Colloidal PbS and PbSeS Quantum Dot Sensitized Solar Cells Prepared by Electrophoretic Deposition

Here we report the developement of quantum dot sensitized solar cells (QDSCs) using colloidal PbS and PbSeS QDs and polysulfide electrolyte for high photocurrents. QDSCs have been prepared in a novel sensitizing way employing electrophoretic deposition (EPD), and protecting the colloidal QDs from corrosive electrolyte with a CdS coating. EPD allows a rapid, uniform and effective sensitization with QDs, while the CdS coating stabilizes the electrode. The effect of electrophoretic deposition time and of colloidal QD size on cell efficiency is analyzed. Efficiencies as high as 2.1±0.2% are reported

Innovations in electrophoretic deposition of nanotitania- based photoanodes for use in dye-sensitized solar cells

The scope of this thesis is the investigation and elaboration of novel cost-effective and environmentally friendly electrophoretic deposition (EPD) techniques for the fabrication of robust and adhesive nanotitania film electrodes for high performance dye sensitized solar cells (DSSC). In the first part of this work, EPD in water is investigated, where electrolysis of water is suppressed by adoption of a low DC voltage approach. Growth of adherent and robust films is enabled via the use of isopropanol as co-solvent and Zn(NO3)2 as additive, the latter leading to co-deposition of hydrous zinc oxide that acts as nanoglue. The optimization of the suspension composition, mechanism of zinc co-deposition with TiO2 nanoparticles (P25, Evonic), and the structural and electronic properties of the resultant TiO2-ZnO semiconductor films are described. Subsequent to EPD nanocomposite TiO2–ZnO film growth, the photoanodes after annealing at 450 ºC are assembled into DSSC devices and shown to have better photovoltaic performance compared to that of bare TiO2 film photoanodes. Various photoelectrochemical characterizations indicated that in-situ formation of ZnO causes suppression of charge recombination at the electrode/electrolyte interface thus prolonging photoelectron lifetime. In the next phase, the electrophoretic deposition of mixed nano scale P25 TiO2-metal oxide composite films, namely TiO2-ZnO, TiO2-Al2O3 and TiO2-MgO is investigated in order to probe charge recombination and electron transport properties. The secondary oxides were found to co-deposit uniformly within the TiO2 film (forming island-like nanodeposits) at approximately 1-3 wt% content. Various photoelectrochemical characterization techniques revealed that among the three composite films, the TiO2-Al2O3 electrode exhibits the highest charge recombination resistance at the TiO2/electrolyte interface but its conversion efficiency is the lowest because it suffers from very high electron transport resistance. By comparison, the TiO2-MgO and TiO2-ZnO films exhibit significantly lower electron transport resistance and relatively higher conversion efficiency. In the last part of this thesis, EPD is employed successfully in a suspension of multi-component and different size and morphology (anatase + rutile) TiO2 nanoparticulates to engineer a very robust bi-functional electrode structure. Aqueous-synthesized anatase (5–10 nm) nanocrystallites, sub-micrometer-sized "sea urchin"-like rutile (200–500 nm) aggregates and P25 nanoparticles (30 nm) are formulated in a stable binder-free isopropanol suspension and deposited into adhesive films not only on glass but also metal and plastic substrates without resorting to mechanical compression. As result of the scattering functionality and the excellent film adhesion rendered by rutile, contact resistance between the TiO2 film and the substrate is minimized resulting in higher VOC, fill factor and record-breaking efficiency: 8.59% vs. 8.32% for double-layer benchmark photoanode.Cette thèse porte sur l'étude et l'élaboration d'une nouvelle technique d'électrodéposition cationique (EPD) plus rentable et respectueuse de l'environnement. Cette technique est étudiée à des fins de fabrication d'électrodes robustes et adhésives de nano-dioxyde de titane