Nanotubes de carbone dans le photovoltaïque – HiSoUR Art Culture Histoire

Les dispositifs photovoltaïques organiques (OPV) sont fabriqués à partir de films minces de semi-conducteurs organiques, tels que les polymères et les composés à petites molécules, et ont généralement une épaisseur de l’ordre de 100 nm. Comme les OPV à base de polymères peuvent être fabriqués en utilisant un procédé de revêtement tel que le revêtement par centrifugation ou l’impression à jet d’encre, ils constituent une option attrayante pour couvrir à moindre coût de grandes surfaces ainsi que des surfaces plastiques flexibles. Une alternative prometteuse à faible coût aux cellules solaires conventionnelles à base de silicium cristallin, une grande partie de la recherche est consacrée dans l’industrie et les universités au développement des VPO et à l’augmentation de leur efficacité de conversion de puissance.

Nanotubes de carbone à paroi simple comme milieu de récolte de la lumière
Les nanotubes de carbone à paroi simple possèdent une large gamme de bandes interdites directes correspondant au spectre solaire, une photoabsorption forte, de l’infrarouge à l’ultraviolet, une grande mobilité des porteurs et une diffusion réduite du transport des porteurs. L’effet photovoltaïque peut être obtenu dans des diodes idéales à nanotube de carbone (SWNT). Les SWNT individuels peuvent former des diodes à jonction pn idéales. Un comportement idéal est la limite théorique de performance pour toute diode, un objectif très recherché dans tous les développements de matériaux électroniques. Sous illumination, les diodes SWNT présentent des rendements de conversion de puissance significatifs grâce aux propriétés améliorées d’une diode idéale.

Récemment, les SWNT ont été directement configurés comme matériaux de conversion d’énergie pour fabriquer des cellules solaires à couches minces, les nanotubes servant à la fois de sites de photogénération et de couche de collecte / transport de porteurs de charge. Les cellules solaires sont constituées d’un film mince semi-transparent de nanotubes enrobés de manière conforme sur un substrat de silicium cristallin de type n pour créer des hétérojonctions pn haute densité entre nanotubes et n-Si afin de favoriser la séparation des charges et d’extraire les électrons (via n-Si) et les trous ( à travers des nanotubes). Les premiers tests ont montré un rendement de conversion de puissance supérieur à 1%, ce qui prouve que les NTC sur Si sont une configuration potentiellement appropriée pour la fabrication de cellules solaires. Pour la première fois, Zhongrui Li a démontré que le traitement de SWNT par SOCl2 augmente de plus de 60% le rendement de conversion de puissance des cellules solaires à hétérojonction SWNT / n-Si. Plus tard, l’approche du dopage acide est largement adoptée dans les travaux publiés ultérieurement par CNT / Si. Une efficacité encore supérieure peut être obtenue si le liquide acide est conservé dans l’espace vide du réseau de nanotubes. L’infiltration acide des réseaux de nanotubes augmente significativement l’efficacité des cellules à 13,8%, comme rapporté par Yi Jia, en réduisant la résistance interne qui améliore le facteur de remplissage et en formant des unités photoélectrochimiques améliorant la séparation des charges et le transport. Les problèmes dus à l’acide humide peuvent être évités en utilisant un film CNT aligné. Dans un film CNT aligné, la distance de transport est raccourcie et le taux d’extinction des excitons est également réduit. En outre, le film de nanotubes aligné présente un espace vide beaucoup plus petit et un meilleur contact avec le substrat. Ainsi, en plus du dopage acide fort, l’utilisation d’un film de nanotubes de carbone à paroi unique alignée peut améliorer l’efficacité de la conversion de puissance (Yeonwoong Jung a atteint un rendement record de 11%).

Zhongrui Li a également fabriqué le premier dispositif photovoltaïque n-SWNT / p-Si en accordant des SWNT de type p à n-type grâce à la fonctionnalisation de polyéthylène-imine.

