Study of transition metals based nanostructured p-type semi-conductors for DSSC-P applications

Etude de semi-conducteurs de type p nanostructurés à base de métaux de transition pour une application en DSSC-p

Baptiste Polteau (1)

1 ISCR - Institut des Sciences Chimiques de Rennes

To improve the performances of p-Dye Sensitized Solar Cell (p-DSSC), this thesis work focuses on the synthesis and the characterization of p-type semiconductors (p-SCs) nanomaterials. These p-SCs with some specifications (low energy valence band, high specific surface area, high conductivity and transparency) were thoroughly studied. In this context, a strategy was developed to improve the NiO nanoparticles properties (commonly used as a reference) with higher nickel non-stoichiometry and nitrogen doping to promote the stabilization of the Ni³⁺/Ni²⁺ mixed valence (origin of the p-typness). This study was initiated with a nanostructured mixed valent Ni₃O₂(OH)₄ precursor. Its thermal decomposition in air and ammonia at low temperature (250 °C) allows the formation of nanostructured Ni_1-xO with a large amount of Ni vacancies (V Ni = 25 %), a high specific surface area (240 m².g^-1) and a nitrogen doping (NiO:N). Moreover, two non-oxides materials with delafossite structure type, namely - nickel carbodiimide (NiNCN) and manganese carbodiimide (MnNCN) - were prepared and characterized as new p-type semiconductors. Thus, the first p-DSSC with NiNCN material was built with success.

Dans le but d'améliorer le rendement des cellules à colorant de type p (DSSC-p), ces travaux s'attachent à la synthèse et la caractérisation de matériaux semi-conducteurs de type p (SCs-p) sous forme de nanoparticules. En ce sens, des SCs-p répondant à un cahier des charges (bande de valence basse en énergie, grande surface spécifique, bon conducteur et bonne transparence) ont été étudiés. Dans ce cadre, une stratégie a été développée pour améliorer les propriétés de NiO (l'actuel matériau de référence) en optimisant sa nanostructuration, sa forte non-stœchiométrie en nickel et par son dopage à l'azote, paramètres tous favorables à la stabilisation de la valence mixte Ni³⁺/Ni²⁺, origine de la conductivité de type p. Cette longue étude a été initiée à partir d'un précurseur de nickel original nanostructuré Ni₃O₂ OH)₄, à forte valence mixte Ni³⁺/Ni²⁺ . La décomposition sous air et sous ammoniac de ce précurseur à basse température (250 °C) a permis de préparer Ni_1-xO nanostructuré, fortement non-stœchiométrique (V Ni = 25 %), de grande surface spécifique (240 m².g^-1) et dopé azote (NiO:N). De plus, deux matériaux non oxydes à structure delafossite, que sont les carbodiimides de nickel (NiNCN) et de manganèse (MnNCN) ont été préparés et caractérisés comme de nouveaux semi-conducteurs de type p, permettant de monter la première DSSC-p à base de NiNCN.

Mots clés: P-type semiconductor; nanoparticles; p-DSSC; non-stoichiometry; nitrogen doping; transition metal carbodiimides

Mots clés: dopage azote; non-stœchiométrie; carbodiimide de métaux de transition; Semi-conducteurs de type p; nanoparticules; DSSC-p

Domaines: Matériaux; Chimie

Baptiste Polteau. Etude de semi-conducteurs de type p nanostructurés à base de métaux de transition pour une application en DSSC-p. Matériaux. Université de Rennes 1, 2016. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02289888⟩