Morphology Change of C60 Islands on Organic Crystals Observed by Atomic Force Microscopy

Organic-organic heterojunctions are nowadays highly regarded materials for light-emitting diodes, field-effect transistors, and photovoltaic cells with the prospect of designing low-cost, flexible, and efficient electronic devices.1-3 However, the key parameter of optimized heterojunctions relies on the choice of the molecular compounds as well as on the morphology of the organic-organic interface,4 which thus requires fundamental studies. In this work, we investigated the deposition of C60 molecules at room temperature on an organic layer compound, the salt bis(benzylammonium)bis(oxalato)cupurate(II), by means of noncontact atomic force microscopy. Three-dimensional molecular islands of C60 having either triangular or hexagonal shapes are formed on the substrate following a "Volmer-Weber" type of growth. We demonstrate the dynamical reshaping of those C60 nanostructures under the local action of the AFM tip at room temperature. The dissipated energy is about 75 meV and can be interpreted as the activation energy required for this migration process.

Sequential purification and crystal growth for the production of low cost silicon substrates : quarterly technical progress report no. 1, September 15-December 31, 1979 /

"February 1980."

Sequential purification and crystal growth for the production of low cost silicon substrates : annual report, September 15, 1979-September 14, 1980 /

"Work Performed Under Contract No. AC02-77CH00178."

Sequential purification and crystal growth for the production of low cost silicon substrates : quarterly technical progress report no. 3, April 1-June 30, 1980 /

"August 1980."

Photoelectronic properties of zinc phosphide crystals, films and heterojunctions : quarterly progress report no. 6 for the period July 1 - September 30, 1980 /

The purpose of this research program is to investigate the photoelectronic properties of zinc phosphide (Zn₃P₂ in single crystal form, in thin-film form, and in heterojunctions in which Zn₃P₂ forms one of the elements. This research will be directed toward understanding the role of crystalline defects and impurities in Zn₃P₂, the nature of the electronic charge transport in single crystal and thin-film material, and the properties of photovoltaic heterojunctions involving Zn₃P₂. The scope of the program extends from basic investigations of materials properties on single crystals to the preparation and characterization of all-thin-film heterojunction divices. One of the principal motivations behind this research program is the realization that Zn₃P₂ is a relatively uninvestigated yet ideal component for photovoltaic heterojunction use in solar energy conversion. The proposed program will concentrate on the basic materials problems involved with Zn₃P₂, providing the kind of information needed for other more developmental programs directed toward actual practical cells.

Low-cost sprayed CdTe solar-cell research : third quarterly progress report for period February 15 - May 14, 1980 /

"Work Performed Under Contract No. AC02-77CH00178."

Prospecção tecnológica de células fotovoltaicas para energia solar

Solar energy presents itself as an excellent alternative for the generation of clean, renewable energy. This work aims to identify technological trends of photovoltaic cells for solar energy. The research is characterized, in relation to nature, to be applied; regarding the approach is qualitative and quantitative; with respect to the objectives, it is exploratory and descriptive; concerning the methodological procedure is considered a bibliographic research with a case study in the case of solar photovoltaic sector. The development of this research began with a literature review on photovoltaic solar energy and technology foresight. Then it led to the technology mapping of photovoltaic solar cells through the analysis of articles and patents. It was later performed the technological prospecting of photovoltaic cells for solar energy through the Delphi method, as well as the construction of the current plan and future technology of photovoltaic cells for the current scenario, 2020 and 2025. The results of this research show that the considered mature technologies (silicon mono and multicrystalline) will continue to be commercially viable within the prospected period (2020-2025). Other technologies that are currently viable (amorphous silicon, cadmium telluride and copper indium selenide / Copper indium gallium diselenide-), may not submit the same condition in 2025. Since the cells of silicon nanowires, dye-sensitized and based on carbon nanostructure, which nowadays are not commercially viable, may be part of the future map of photovoltaic technologies for solar energy.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Développement de la polymérisation par (hétéro)arylation directe pour l’électronique organique

