Développement d'une pile solaire photosensibilisée à base d'oxyde de zinc (ZnO) dopé avec l'acide tungstique

Cette thèse consiste à développer une cellule solaire photosensibilisée (DSSC) à base d’un nouveau matériau d’oxyde de zinc (ZnO) dopé à l’aide d’acide tungstique (H2WO4) que nous avons synthétisé par la méthode sol-gel. Les DSSC sont des cellules solaires photovoltaïques de dernières générations qui connaissent de nos jours un essor rapide de performance dans les recherches et développement. Le développement des DSSC à base d’oxyde de zinc présente des intérêts à cause de la disponibilité et des propriétés opto-électronique de ce matériau. L’oxyde de zinc peut être synthétisé à partir de plusieurs précurseurs (zinc, acétate de zinc dihydraté, ….) en empruntant plusieurs voie de fabrication (sol-gel, hydrothermal, …). L’objectif de ce travail est de synthétiser un matériau susceptible de contribuer à l’amélioration de la performance des DSSC à base de ZnO. Si nous introduisons deux semi-conducteurs comme photo-anodes ayant tous les deux des niveaux de bandes de conduction en dessous du niveau de l'état excité du sensibilisateur (LUMO) dans une configuration d'une pile solaire photo sensibilisée, on augmenterait de deux fois la possibilité de transfert des électrons du sensibilisateur vers les semi-conducteurs. Ceci pourrait fortement contribuer à augmenter les performances du la pile par rapport à un seul semi-conducteur. La méthode sol-gel a été utilisée pour la synthèse de l’oxyde et son dopage à l’acide tungstique. Les solutions à base d’oxyde de zinc ont été déposées sur un substrat en FTO par spin-coating ou doctor blade. Ces échantillons sont séchés et recuits pour éliminer les composants organiques, améliorer la cristallinité et la conductivité du matériau. L’oxyde de zinc et l’oxyde de zinc dopé obtenus ont été caractérisés par : • la diffraction au rayon X (XRD) pour confirmer la cristallinité hexagonale de l’oxyde de zinc et le calcul des tailles des grains; • la microscopie électronique à balayage (MEB) pour l’observation de la morphologie des grains ; • La spectroscopie UV-visible pour les mesures de transmittance et d’absorbance afin déterminer différentes bandes gap des échantillons dopés allant de 3,24 à 3,57 eV. • La spectroscopie photoélectronique à rayons X ou XPS ; vi • la spectroscopie par la transformée de Fourier ont confirmé les liaisons chimiques telles que Zn-O, W-O dans les échantillons ; • la méthode de courant de Foucault pour évaluer les résistances surfaciques; • la spectroscopie dispersive d’électrons (EDS).

Abstract

This thesis consists in developing a photosensitized solar cell (DSSC) based on a new material of zinc oxide (ZnO) doped with tungstic acid (H2WO4). DSSCs are the latest generation of photovoltaic solar cells that are experiencing a rapid increase in performance in research and development. The development of DSSCs based on zinc oxide is of interest because of the availability and opto-electronic properties of this material. It can be synthesized from several precursors (zinc, zinc acetate dihydrate, ....) using several fabrication routes (sol-gel, hydrothermal, ...). The objective of this work is to synthesize a material that can contribute to the improvement of the performance of ZnO-based DSSCs. If we introduce two semiconductors as photoanodes both having conduction band levels below the excited state level of the dye (LUMO) in a photosensitized solar cell configuration, we would increase the possibility of electron transfer from the dye to the semiconductors by two factors. This could strongly contribute to increase the performance of the battery compared to a single semiconductor. The sol-gel method was used for the synthesis of the oxide and its doping with tungstic acid. The zinc oxide solutions were deposited on an FTO substrate by spin-coating or doctor blade. These samples were dried and annealed to remove organic components, improve the crystallinity and conductivity of the material. The obtained zinc oxide and doped zinc oxide were characterized by: • X-ray diffraction (XRD) to confirm the hexagonal crystallinity of zinc oxide and calculation of grain sizes; • Scanning electron microscopy (SEM) for the observation of the grain morphology. • UV-visible spectroscopy for transmittance and absorbance measurements to determine different gap bands of doped samples ranging from 3.24 to 3.57 eV. • X-ray photoelectron spectroscopy (XPS); • Fourier transform spectroscopy confirmed the chemical bonds such as Zn-O, W-O in the samples; • Eddy current method to evaluate the sheet resistance; • Electron dispersive spectroscopy (EDS) characterization.