le ligand tétra-p-méthoxyphényl-azadipyrrométhène (ADPM) avec des rendements variant de 89% à quantitatif. Ces complexes sont mis en relation avec d’autres complexes homoleptiques connus portant le tétraphényl-ADPM comme ligand ainsi qu’avec leurs chélates de BF2+ pour une meilleure compréhension des tendances engendrées par la substitution de l’agent coordonnant et/ou des substituants p-méthoxy. Pour ce faire, le comportement électrochimique et photophysique est présenté. De façon générale, la présence des quatre groupements p-méthoxy semble rendre les dérivés de cet ADPM plus susceptibles à la dégradation électrochimique en conditions d’oxydation et induire un déplacement bathochromique des propriétés optiques d’absorption et d’émission. Les structures rayons X du ligand tétra-p-méthoxyphényl-ADPM et de son complexe homoleptique de Co(II) sont aussi discutées. Cette étude a été effectuée dans l’espoir de fournir des informations utiles sur la stabilité des ADPM aux chercheurs du domaine photovoltaïque en quête de nouveaux chromophores dans le proche infrarouge (NIR). Le deuxième chapitre présente quant à lui les propriétés de senseur envers les anions F-, OAc- et H2PO4- de deux nouveaux complexes neutres de Re(I) de type mono- et dinucléaire basés sur une phénanthroline substituée en position 5 contenant un récepteur thio-urée. Ces composés ont été obtenus dans des rendements de 81% et 60%, respectivement. L’effet de la formation de ponts hydrogène lors de l’ajout d’anions versus la déprotonation du récepteur a été évalué par des titrations UV/Vis et RMN 1H et semble indiquer que la formation de la base conjuguée du récepteur est favorisée pour ce type de système. De plus, la structure rayons X d’un des précurseurs est présentée et permet une discussion sur la chiralité des complexes mono- et dinucléaire obtenus. L’obtention d’un complexe bimétallique par autoassemblage ouvre la voie à la préparation d’antennes moléculaires pour des systèmes de photosynthèse artificielle.

Calculs ab initio de structures électroniques pour un meilleur design de polymères photovoltaïques

La présente thèse porte sur l'utilité de la théorie de la fonctionnelle de la densité dans le design de polymères pour applications photovoltaïques. L'étude porte d'abord sur le rôle des calculs théoriques pour la caractérisation des polymères dans le cadre de collaborations entre la théorie et l'expérience. La stabilité et les niveaux énergétiques de certaines molécules organiques sont étudiés avant et après la sulfuration de leurs groupements carbonyles, un procédé destiné à diminuer le band gap. Les propriétés de dynamique électronique, de séparation des porteurs de charges et de spectres de vibrations Raman sont également explorées dans un polymère à base de polycarbazole. Par la suite, l'utilité des calculs théoriques dans le design de polymères avant leurs synthèses est considérée. La théorie de la fonctionnelle de la densité est étudiée dans le cadre du modèle de Scharber afin de prédire l'efficacité des cellules solaires organiques. Une nouvelle méthode de design de polymères à faible band gaps, basée sur la forme structurale aromatique ou quinoide est également présentée, dont l'efficacité surpasse l'approche actuelle de donneur-accepteur. Ces études sont mises à profit dans l'exploration de l'espace moléculaire et plusieurs candidats de polymères aux propriétés électroniques intéressantes sont présentés.

