Growth and characterization of III-V compound semiconductor nanostructures by metalorganic chemical vapor deposition

Planar <110> GaAs nanowires and quantum dots grown by atmospheric MOCVD have been introduced to non-standard growth conditions such as incorporating Zn and growing them on free-standing suspended films and on 10° off-cut substrates. Zn doped nanowires exhibited periodic notching along the axis of the wire that is dependent on Zn/Ga gas phase molar ratios. Planar nanowires grown on suspended thin films give insight into the mobility of the seed particle and change in growth direction. Nanowires that were grown on the off-cut sample exhibit anti-parallel growth direction changes. Quantum dots are grown on suspended thin films and show preferential growth at certain temperatures. Envisioned nanowire applications include twin-plane superlattices, axial pn-junctions, nanowire lasers, and the modulation of nanowire growth direction against an impeding barrier and varying substrate conditions.

MICROSCALE DIELECTRIC ANTI-REFLECTION COATINGS FOR PHOTOVOLTAICS

In order to power our planet for the next century, clean energy technologies need to be developed and deployed. Photovoltaic solar cells, which convert sunlight into electricity, are a clear option; however, they currently supply 0.1% of the US electricity due to the relatively high cost per Watt of generation. Thus, our goal is to create more power from a photovoltaic device, while simultaneously reducing its price. To accomplish this goal, we are creating new high efficiency anti-reflection coatings that allow more of the incident sunlight to be converted to electricity, using simple and inexpensive coating techniques that enable reduced manufacturing costs. Traditional anti-reflection coatings (consisting of thin layers of non-absorbing materials) rely on the destructive interference of the reflected light, causing more light to enter the device and subsequently get absorbed. While these coatings are used on nearly all commercial cells, they are wavelength dependent and are deposited using expensive processes that require elevated temperatures, which increase production cost and can be detrimental to some temperature sensitive solar cell materials. We are developing two new classes of anti-reflection coatings (ARCs) based on textured dielectric materials: (i) a transparent, flexible paper technology that relies on optical scattering and reduced refractive index contrast between the air and semiconductor and (ii) silicon dioxide (SiO2) nanosphere arrays that rely on collective optical resonances. Both techniques improve solar cell absorption and ultimately yield high efficiency, low cost devices. For the transparent paper-based ARCs, we have recently shown that they improve solar cell efficiencies for all angles of incident illumination reducing the need for costly tracking of the sun’s position. For a GaAs solar cell, we achieved a 24% improvement in the power conversion efficiency using this simple coating. Because the transparent paper is made from an earth abundant material (wood pulp) using an easy, inexpensive and scalable process, this type of ARC is an excellent candidate for future solar technologies. The coatings based on arrays of dielectric nanospheres also show excellent potential for inexpensive, high efficiency solar cells. The fabrication process is based on a Meyer rod rolling technique, which can be performed at room-temperature and applied to mass production, yielding a scalable and inexpensive manufacturing process. The deposited monolayer of SiO2 nanospheres, having a diameter of 500 nm on a bare Si wafer, leads to a significant increase in light absorption and a higher expected current density based on initial simulations, on the order of 15-20%. With application on a Si solar cell containing a traditional anti-reflection coating (Si3N4 thin-film), an additional increase in the spectral current density is observed, 5% beyond what a typical commercial device would achieve. Due to the coupling between the spheres originated from Whispering Gallery Modes (WGMs) inside each nanosphere, the incident light is strongly coupled into the high-index absorbing material, leading to increased light absorption. Furthermore, the SiO2 nanospheres scatter and diffract light in such a way that both the optical and electrical properties of the device have little dependence on incident angle, eliminating the need for solar tracking. Because the layer can be made with an easy, inexpensive, and scalable process, this anti-reflection coating is also an excellent candidate for replacing conventional technologies relying on complicated and expensive processes.

Contactless Spectral-Dependent Measurement of Bulk Lifetime and Surface Recombination Velocity in Silicon Photovoltaic Materials

Charge carrier lifetime measurements in bulk or unfinished photovoltaic (PV) materials allow for a more accurate estimate of power conversion efficiency in completed solar cells. In this work, carrier lifetimes in PV- grade silicon wafers are obtained by way of quasi-steady state photoconductance measurements. These measurements use a contactless RF system coupled with varying narrow spectrum input LEDs, ranging in wavelength from 460 nm to 1030 nm. Spectral dependent lifetime measurements allow for determination of bulk and surface properties of the material, including the intrinsic bulk lifetime and the surface recombination velocity. The effective lifetimes are fit to an analytical physics-based model to determine the desired parameters. Passivated and non-passivated samples are both studied and are shown to have good agreement with the theoretical model.