pour des cellules photovoltaïques à pigments colorés (DSSCs) à haute performance. Dans un premier temps, l'EPD a été étudié dans un milieu aqueux. Une basse tension continue a été adoptée pour empêcher l'électrolyse de l'eau. Le dépôt de films solides et adhérents a été rendue possible par l'intermédiaire de l'utilisation d'isopropanol en tant que co-solvant et du Zn(NO3)2 en tant qu'additif. L'emploie du Zn(NO3)2 a également entrainé une déposition d'oxyde de zinc hydraté qui agit comme une nanocolle. L'optimisation de la composition de la suspension, du mécanisme de co-déposition de zinc avec des nanoparticules de TiO2 (P25, Evonic), et les propriétés structurales et électroniques des films semi-conducteurs de TiO2–ZnO obtenus sont décrites. Suite à la fabrication des films enTiO2–ZnO via l'EPD, et après avoir été recuites à 450 °C, les photoanodes sont utilisées pour l'assemblage des DSSCs. Il a été démontré que ces photoanodes ont une meilleure performance photovoltaïque que celles contenant uniquement du TiO2. Diverses caractérisations photoélectrochimiques ont indiqué une élimination de la recombinaison de charges à l'interface électrode/électrolyte lors de la formation in situ du ZnO, prolongeant ainsi la durée de vie des photoélectrons.Dans un deuxième temps, la déposition par électrophorèse de trois films composites P25 TiO2/oxyde de métal est étudiée, à savoir : TiO2-ZnO, TiO2-Al2O3, et TiO2-MgO mélangés à l'échelle nano. Les propriétés de recombinaison des charges et de transport des électrons des films fabriqués ont été examinées. Il a été montré que les oxydes secondaires se co-déposent uniformément dans le film de TiO2 (formant des nanodépôts en forme d'île) à une teneur d'environ 1-3% en poids. Diverses techniques de caractérisation photoélectrochimiques ont révélé que parmi les trois films composites, l'électrode à base deTiO2-Al2O3 présente la plus grande résistance associée à la recombinaison de charges à l'interface TiO2/électrolyte, mais son efficacité de conversion est la plus faible, car elle éprouve d'une très forte résistance au transport des électrons. Au contraire, les films à base de TiO2-MgO etTiO2-ZnO présentent une résistance au transport d'électrons considérablement plus faible et une efficacité de conversion relativement élevée. Dans la dernière partie de cette thèse, l'EPD est utilisé avec succès pour fabriquer une électrode bifonctionnelle très robuste. Une suspension à plusieurs composantes avec des nanoparticules de TiO2 (anatase + rutile) de différentes tailles et morphologies a été utilisée. Des nanocristallites d'anatase synthétisés en milieu aqueux (5-10 nm), des agrégats de rutile de sous-taille micrométrique et en forme « d'oursin » (200-500 nm), et des nanoparticules de P25 (30 nm) sont formulés dans une suspension stable d'isopropanol sans liant, et sont déposés non seulement sur des substrats en verre, mais également sur des substrats métalliques et en plastique, et ce, sans recourir à une compression mécanique. Avec la fonctionnalité de diffusion de la lumière et l'excellente adhérence du film, grâce au rutile, la résistance de contact entre le film de TiO2 et le substrat est réduite entrainant ainsi une augmentation de la tension VOC, et du facteur de remplissage. Une efficacité de conversion record a été mesurée : 8,59 % contre 8,32 % pour la photoanode de référence à double couche

Colloidal PbS and PbSeS Quantum Dot Sensitized Solar Cells Prepared by Electrophoretic Deposition

Here we report the development of quantum dot sensitized solar cells (QDSCs) using colloidal PbS and PbSeS quantum dots (QDs) and polysulfide electrolyte for high photocurrents. QDSCs have been prepared in a novel sensitizing way employing electrophoretic deposition (EPD) and protecting the colloidal QDs from corrosive electrolyte with a CdS coating. EPD allows a rapid, uniform, and effective sensitization with QDs, while the CdS coating stabilizes the electrode. The effect of electrophoretic deposition time and of colloidal QD size on cell efficiency is analyzed. Efficiencies as high as 2.1 ± 0.2% are reported