Signature optique d’effet Stark dans une bicouche de CuPc:C60

Les hétérojonctions formées de deux matériaux, un donneur et un accepteur (D/A), sont la base de la majorité des mélanges photovoltaïques organiques. Les mécanismes de séparation des charges dans ces systèmes représentent aujourd'hui l'un des sujets les plus chauds et les plus débattus dans ce domaine. Nous entrons au coeur de ce débat en choisissant un système D/A à base de phtalocyanine de cuivre (CuPc) et de fullerène (C60). Pour sonder les états excités de nos molécules et obtenir de l'information sur les phénomènes à l'interface D/A, nous réalisons une expérience pompe-sonde, appelée absorption photoinduite (PIA). Nous y mesurons le changement fractionnaire de transmission au travers de l'échantillon. Les mesures de PIA sont réalisées à l'état de quasi équilibre, à T=10K. Nous observons une modulation prononcée dans la région du photoblanchiment de l'état fondamental qui nous indique que la pompe induit un décalage du spectre d'absorption de l'état fondamental. Ce décalage peut être expliqué par deux processus : soit l'échantillon est chauffé par la pompe (effet thermique) ou bien des charges sont créées à l'interface entre les deux matériaux (effet Stark). La dépendance en température du spectre d'absorption entre 10K et 290K montre une signature thermique pour un changement de température de 80K. Grâce au ratio des raies Raman anti-Stokes et Stokes, nous démontrons que la pompe chauffe l'échantillon de 34 K, température insuffisante pour attribuer notre signal à un effet thermique. Nous évaporons ensuite la bicouche CuPc/C60 sur de l'ITO et du saphir, substrats qui possèdent des conductivités thermiques différentes et nous observons le même signal de PIA, excluant par le fait même l'hypothèse de l'effet thermique. Puisque notre étude est comparable à la spectroscopie à effet Stark, nous procédons à une analyse similaire en comparant notre signal de PIA au spectre de la transmittance et à ses dérivés première et seconde. Nous observons alors que notre signal reproduit presque parfaitement la dérivée seconde de la transmittance. Ces résultats sont conformes à une signature optique d'effet Stark due à la création de charges à l'interface D/A.

A Coupled 2 × 2D Babcock–Leighton Solar Dynamo Model. I. Surface Magnetic Flux Evolution

The need for reliable predictions of the solar activity cycle motivates the development of dynamo models incorporating a representation of surface processes sufficiently detailed to allow assimilation of magnetographic data. In this series of papers we present one such dynamo model, and document its behavior and properties. This first paper focuses on one of the model's key components, namely surface magnetic flux evolution. Using a genetic algorithm, we obtain best-fit parameters of the transport model by least-squares minimization of the differences between the associated synthetic synoptic magnetogram and real magnetographic data for activity cycle 21. Our fitting procedure also returns Monte Carlo-like error estimates. We show that the range of acceptable surface meridional flow profiles is in good agreement with Doppler measurements, even though the latter are not used in the fitting process. Using a synthetic database of bipolar magnetic region (BMR) emergences reproducing the statistical properties of observed emergences, we also ascertain the sensitivity of global cycle properties, such as the strength of the dipole moment and timing of polarity reversal, to distinct realizations of BMR emergence, and on this basis argue that this stochasticity represents a primary source of uncertainty for predicting solar cycle characteristics.

Synthèse et étude de nouvelles molécules potentiellement polymérisables pour la fabrication de matériaux électroluminescents : analogues du 1,3,5 benzènetripyrrole, méthyle 3,5-bipyrrolebenzoate et 6,12-diméthyle-1,5-dipyrrolediazocane

