Low-temperature electrodeposition approach leading to robust mesoscopic anatase TiO2 films

Anatase TiO2, a wide bandgap semiconductor, likely the most worldwide studied inorganic material for many practical applications, offers unequal characteristics for applications in photocatalysis and sun energy conversion. However, the lack of controllable, cost-effective methods for scalable fabrication of homogeneous thin films of anatase TiO2 at low temperatures (ie. < 100 °C) renders up-to-date deposition processes unsuited to flexible plastic supports or to smart textile fibres, thus limiting these wearable and easy-to-integrate emerging technologies. Here, we present a very versatile template-free method for producing robust mesoporous films of nanocrystalline anatase TiO2 at temperatures of/or below 80 °C. The individual assembly of the mesoscopic particles forming ever-demonstrated high optical quality beads of TiO2 affords, with this simple methodology, efficient light capture and confinement into the photo-anode, which in flexible dye-sensitized solar cell technology translates into a remarkable power conversion efficiency of 7.2% under A.M.1.5G conditions

Addition de photons dans des couches nanoatructurées pour des applications en photovoltaïque

The aim of this work is the study of an up-converter under various forms, for third generation photovoltaic. Yttrium oxide, with its particularly interesting properties for up-conversion (high band gap value and high refractive index, low phonons energy, easy doping) was chosen as matrix up-converter. This material has been studied in different forms: monodisperse spherical particles and thin films. Er3+ and Yb3+, known for their very good properties in up-conversion, were chosen as doping ions. Two ways of synthesis: homogeneous precipitation method and the hydrothermal synthesis, allowed us to obtain particles respecting the predefined morphological constraints. The study of this material in the form of particles allowed us to determine the effects of various physical and chemical parameters on the up-conversion property. Yttrium oxide thin films were obtained by spin-coating. Films study allowed us to demonstrate that the measured luminescence efficiency of films is much weaker than those of the particles; however, the integration of films in resonant structures allowed to a strong enhancement of the luminescence properties of films. Studies on application of up-conversion in the photovoltaic (generation of current in a bifacial c-Si solar-cell by sub-band-gap excitation, temperature effects, up-conversion under solar spectrum excitation) demonstrated the feasibility of the concept and allowed us to conclude that to reach the realization of the up-conversion / photovoltaic concept, optimization of up-converter must be done.L'objectif de ce travail est d'étudier un matériau up-converteur sous différentes formes afin de pourvoir l'appliquer au photovoltaïque (cellules de 3ième génération). L'oxyde d'yttrium possédant des propriétés particulièrement intéressantes pour l'up-conversion (gap et indice de réfraction élevés, faible énergie de phonons, dopage facile) a été choisi comme matériau up-converteur et a permis d'étudier les propriétés d'up-conversion de ce matériau sous formes de particules sphériques monodisperses et sous forme de couches minces. Les ions erbium et ytterbium, étant connus pour leurs très bonnes propriétés en up-conversion, ont été choisis comme dopants. Deux méthodes de synthèses : la synthèse par précipitation homogène et la synthèse par voie hydrothermale, ont permis d'obtenir les particules respectant les contraintes morphologiques prédéfinies. L'étude de ce matériau sous forme de particules a permis de déterminer l'influence des différents paramètres physiques et chimiques sur les propriétés d'up-conversion. Les couches minces d'oxyde d'yttrium ont été obtenues par spin-coating. L'étude de ces couches minces a permis de démontrer que les rendements de luminescence mesurés sur les couches sont beaucoup plus faibles que ceux des particules; cependant, la nanostructuration des couches minces a permis de démontrer une exaltation des propriétés de luminescence grâce à l'interaction des ions émetteurs avec les structures plasmoniques résonantes. Des études réalisées en vue de l'application de l'up-conversion au photovoltaïque (génération de courant dans une cellule bifaciale c-Si par excitation sub-band-gap, mesure en fonction de la température, up-conversion sous excitation solaire) ont démontré la faisabilité du concept et a permis de conclure que la réalisation du concept up-conversion/photovoltaïque doit encore passer par l'optimisation des matériaux up-converteur