Composites de nanotubes de carbone dans la couche photoactive
La combinaison des caractéristiques physiques et chimiques des polymères conjugués avec la conductivité élevée le long de l’axe des nanotubes de carbone (NTC) incite fortement à disperser les NTC dans la couche photoactive afin d’obtenir des dispositifs OPV plus efficaces. L’hétérojonction entre donneur et accepteur en vrac qui s’interpénètrent dans ces dispositifs peut permettre la séparation des charges et la collecte en raison de l’existence d’un réseau bicontinu. Le long de ce réseau, les électrons et les trous peuvent se déplacer vers leurs contacts respectifs via l’accepteur d’électrons et le donneur de trous de polymère. Il est proposé que l’amélioration de l’efficacité photovoltaïque soit due à l’introduction de jonctions internes polymère / nanotube dans la matrice polymère. Le champ électrique élevé à ces jonctions peut diviser les excitons, tandis que le nanotube de carbone à paroi simple (SWCNT) peut servir de voie pour les électrons.

La dispersion des NTC dans une solution d’un polymère conjugué donneur d’électrons est peut-être la stratégie la plus courante pour mettre en œuvre des matériaux CNT dans les VPO. Généralement, le poly (3-hexylthiophène) (P3HT) ou le poly (3-octylthiophène) (P3OT) sont utilisés à cette fin. Ces mélanges sont ensuite appliqués par centrifugation sur une électrode conductrice transparente avec des épaisseurs variant de 60 à 120 nm. Ces électrodes conductrices sont généralement recouvertes de verre d’oxyde d’indium et d’étain (ITO) et d’une sous-couche à 40 nm de poly (3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) et de poly (styrènesulfonate) (PSS). PEDOT et PSS aident à lisser la surface ITO, en réduisant la densité des trous d’épingle et en étouffant les fuites de courant qui se produisent le long des chemins de manœuvre. Par évaporation thermique ou revêtement par pulvérisation, une couche d’aluminium de 20 à 70 nm d’épaisseur et parfois une couche intermédiaire de fluorure de lithium sont ensuite appliquées sur le matériau photoactif. De nombreuses recherches sur les nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) et les nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT) intégrés dans le matériau photoactif ont été achevées.

Des améliorations de plus de deux ordres de grandeur ont été observées dans le photocourant, à partir de l’ajout de SWCNT à la matrice P3OT. Des améliorations ont été supposées être dues à la séparation des charges aux connexions polymère-SWCNT et au transport plus efficace des électrons à travers les SWCNT. Cependant, un rendement de conversion de puissance plutôt faible de 0,04% sous une illumination blanche de 100 mW / cm2 a été observé pour le dispositif suggérant une dissociation incomplète de l’exciton à de faibles concentrations de NTC de 1,0% en poids. Étant donné que les longueurs des SWCNT étaient similaires à celles des films photovoltaïques, on pensait que le dopage d’un pourcentage plus élevé de SWCNT dans la matrice polymère provoquait des courts-circuits. Pour fournir des sites de dissociation supplémentaires, d’autres chercheurs ont physiquement mélangé des MWCNT fonctionnalisés dans le polymère P3HT pour créer un P3HT-MWCNT avec un dispositif à double couche fullerène C60. Cependant, le rendement énergétique était encore relativement faible à 0,01% sous un éclairage blanc de 100 mW / cm2. Une faible diffusion des excitons vers l’interface donneur – accepteur dans la structure de la bicouche peut avoir été la cause en plus de la couche de fullerène C60 pouvant présenter un mauvais transport des électrons.

Plus récemment, un dispositif photovoltaïque polymère à base de SWCNT et de P3HT modifiés au C60 a été fabriqué. La micro-irradiation d’un mélange de solution aqueuse de SWCNT et de solution de C60 dans du toluène était la première étape dans la fabrication de ces composites polymère-SWCNT. Le polymère conjugué P3HT a ensuite été ajouté, résultant en un rendement de conversion de puissance de 0,57% sous irradiation solaire simulée (95 mW / cm2). Il a été conclu que l’amélioration de la densité de courant de court-circuit était le résultat direct de l’ajout de SWCNT dans le composite, ce qui entraînait un transport plus rapide des électrons via le réseau de SWCNT. Il a également été conclu que le changement de morphologie conduisait à un facteur de remplissage amélioré. Dans l’ensemble, le résultat principal a été une amélioration de l’efficacité de la conversion de puissance avec l’ajout de SWCNT, par rapport aux cellules sans SWCNT; cependant, une optimisation supplémentaire a été jugée possible.