Pyrroles are found in various natural products and in the chemical composition of certain drugs because of their interesting biological properties. Lipitor, Tolmetin and Amtolmetin are examples of drugs with 1,2,5-substituted pyrroles in their composition, in which biological activities have been certified. Moreover, pyrroles are used as precursors of semiconductor polymers, oligomers and dendrimers useful for the synthesis of electroluminescent materials used in devices, such as organic light-emitting diodes, field-effect transistors, solar and organic photovoltaic cells. We are interested in conjugated polymers based on pyrrole due to their optical properties, electrochemical and the conductivity produced by electron delocalization along their carbon chains. The overall objective of the work presented in this thesis is the synthesis of new molecules based on pyrrole for studying their electronic and electrochemical properties as well for the synthesis of conjugated polymers. Initially, we performed the synthesis of 1,3,5-tri-(1-alkyl-5-methylpyrrol-2-yl)benzenes, which may serve as precursors for the synthesis of conjugated dendrimers. Their synthesis was made in three steps starting from trimethyl 1,3,5-benzene-tricarboxylate which was converted to 1,3,5-tri-(pent-4-enoyl)benzene using vinylmagnesium bromide in a Grignard reaction catalyzed by copper cyanide. The olefins of 1,3,5-tri-(pent-4-enoyl)benzene were oxidized to produce 1,3,5-tri-(4-oxopentanoyl)benzene using a modified protocol of the Tsuji-Wacker reaction. Subsequent, Paal-Knorr condensation reactions on 1,3,5-tri-(4-oxopentanoyl)benzene with different amines were used to synthesize 1,3,5-tri-(1-alkyl-5-methylpyrrol-2-yl)benzenes with different N-substituents in yields between 44 and 60%. Incomplete reaction of vinylmagnesium bromide with trimethyl 1,3,5-benzenetricarboxylate gave the methyl-3,5-di(pent-4-enoyl)benzoate, which was converted to methyl-3,5-dipyrrolylbenzoate following the reaction of Tsuji- Wacker and Paal-Knorr with yields between 30 and 60%. The photochemical and electrochemical properties of the 1,3,5-tri-(1-alkyl-5-methylpyrrol-2-yl)benzenes and methyl-3,5-dipyrrolylbenzoates were studied in collaboration with the research group of professor William Skene. The results have shown that both types of pyrrole have potential for the synthesis of conjugated polymers and dendrimers used in the manufacture of electroluminescent materials. Following these encouraging results, we performed the synthesis of 6,12-dimethyl-1,5-dipyrrolediazocane. Methyl N-(Boc)-β-alaninate was converted to its corresponding homoallylic ketone, which was oxidized to N-(Boc)aminoheptan-3,6-dione. The Paal-Knorr condensation between N-(Boc)aminoheptan-3,6-dione and aminoheptan-3,6-dione hydrochloride gave 6,12-dimethyl-1,5-dipyrrolediazocane in 17% yield. In sum, we have synthesized and characterized seven new molecules, six of them having photochemical and electrochemical properties interesting for the synthesis of conjugated polymers and dendrimers. The latter offering potential as precursor for the conception of compounds of therapeutic interest.

Preparation and characterisation of certain II-VI, I-III-VI2 semiconductor thin films and transparent conducting oxides

There is an increasing demand for renewable energies due to the limited availability of fossil and nuclear fuels and due to growing environmental problems. Photovoltaic (PV) energy conversion has the potential to contribute significantly to the electrical energy generation in the future. Currently, the cost for photovoltaic systems is one of the main obstacles preventing production and application on a large scale. The photovoltaic research is now focused on the development of materials that will allow mass production without compromising on the conversion efficiencies. Among important selection criteria of PV material and in particular for thin films, are a suitable band gap, high absorption coefficient and reproducible deposition processes capable of large-volume and low cost production. The chalcopyrite semiconductor thin films such as Copper indium selenide and Copper indium sulphide are the materials that are being intensively investigated for lowering the cost of solar cells. Conversion efficiencies of 19 % have been reported for laboratory scale solar cell based on CuInSe2 and its alloys. The main objective of this thesis work is to optimise the growth conditions of materials suitable for the fabrication of solar cell, employing cost effective techniques. A typical heterojunction thin film solar cell consists of an absorber layer, buffer layer and transparent conducting contacts. The most appropriate techniques have been used for depositing these different layers, viz; chemical bath deposition for the window layer, flash evaporation and two-stage process for the absorber layer, and RF magnetron sputtering for the transparent conducting layer. Low cost experimental setups were fabricated for selenisation and sulphurisation experiments, and the magnetron gun for the RF sputtering was indigenously fabricated. The films thus grown were characterised using different tools. A powder X-ray diffractometer was used to analyse the crystalline nature of the films. The energy dispersive X-ray analysis (EDX) and scanning electron microscopy i (SEM) were used for evaluating the composition and morphology of the films. Optical properties were investigated using the UV-Vis-NIR spectrophotometer by recording the transmission/absorption spectra. The electrical properties were studied using the two probe and four probe electrical measurements. Nature of conductivity of the films was determined by thermoprobe and thermopower measurements. The deposition conditions and the process parameters were optimised based on these characterisations.

