Development of Polymer Nanocomposite Films and their Potential for Photovoltaic Cell Applications

La forte demande en énergie due à la croissance continue de la population, au développement industriel rapide, à l'épuisement des ressources conventionnelles d'énergie, et à leurs impacts sur l'environnement nécessite de trouver les nouvelles sources d'énergie. En attendant, le développement de dispositifs rentables et efficaces afin de produire des énergies bon marché, renouvelables et propres est un sujet intéressant qui a retenu l'attention à la fois de la recherche industrielle et de la recherche académique. L'énergie solaire est une des sources d'énergie renouvelable la plus disponible et qui peut être convertie en électricité par l'intermédiaire des cellules solaires. Parmi les différents types de cellules solaires, les cellules solaires à pigments photosensibles (DSSC de l'anglais dye-sensitized solar cell), qui sont des matériels à bas coût, ont un grand potentiel pour produire de l'électricité solaire rentable. L'objectif de ce travail est de développer une photoélectrode flexible pour DSSC via un procédé rentable de mise en forme d'un polymère à température relativement basse. Des nanocomposites de polypropylène isotactique (iPP) et de dioxyde de titane (TiO2) contenant jusqu'à 15 % volumique (45,5 % massique) de TiO2 ont été produits par plusieurs passages en extrusion bi-vis à l'état fondu. L'effet de la quantité de particules de TiO2 et de la présence de PP modifié par de l'anhydride (AMPP), en tant que compatibilisant, sur la microstructure des nanocomposites a été étudié. Pour une quantité inférieure à 5 % volumique des nanoparticules, la dispersion de ces dernières dans le nanocomposite est améliorée par l'addition du AMPP. Cependant, pour une quantité supérieure à 5 % volumique des nanoparticules, le nombre et la taille des agrégats de TiO2, à la fois dans les nanocomposites compatibilisés ainsi que dans les non-compatibilisés, ont augmenté jusqu'à atteindre un réseau interconnecté de TiO2. Une analyse micromécanique des nanocomposites a montré que la résistance interfaciale entre la matrice polymérique et les particules de TiO2 était plus grande dans le système compatibilisé que dans le système non-compatibilisé. Puisque la conductivité électrique des nanocomposites iPP/TiO2 est une propriété importante exigée pour l'utilisation dans la photoélectrode, la corrélation entre la microstructure et la conductivité électrique des nanocomposites iPP/TiO2 a été étudiée dans la partie suivante de cette recherche. Des mesures en courant continu (DC) de la conductivité électrique ont montré que les échantillons non-compatibilisés avaient un seuil de percolation électrique inférieur aux échantillons compatibilisés. De plus, les propriétés rhéologiques des nanocomposites ont conclu à un seuil de percolation rhéologique plus faible pour les systèmes non-compatibilisés, ce qui est en accordance avec les propriétés électriques. Quantitativement, les seuils de percolation rhéologique (5-7 % en volume) des nanocomposites compatibilisés ou non étaient inférieurs aux seuils de percolation électrique (5,3-7,5 % en volume). Il a été montré que le seuil de percolation élevé des nanocomposites compatibilisés a été obtenu grâce à une meilleure dispersion des nanoparticules de TiO2 en comparaison avec les systèmes non-compatibilisés. Cependant, en raison de la séparation des phases partielles de l'iPP et de l'AMPP et de la viscosité inférieure de la matrice polymérique dans le cas des nanocomposites compatibilisés contenant au minimum 7,5 % en volume de TiO2, les agrégats de TiO2 étaient plus denses dans ces systèmes que dans les nanocomposites non-compatibilisés. Des mesures rhéologiques non-linéaires ont aussi été effectuées afin d'étudier la microstructure des nanocomposites en-dessous et au-dessus de leur seuil de percolation. Des analyses échelonnées de tests de balayage en déformation ont montré une dimension fractale plus grande pour les systèmes compatibilisés que pour ceux non-compatibilisés, en concordance avec les observations morphologiques. Après avoir déterminé les caractéristiques morphologiques, électriques et rhéologiques des nanocomposites à base de iPP et TiO2 pour différentes compositions, des films nanocomposites basés sur les échantillons se situant au-dessus du seuil de percolation ont été préparés par extrusion de film. Ils ont été uniaxialement étirés pour préparer des films nanocomposites poreux. Les effets de la composition et des différents paramètres d'étirage pendant le procédé, comme la température d'étirage, le taux d'extension et le rapport d'étirage, sur la microstructure finale et les propriétés des films étirés ont été étudiés. Les observations au microscope électronique à balayage (MEB) ont montré que les pores été formés à cause du décollement interfacial entre le PP et les particules de TiO2. La porosité et la taille des pores augmentent lorsque la température d'étirage diminue et lorsque le rapport d'étirage augmente. La surface des pores augmente avec la porosité, fournissant une surface plus grande pour l'adsorption d'un colorant photosensible. Finalement, la fonctionnalité des films nanocomposites poreux comme électrodes pour DSSC a été examinée. Les films ont été sensibilisés avec un colorant inorganique (N719) et utilisés comme photoélectrode dans une structure sandwich DSSC. Les propriétés photo-électrochimiques des cellules ont été analysées par photocourant-tension (J-V) et par spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE). Le photocourant de court-circuit (JSC) ainsi que la tension en circuit ouvert (VOC) augmentent avec le rapport d'étirage des films nanocomposites. Le JSC et la VOC du DSSC des films nanocomposites étirés à 200 % étaient respectivement autour de 0.7 μA/cm2 et de 126 mV et, le taux de remplissage (FF) du système autour de 32 %.