De plus, il a été trouvé que le chauffage jusqu’au point au-delà de la température de transition vitreuse du P3HT ou du P3OT après la construction peut être bénéfique pour manipuler la séparation de phases du mélange. Ce chauffage affecte également le classement des chaînes polymères car les polymères sont des systèmes microcristallins et améliorent le transfert de charge, le transport de charge et la collecte de charges dans le dispositif OPV. La mobilité des trous et l’efficacité énergétique du dispositif polymère-CNT ont également augmenté de manière significative grâce à cette commande.

L’émission de bromure de tétraoctylammonium dans le tétrahydrofurane, qui constitue une autre approche valable pour les dépôts, a également fait l’objet d’études pour aider à la suspension en exposant les SWCNT à un champ électrophorétique. En fait, des efficacités de photoconversion de 1,5% et 1,3% ont été obtenues lorsque des SWCNT ont été déposés en combinaison avec des points quantiques de sulfure de cadmium (CdS) et des porphyrines de récolte de lumière, respectivement.

Parmi les meilleures conversions de puissance réalisées à ce jour en utilisant des NTC, on a déposé une couche SWCNT entre l’ITO et le PEDOT: PSS ou entre le PEDOT: PSS et le mélange photoactif dans un ITO / PEDOT modifié: PSS / P3HT: ) -phényl-C61-ester méthylique d’acide butyrique (PCBM) / Al. Par trempage à partir d’une suspension hydrophile, des SWCNT ont été déposés après une exposition initiale de la surface à un plasma d’argon pour atteindre un rendement de conversion de puissance de 4,9%, contre 4% sans NTC.

Cependant, même si les NTC ont montré un potentiel dans la couche photoactive, elles n’ont pas abouti à une cellule solaire ayant un rendement de conversion de puissance supérieur aux meilleures cellules organiques en tandem (efficacité de 6,5%). Mais, il a été démontré dans la plupart des études précédentes que le contrôle d’un mélange uniforme du polymère conjugué donneur d’électrons et du CNT acceptant les électrons est l’un des aspects les plus difficiles et les plus cruciaux de la Appareils OPV. Par conséquent, l’utilisation des NTC dans la couche photoactive des dispositifs de VPO en est encore aux premiers stades de la recherche et de nouvelles méthodes peuvent encore être utilisées pour mieux tirer parti des propriétés bénéfiques des NTC.

Un problème avec l’utilisation des SWCNT pour la couche photoactive des dispositifs PV est la pureté mixte lors de la synthèse (environ 1/3 métallique et 2/3 semi-conducteur). Les SWCNT métalliques (m-SWCNT) peuvent provoquer la recombinaison des excitons entre les paires d’électrons et de trous, et la jonction entre les SWCNT métalliques et semi-conducteurs (s-SWCNT) forme des barrières de Schottky qui réduisent la probabilité de transmission de trous. L’écart dans la structure électronique des NTC synthétisés nécessite un tri électronique pour séparer et supprimer les m-SWCNT afin d’optimiser les performances des semi-conducteurs. Ceci peut être accompli par le tri et le tri électronique des NTC par un processus d’ultracentrifugation à gradient de densité (DGU), impliquant un gradient d’agents tensioactifs pouvant séparer les NTC par diamètre, par chiralité et par type électronique. Cette méthode de tri permet la séparation des m-SWCNT et la collecte précise de multiples chiralité des s-SWCNT, chaque chiralité pouvant absorber une longueur d’onde unique de la lumière. Les multiples chiralité des s-SWCNT sont utilisées comme matériau de transport des trous avec le composant fullerène PC71BM pour fabriquer des hétérojonctions pour la couche PV active. Les s-SWCNT polychiraux permettent une absorption optique à grande distance de la lumière visible à proche infrarouge (NIR), augmentant ainsi le courant photoélectrique par rapport à l’utilisation de nanotubes à chiralité unique. Pour maximiser l’absorption de la lumière, la structure inversée du dispositif a été utilisée avec une couche de nanofils en oxyde de zinc pénétrant dans la couche active pour minimiser la longueur de la collection. L’oxyde de molybdène (MoOx) a été utilisé comme couche de transport de trous à haute capacité de travail pour maximiser la tension.