L’électronique organique suscite un intérêt grandissant en recherche grâce aux nouvelles possibilités qu’elle offre pour faciliter l’intégration de dispositifs électroniques dans nos vies. Grâce à elle, il est possible d’envisager des produits légers, flexibles et peu coûteux à produire. Les classes majeures de dispositifs étudiées sont les cellules photovoltaïques organiques (CPO) et les transistors organiques à effet de champ (TOEC). Dans les dernières années, une attention particulière a été portée sur les méthodes de polymérisation des matériaux organiques entrant dans la fabrication de ces dispositifs. La polymérisation par (hétéro)arylation directe (PHAD) catalysée au Pd offre une synthèse sans dérivé organométallique utilisant simplement un lien C-H aromatique, ce qui facilite la purification, diminue le nombre d’étapes et rend possible la production de matériaux à plus faible coût. De plus, la PHAD permet la préparation de matériaux qui était difficile, voire impossible, à obtenir auparavant. Cependant, l’inconvénient majeur de la PHAD reste sa limitation à certaines classes de polymères possédant des monomères ayant des positions bloquées favorisant qu’une seule paire de liaisons C-H. Dans le cadre de ces travaux de doctorat, l’objectif général est d’étudier la polymérisation par PHAD afin d’accéder à des classes de monomères qui n’étaient pas envisageables auparavant et à étendre l’application de cet outil dans le domaine des polymères conjugués. Plus spécifiquement, nous avons étudié l’utilisation de groupements protecteurs et partants sur des unités de benzodithiophènes et de bithiophène-silylés. Suivant ces résultats, nos travaux ont porté sur la polymérisation de dérivés de bithiophènes avec des bromo(aryle)s, une classe de polymères fréquemment utilisée en électronique organique mais qui était jugée impossible à polymériser par PHAD auparavant. Cette étude a montré l’importance de contrôler la PHAD afin d’obtenir le polymère souhaité. Finalement, nous avons étudié l’effet du système catalytique sur le taux de β−ramifications lors de la synthèse de polymères à base de thiophènes. Dans cette dernière étude, nous avons démontré l’importance d’utiliser des outils de caractérisation adéquats afin de confirmer la qualité des polymères obtenus.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Room temperature photo-response of titanium supersaturated silicon at energies over the bandgap

Silicon samples were implanted with high Ti doses and subsequently processed with the pulsed-laser melting technique. The electronic transport properties in the 15–300 K range and the room temperature spectral photoresponse at energies over the bandgap were measured. Samples with Ti concentration below the insulator-metal (I-M) transition limit showed a progressive reduction of the carrier lifetime in the implanted layer as Ti dose is increased. However, when the Ti concentration exceeded this limit, an extraordinary recovery of the photoresponse was measured. This result supports the theory of intermediate band materials and is of utmost relevance for photovoltaic cells and Si-based detectors.

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.

A Generalized hierarchical transactive energy management framework for residential microgrids

This work develops a transactive energy management system in order to automate the operation and efficiently utilize the energy generated from the solar PV unit and BESS in a single house as well as in the microgrid and provides cost-benefit analysis.

Different Parameters Variation Analysis of a PV Cell

The paper states an introduction, description and implementation of a PV cell under the variation of parameters. Analysis and observation of a different parameters variation of a PV cell are discussed here. To obtain the model for the purpose of analyzing an equivalent circuit with the consisting parameters a photo current source, a series resistor, a shunt resistor and a diode is used. The fundamental equation of PV cell is used to study the model and to analyze and best fit observation data. The model can be used in measuring and understanding the behaviour of photovoltaic cells for certain changes in PV cell parameters. A numerical method is used to analyze the parameters sensitivity of the model to achieve the expected result and to understand the deviation of changes in different parameters situation at various conditions respectively. The ideal parameters are used to study the models behaviour. It is also compared the behaviour of current-voltage and power-voltage by comparing with produced maximum power point though it is a challenge to optimize the output with real time simulation. The whole working process is also discussed and an experimental work is also done to get the closure and insight about the produced model and to decide upon the validity of the discussed model.

Improved photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells with modified self-assembling highly ordered mesoporous TiO 2 photoanodes

Strategies for improving the photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells (DSSCs) are proposed by modifying highly transparent and highly ordered multilayer mesoporous TiO 2 photoanodes through nitrogen-doping and top-coating with a light-scattering layer. The mesoporous TiO 2 photoanodes were fabricated by an evaporation-induced self-assembly method. In regard to the modification methods, the light-scattering layer as a top-coating was proved to be superior to nitrogen-doping in enhancing not only the power conversion efficiency but also the fill factor of DSSCs. The optimized bifunctional photoanode consisted of a 30-layer mesoporous TiO 2 thin film (4.15 μm) and a Degussa P25 light-scattering top-layer (4 μm), which gives rise to a ∼200% higher cell efficiency than for unmodified cells and a fill factor of 0.72. These advantages are attributed to its higher dye adsorption, better light scattering, and faster photon-electron transport. Such a photoanode configuration provides an efficient way to enhance the energy conversion efficiency of DSSCs.