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.

Thin films of Cu, In and Sb chalcogenides as photovoltaic absorbers

Many different photovoltaic technologies are being developed for large-scale solar energy conversion such as crystalline silicon solar cells, thin film solar cells based on a-Si:H, CIGS and CdTe. As the demand for photovoltaics rapidly increases, there is a pressing need for the identification of new visible light absorbing materials for thin-film solar cells. Nowadays there are a wide range of earth-abundant absorber materials that have been studied around the world by different research groups. The current thin film photovoltaic market is dominated by technologies based on the use of CdTe and CIGS, these solar cells have been made with laboratory efficiencies up to 19.6% and 20.8% respectively. However, the scarcity and high cost of In, Ga and Te can limit in the long-term the production in large scale of photovoltaic devices. On the other hand, quaternary CZTSSe which contain abundant and inexpensive elements like Cu, Zn, Sn, S and Se has been a potential candidate for PV technology having solar cell efficiency up to 12.6%, however, there are still some challenges that must be accomplished for this material. Therefore, it is evident the need to find the alternative inexpensive and earth abundant materials for thin film solar cells. One of these alternatives is copper antimony sulfide(CuSbS2) which contains abundant and non-toxic elements which has a direct optical band gap of 1.5 eV, the optimum value for an absorber material in solar cells, suggesting this material as one among the new photovoltaic materials. This thesis work focuses on the preparation and characterization of In6Se7, CuSbS2 and CuSb(S1-xSex)2 thin films for their application as absorber material in photovoltaic structures using two stage process by the combination of chemical bath deposition and thermal evaporation.

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.

Graphene and Semicondutor or Metallic Nanoparticles for Energy Conversion

The purpose of the present PhD thesis is to investigate the properties of innovative nano- materials with respect to the conversion of renewable energies to electrical and chemical energy. The materials have been synthesized and characterized by means of a wide spectrum of morphological, compositional and photophysical techniques, in order to get an insight into the correlation between the properties of each material and the activity towards different energy conversion applications. Two main topics are addressed: in the first part of the thesis the light harvesting in pyrene functionalized silicon nanocrystals has been discussed, suggesting an original approach to suc- cessfully increase the absorption properties of these nanocrystals. The interaction of these nanocrystals was then studied, in order to give a deeper insight on the charge and energy extraction, preparing the way to implement SiNCs as active material in optoelectronic devices and photovoltaic cells. In addition to this, the luminescence of SiNCs has been exploited to increase the efficiency of conventional photovoltaic cells by means of two innovative architectures. Specifically, SiNCs has been used as luminescent downshifting layer in dye sensitized solar cells, and they were shown to be very promising light emitters in luminescent solar concentrators. The second part of the thesis was concerned on the production of hydrogen by platinum nanoparticles coupled to either electro-active or photo-active materials. Within this context, the electrocatalytic activity of platinum nanoparticles supported on exfoliated graphene has been studied, preparing an high-efficiency catalyst and disclosing the role of the exfoliation technique towards the catalytic activity. Furthermore, platinum nanoparticles have been synthesized within photoactive dendrimers, providing the first proof of concept of a dendrimer-based photocatalytic system for the hydrogen production where both sensitizer and catalyst are anchored to a single scaffold.

Designing intrinsically photostable low band gap polymers:a smart tool combining EPR spectroscopy and DFT calculations

A rapid and efficient method to identify the weak points of the complex chemical structure of low band gap (LBG) polymers, designed for efficient solar cells, when submitted to light exposure is reported. This tool combines Electron Paramagnetic Resonance (EPR) using the 'spin trapping method' coupled with density functional theory modelling (DFT). First, the nature of the short life-time radicals formed during the early-stages of photo-degradation processes are determined by a spin-trapping technique. Two kinds of short life-time radical (R and R′O) are formed after 'short-duration' illumination in an inert atmosphere and in ambient air, respectively. Second, simulation allows the identification of the chemical structures of these radicals revealing the most probable photochemical process, namely homolytical scission between the Si atom of the conjugated skeleton and its pendent side-chains. Finally, DFT calculations confirm the homolytical cleavage observed by EPR, as well as the presence of a group that is highly susceptible to photooxidative attack. Therefore, the synergetic coupling of a spin trapping method with DFT calculations is shown to be a rapid and efficient method for providing unprecedented information on photochemical mechanisms. This approach will allow the design of LBG polymers without the need to trial the material within actual solar cell devices, an often long and costly screening procedure.