Les cellules fabriquées avec cette architecture ont atteint des rendements de conversion de puissance record de 3,1%, plus élevés que tous les autres matériaux de cellules solaires utilisant des NTC dans la couche active. Cette conception présente également une stabilité exceptionnelle, le PCE restant à environ 90% sur une période de 30 jours. La stabilité chimique exceptionnelle des nanomatériaux de carbone permet une excellente stabilité de l’environnement par rapport à la plupart des systèmes photovoltaïques organiques qui doivent être encapsulés pour réduire la dégradation.

Les cellules solaires à nanotubes polychiraux et à fullerènes sont encore loin d’être les meilleures parmi les cellules solaires à hétérojonction à polymère-fullerène qui ont des PCE d’environ 10%. Néanmoins, ces résultats repoussent les limites réalisables de la technologie CNT dans les cellules solaires. La capacité d’absorption des nanotubes polychiraux dans le régime NIR est une technologie qui peut être utilisée pour améliorer l’efficacité des futures cellules solaires en tandem à jonctions multiples tout en augmentant la durée de vie et la durabilité des futures cellules solaires non cristallines.

Nanotubes de carbone en tant qu’électrode transparente
ITO est actuellement le matériau le plus utilisé pour les électrodes transparentes dans les dispositifs OPV; Cependant, il présente un certain nombre de lacunes. D’une part, il n’est pas très compatible avec les substrats polymères en raison de sa température de dépôt élevée d’environ 600 ° C. Les ITO traditionnels présentent également des propriétés mécaniques défavorables, telles que leur fragilité. De plus, la combinaison d’un dépôt de couche coûteux dans le vide et d’une alimentation en indium limitée conduit à des électrodes transparentes ITO de haute qualité très coûteuses. Par conséquent, le développement et la commercialisation d’un produit de remplacement pour l’ITO constituent un axe majeur de la recherche et du développement du VPO.

Les revêtements CNT conducteurs sont récemment devenus un substitut potentiel basé sur un large éventail de méthodes, y compris la pulvérisation, le revêtement par centrifugation, la coulée, le dépôt couche par couche et le dépôt de Langmuir – Blodgett. Le transfert d’une membrane filtrante au support transparent à l’aide d’un solvant ou sous la forme d’un film adhésif est un autre procédé permettant d’obtenir des films CNT souples et optiquement transparents. D’autres travaux de recherche ont montré que les films en CNT à décharge d’arc peuvent entraîner une conductivité et une transparence élevées. De plus, la fonction de travail des réseaux SWCNT se situe entre 4,8 et 4,9 eV (par rapport à ITO dont la fonction de travail est inférieure à 4,7 eV), ce qui suppose que la fonction de travail SWCNT doit être suffisamment élevée pour assurer une collecte efficace des trous. Un autre avantage est que les films SWCNT présentent une transparence optique élevée dans une large gamme spectrale allant des rayons UV-visibles dans le proche infrarouge. Seuls quelques matériaux conservent une transparence raisonnable dans le spectre infrarouge tout en maintenant la transparence dans la partie visible du spectre, ainsi que la conductivité électrique globale acceptable. Les films SWCNT sont très flexibles, ne glissent pas, ne se fissurent pas après flexion, ont théoriquement des conductivités thermiques élevées pour tolérer la dissipation de chaleur et ont une résistance élevée aux rayonnements. Cependant, la résistance de la feuille électrique de l’ITO est d’un ordre de grandeur inférieur à la résistance de la feuille mesurée pour les films SWCNT. Néanmoins, les premières études montrent que les films minces SWCNT peuvent être utilisés comme électrodes conductrices transparentes pour la collecte de trous dans les dispositifs OPV avec des rendements compris entre 1% et 2,5%, confirmant qu’ils sont comparables aux dispositifs fabriqués en ITO. Ainsi, il existe des possibilités de faire avancer cette recherche pour développer des électrodes transparentes à base de CNT qui surpassent les performances des matériaux ITO traditionnels.