Development of Photorefractive Polymers: Evaluation of Photoconducting and Electro-optic Properties

This Thesis discussed molecules suitable for photorefractive effect. Out of the molecules studied, only one system was used to make photorefractive polymers system. Other molecules, especially, the electro-optic polymer, Poly(3-methacrloyl-1-(4'-nitro-4-azo-1'-phenyl)phenylalanine-co- methyl methacrylate) can be subjected to more detailed studies to explore the possibilities of using them for electro-optic applications. Though not included in the thesis, the efficient photoconductor, Poly(6-tert-butyl-3- phenyl-3,4-dihydro-2H-1,3-benzoxazine) sensitized with C60, which was described in Chapter 3 showed a low magnitude photovoltaic effect. This hints at the possibility of using this system for organic solar cells also. The thesis presented the initial observation of photorefractive effect in a polybenzoxazine based polymer system. A detailed analysis of the effect of C60, ECZ and DR1 can be carried out to check for the possibility of a high efficiency photorefractive system.

Engineering the Properties of Indium Sulfide for Thin Film Solar Cells by Doping

In the present work, structural, optical and electrical properties of indium sulfide are tuned by specific and controlled doping. Silver, tin, copper and chlorine were used as the doping elements. In2S3 thin films for the present study were prepared using a simple and low cost “Chemical Spray Pyrolysis (CSP)” technique. This technique is adaptable for large-area deposition of thin films in any required shape and facilitates easiness of doping and/or variation of atomic ratio. It involves spraying a solution, usually aqueous, containing soluble salts of the constituents of the desired compound onto a heated substrate. Doping process was optimized for different doping concentrations. On optimizing doping conditions, we tuned the structural, optical and electrical properties of indium sulfide thin films making them perform as an ideal buffer layer.

Automation of Chemical Spray Pyrolysis Unit and Fabrication of Sprayed CuInS2/In2S3 Solar Cell

Aim of the present work was to automate CSP process, to deposit and characterize CuInS2/In2S3 layers using this system and to fabricate devices using these films.An automated spray system for the deposition of compound semiconductor thin films was designed and developed so as to eliminate the manual labour involved in spraying and facilitate standardization of the method. The system was designed such that parameters like spray rate, movement of spray head, duration of spray, temperature of substrate, pressure of carrier gas and height of the spray head from the substrate could be varied. Using this system, binary, ternary as well as quaternary films could be successfully deposited.The second part of the work deal with deposition and characterization of CuInS2 and In2S3 layers respectively.In the case of CuInS2 absorbers, the effects of different preparation conditions and post deposition treatments on the optoelectronic, morphological and structural properties were investigated. It was observed that preparation conditions and post deposition treatments played crucial role in controlling the properties of the films. The studies in this direction were useful in understanding how the variation in spray parameters tailored the properties of the absorber layer. These results were subsequently made use of in device fabrication process.Effects of copper incorporation in In2S3 films were investigated to find how the diffusion of Cu from CuInS2 to In2S3 will affect the properties at the junction. It was noticed that there was a regular variation in the opto-electronic properties with increase in copper concentration.Devices were fabricated on ITO coated glass using CuInS2 as absorber and In2S3 as buffer layer with silver as the top electrode. Stable devices could be deposited over an area of 0.25 cm2, even though the efficiency obtained was not high. Using manual spray system, we could achieve devices of area 0.01 cm2 only. Thus automation helped in obtaining repeatable results over larger areas than those obtained while using the manual unit. Silver diffusion on the cells before coating the electrodes resulted in better collection of carriers.From this work it was seen CuInS2/In2S3 junction deposited through automated spray process has potential to achieve high efficiencies.

CuInS2 thin films using chemical methods for the fabrication of CuInS2/CdS solar cells

Dept.of Physics, Cochin University of Science and Technology