Isolating the photovoltaic junction: atomic layer deposited TiO2-RuO2 alloy Schottky contacts for silicon photoanodes

We synthesized nanoscale TiO2-RuO2 alloys by atomic layer deposition (ALD) that possess a high work function and are highly conductive. As such, they function as good Schottky contacts to extract photogenerated holes from n-type silicon while simultaneously interfacing with water oxidation catalysts. The ratio of TiO2 to RuO2 can be precisely controlled by the number of ALD cycles for each precursor. Increasing the composition above 16% Ru sets the electronic conductivity and the metal work function. No significant Ohmic loss for hole transport is measured as film thickness increases from 3 to 45 nm for alloy compositions >= 16% Ru. Silicon photoanodes with a 2 nm SiO2 layer that are coated by these alloy Schottky contacts having compositions in the range of 13-46% Ru exhibit average photovoltages of 525 mV, with a maximum photovoltage of 570 mV achieved. Depositing TiO2-RuO2 alloys on nSi sets a high effective work function for the Schottky junction with the semiconductor substrate, thus generating a large photovoltage that is isolated from the properties of an overlying oxygen evolution catalyst or protection layer.

Design principles for maximizing photovoltage in metal-oxide-protected water-splitting photoanodes

Metal oxide protection layers for photoanodes may enable the development of large-scale solar fuel and solar chemical synthesis, but the poor photovoltages often reported so far will severely limit their performance. Here we report a novel observation of photovoltage loss associated with a charge extraction barrier imposed by the protection layer, and, by eliminating it, achieve photovoltages as high as 630mV, the maximum reported so far for water-splitting silicon photoanodes. The loss mechanism is systematically probed in metal-insulator-semiconductor Schottky junction cells compared to buried junction p(+) n cells, revealing the need to maintain a characteristic hole density at the semiconductor/insulator interface. A leaky-capacitor model related to the dielectric properties of the protective oxide explains this loss, achieving excellent agreement with the data. From these findings, we formulate design principles for simultaneous optimization of built-in field, interface quality, and hole extraction to maximize the photovoltage of oxide-protected water-splitting anodes.

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.

Synthesis of novel organic semiconductors for optoelectronic devices

This thesis describes the synthesis and characterisation of novel conjugated organic materials with optoelectronic application. The first chapter provides an introduction about organic semiconductors and in particular about their working principle from a physical and chemical point of view. An overview of the most common types of solar cells is provided, including examples of some of the best performing materials. The second chapter describes the synthesis of a new library of flavin derivatives as potential active materials for optoelectronic applications. Flavins are natural redox-active molecules, which show potential application in optoelectronics, thanks to their stability and versatility. FPF-Flavins, for instance, could be used either as acceptor units in push-pull polyconjugated systems or as acceptor unit in dyes for DSSCs. In the same chapter a first attempt of synthesising bis-flavins to be used as N-type semiconductors in BHJ devices is described. The third chapter describes the successful synthesis and characterization of a series of conjugated organic molecules based on the benzothiadiazole moiety. Among these, three molecules containing ferrocene as donor unit were tested as sensitizers for DSSCs, reporting a PCE of 0.3% as the best result. Further studies indicated a significant problem of charge recombination which limits the performance. A near-infrared absorbing push-pull polymer, based on BbT as acceptor unit, was also synthesised and tested in BHJ devices as P-type semiconductor in blend with PC71BM, showing a VOC of 0.71 V. Finally, the last chapter describes the synthesis of several tetrathiafulvalene derivatives in order to explore this moiety as donor unit in dyes for DSSCs and as HTM for perovskite-based solar cells. In particular, two very simple dyes were synthesised and implemented in DSSCs reporting a PCE 0.2% and 0.4%, respectively. The low efficiency was associated to the tendency to aggregate at the solid state, with the absorption shifting from the visible to the infrared range. A conjugated molecule, containing a DPP core, was also synthesised and tested as HTM for perovskite solar cells. The best reported PCE of 7.7% was obtained without any additives. A case study about dehalogenation and “halogen dance” in TTF iodide is also presented.