CNT dans les cellules solaires sensibilisées par colorant
En raison du processus de fabrication simple, du faible coût de production et de la haute efficacité, les cellules solaires à colorant (DSSC) suscitent un intérêt considérable. Ainsi, l’amélioration de l’efficacité de la DSSC a fait l’objet de nombreuses recherches car elle pourrait être fabriquée de manière suffisamment économique pour concurrencer d’autres technologies de cellules solaires. Les nanoparticules de dioxyde de titane ont été largement utilisées comme électrode de travail pour les DSSC, car elles offrent un haut rendement, plus que tout autre semi-conducteur à oxyde métallique étudié. Pourtant, le rendement de conversion le plus élevé sous irradiation de masse d’air (AM) 1,5 (100 mW / cm2) signalé pour ce dispositif à ce jour est d’environ 11%. Malgré ce succès initial, l’effort d’amélioration de l’efficacité n’a produit aucun résultat majeur. Le transport des électrons à travers le réseau de particules a été un problème clé pour obtenir une efficacité de photoconversion plus élevée dans les électrodes nanostructurées. Étant donné que les électrons rencontrent de nombreuses limites de grains pendant le transit et connaissent un cheminement aléatoire, la probabilité de leur recombinaison avec le sensibilisateur oxydé augmente. Par conséquent, il n’est pas approprié d’élargir la surface de l’électrode en oxyde pour augmenter l’efficacité, car la recombinaison de charge photo-générée doit être évitée. La promotion du transfert d’électrons à travers les électrodes de film et les états d’interface de blocage situés en dessous du bord de la bande de conduction sont quelques-unes des stratégies non basées sur le CNT pour améliorer l’efficacité qui ont été utilisées.

Avec les progrès récents dans le développement et la fabrication de NTC, il est promis d’utiliser divers nanocomposites et nanostructures à base de CNT pour diriger le flux d’électrons photogénérés et faciliter l’injection et l’extraction de la charge. Pour faciliter le transport des électrons vers la surface de l’électrode collectrice dans un DSSC, un concept populaire consiste à utiliser les réseaux CNT comme support pour ancrer les particules semi-conductrices récoltant la lumière. Les efforts de recherche dans ce sens incluent l’organisation de points quantiques CdS sur les SWCNT. L’injection de charge du CdS excité dans les SWCNT a été documentée lors de l’excitation de nanoparticules de CdS. D’autres variétés de particules semi-conductrices, notamment CdSe et CdTe, peuvent induire des processus de transfert de charge sous irradiation à la lumière visible lorsqu’elles sont attachées à des NTC. En incluant la porphyrine et le fullerène C60, il a été démontré que l’organisation du polymère donneur photoactif et du fullerène accepteur sur les surfaces des électrodes améliorait considérablement l’efficacité de photoconversion des cellules solaires. Par conséquent, il existe une possibilité de faciliter le transport des électrons et d’augmenter l’efficacité de photoconversion des DSSC en utilisant la capacité d’acceptation des électrons des SWCNT semi-conducteurs.

D’autres chercheurs ont fabriqué des DSSC en utilisant la méthode sol-gel pour obtenir des MWCNT revêtus de dioxyde de titane à utiliser comme électrode. Comme les MWCNT immaculés ont une surface hydrophobe et une faible stabilité de la dispersion, un prétraitement était nécessaire pour cette application. Méthode de destruction relativement faible des impuretés, un traitement par H2O2 a été utilisé pour générer des groupes acides carboxyliques par oxydation des MWCNT. Un autre aspect positif était le fait que les gaz de réaction, y compris le CO2 et H2O, étaient non toxiques et pouvaient être libérés en toute sécurité pendant le processus d’oxydation. À la suite du traitement, les MWCNT exposés à H2O2 ont une surface hydrophile et les groupes acide carboxylique à la surface présentent une liaison covalente polaire. De plus, la surface chargée négativement des MWCNT améliore la stabilité de la dispersion. En entourant ensuite complètement les MWCNT avec des nanoparticules de dioxyde de titane en utilisant la méthode sol-gel, une augmentation du rendement de conversion d’environ 50% par rapport à une cellule de dioxyde de titane conventionnelle a été obtenue. On a conclu que l’interconnectivité accrue entre les particules de dioxyde de titane et les MWCNT dans le film de dioxyde de titane poreux était la cause de l’amélioration de la densité de courant de court-circuit. Ici encore, on pensait que l’ajout de MWCNT permettait un transfert d’électrons plus efficace à travers le film dans le DSSC.