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

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

Fabrication 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.

Processing and characterization of srTiO₃-TiO₂ nanoparticle-nanotube heterostructures on titanium for biomedical applications

Surface properties such as physicochemical characteristics and topographical parameters of biomaterials, essentially determining the interaction between the biological cells and the biomaterial, are important considerations in the design of implant materials. In this study, a layer of SrTiO3-TiO2 nanoparticle-nanotube heterostructures on titanium has been fabricated via anodization combined with a hydrothermal process. Titanium was anodized to create a layer of titania (TiO2) nanotubes (TNTs), which was then decorated with a layer of SrTiO3 nanoparticles via hydrothermal processing. SrTiO3-TiO2 heterostructures with high and low volume fraction of SrTiO3 nanoparticle (denoted by 6.3-Sr/TNTs and 1.4-Sr/TNTs) were achieved by using a hydrothermal processing time of 12 and 3 h, respectively. The in vitro biocompatibility of the SrTiO3-TiO2 heterostructures was assessed by using osteoblast cells (SaOS2). Our results indicated that the SrTiO3-TiO2 heterostructures with different volume fractions of SrTiO3 nanoparticles exhibited different Sr ion release in cell culture media and different surface energies. An appropriate volume fraction of SrTiO3 in the heterostructures stimulated the secretion of cell filopodia, leading to enhanced biocompatibility in terms of cell attachment, anchoring, and proliferation on the heterostructure surface.

The influence of titania-zirconia-zirconium titanate nanotube characteristics on osteoblast cell adhesion

Studies of biomaterial surfaces and their influence on cell behavior provide insights concerning the design of surface physicochemical and topography properties of implant materials. Fabrication of biocompatible metal oxide nanotubes on metallic biomaterials, especially titanium alloys such as Ti50Zr via anodization, alters the surface chemistry as well as surface topography of the alloy. In this study, four groups of TiO2-ZrO2-ZrTiO4 nanotubes that exhibit diverse nanoscale dimensional characteristics (i.e. inner diameter Di, outer diameter Do and wall thicknesses Wt) were fabricated via anodization. The nanotubes were annealed and characterized using scanning electron microscopy and 3-D profilometry. The potential applied during anodization influenced the oxidation rate of titanium and zirconium, thereby resulting in different nanoscale characteristics for the nanotubes. The different oxidation and dissolution rates both led to changes in the surface roughness parameters. The in vitro cell response to the nanotubes with different nanoscale dimensional characteristics was assessed using osteoblast cells (SaOS2). The results of the MTS assay indicated that the nanotubes with inner diameter (Di)≈40nm exhibited the highest percentage of cell adhesion of 41.0%. This result can be compared to (i) 25.9% cell adhesion at Di≈59nm, (ii) 33.1% at Di≈64nm, and (iii) 33.5% at Di≈82nm. The nanotubes with Di≈59nm exhibited the greatest roughness parameter of Sa (mean roughness), leading to the lowest ability to interlock with SaOS2 cells.