Addition de photons dans des couches nanostructurées pour des applications en photovoltaïque

L'objectif de ce travail est d'étudier un matériau up-converteur sous différentes formes capable d'étendre l'utilisation du spectre solaire par les cellules photovoltaïques existantes. Y2O3: Er3+ (Yb3+) a été choisi comme matériau up-converteur et a permis d'étudier les propriétés d'up-conversion de ce matériau sous forme de particules sphériques monodisperses et sous forme de couches minces. Deux méthodes de synthèses : la synthèse par précipitation homogène et la synthèse par voie hydrothermale, ont permis d'obtenir les particules respectant les contraintes morphologiques prédéfinies. L'étude de ce matériau sous forme de particules a permis de déterminer l'influence des différents paramètres physiques et chimiques sur les propriétés d'up-conversion. Les couches minces d'oxyde d'yttrium ont été obtenues par spin-coating. La comparaison des propriétés de ces deux formes de matériaux a permis de démontrer que pour la même puissance d'excitation, les intensités de luminescence mesurées sur les couches sont beaucoup plus faibles que celles des particules; cependant, une étude réalisée sur la nanostructuration de couches minces d'YF3 a permis de démontrer une exaltation des propriétés de luminescence des couches minces, grâce à l'interaction des ions émetteurs avec les structures métalliques résonantes. Des études réalisées en vue de l'application de l'up-conversion au photovoltaïque (génération de courant dans une cellule bifaciale c-Si par excitation sub-bandgap, mesures en fonction de la température, up-conversion sous excitation solaire) ont démontré la faisabilité du concept.PARIS-BIUSJ-Biologie recherche (751052107) / SudocSudocFranceF

Light-Induced Charge Separation in Mixed Electronic/Ionic Semiconductor Driving Lithium-Ion Transfer for Photo-Rechargeable Electrode

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Room-Temperature Synthesis of Iron-Doped Anatase TiO2 for Lithium-Ion Batteries and Photocatalysis

International audienceIron-doped nanocrystalline particles of anatase TiO2 have been successfully synthesized using a complete room-temperature synthetic approach, leading to particles of high surface area (280 m2/g) and a narrowed band gap of 2.3 eV. These particles were introduced for photocatalysis under white light in standard conditions (AM1. 5G) and in lithium-ion batteries to reveal in these two aspects the pros and cons of the doping effect

Erbium-doped yttria thin films prepared by metal organic decomposition for up-conversion

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Room-Temperature Synthesis of Iron-Doped Anatase TiO₂ for Lithium-Ion Batteries and Photocatalysis

Iron-doped nanocrystalline particles of anatase TiO₂ (denoted <i>x</i>% Fe-TiO₂, with <i>x</i> the nominal [Fe] atom % in solution) have been successfully synthesized at room temperature by a controlled two-step process. Hydrolysis of titanium isopropoxide is first achieved to precipitate Ti­(OH)₄ species. A fine control of the pH allows one to maintain (i) soluble iron species and (ii) a sluggish solubility of Ti­(OH)₄ to promote a dissolution and condensation of titanium clusters incorporating iron, leading to the precipitation of iron-doped anatase TiO₂. The pH does then influence both the nature and crystallinity of the final phase. After 2 months of aging at pH = 2, well-dispersed nanocrystalline iron-doped TiO₂ particles have been achieved, leading to 5–6 nm particle size and offering a high surface area of ca. 280 m²/g. This dissolution/recrystallization process allows the incorporation of a dopant concentration of up to 7.7 atom %; the successful incorporation of iron in the structure is demonstrated by X-ray diffraction, high-resolution transmission electron microscopy, and Mössbauer spectroscopy. This entails optical-band-gap narrowing from 3.05 to 2.30 eV. The pros and cons effects of doping on the electrochemical properties of TiO₂ versus lithium are herein discussed. We reveal that doping improves the power rate capability of the electrode but, in turn, deserves the electrolyte stability, leading to early formation of SEI. Finally, we highlight a beneficial effect of low iron introduction into the anatase lattice for photocatalytic applications under standard AM1.5G visible-light illumination