Towards Near-Infrared Photosensitization of Tungsten Trioxide Nanostructured Films by Upconverting Nanoparticles

Nanostructured metal oxides semiconductors are widely used in solar energy related applications, such as in dye-sensitized solar cells. Tungsten trioxide (WO3) is an electrochromic material, extensively investigated in solar energy conversion (e.g. photoelectrochemistry) and conservation (e.g. electrochromism). However, WO3, because of its wide bandgap (≈ 2.5 eV), is transparent to an important portion of the solar spectrum and can effectively absorb light only up to ca. 500 nm, which limits the power conversion efficiency of devices based thereon. Upconverting materials can absorb several low-energy photons to emit one high-energy photon. In particular, upconverting nanoparticles are widely studied in biomedical and solar energy applications, as they can transform two or several infrared photons in a visible photon. As the Sun contains important NIR and IR portion, UCNPs are interesting candidates to transform NIR or IR light into visible light to be absorbed by wide bandgap semiconductor, such as metal oxides. The work presented in this master's thesis consists in embedding NaGdF4:Er3+, Yb3+ UCNPs into a nanostructured WO3 matrix. The objective is to increase the power conversion efficiency of WO3 after solar light harvesting. The integration of two materials with nanostructured nature has the potential to lead to a good synergy between them. We include an article in this master's thesis. In this article, we report on the mixing of NaGdF4:Er3+, Yb3+ UCNPs withWO3 in solution and on the deposition of the two-component solution on ITO-patterned electrodes. After engineering the fabrication and deposition of the thin nanocomposite films, they were systematically studied. Morphology was studied by atomic force microscopy, structure by X-ray diffraction, photoluminescence by fluorescence hyperspectral microscopy, and charge carrier transport under NIR irradiation by currenttime measurements. Notably, we observed an increase in the value of the current with respect to the dark current when UCNP/WO3 thin films were exposed to 980 nm continuous laser irradiation. This increase in the value of the current is tentatively attributed to the absorption of the NIR light by the UCNPs, which is upconverted into visible light to be harvested by the WO3, eventually generating a photocurrent.

Résumé

Les semiconducteurs à base d'oxydes de métaux nanostructurés sont des matériaux dont l'étude est largement répandue dans le domaine des applications solaires, tel que le démontre l'engouement pour les cellules solaires de type Grätzel. L'oxyde de tungstène (WO3) est un matériau qui a des propriétés électrochromiques et possède une énergie de bande ≈ 2.5 eV,ce qui lui a permis d'être étudié dans des applications reliées à la conversion (photocatalyse ou photoélectrochimie) de l'énergie solaire. Cependant, la valeur de l'énergie de bande du WO3 est telle qu'il est transparent pour une grande partie du spectre solaire, ce qui limite l'efficacité de conversion de puissance des dispositifs à base de WO3. Les matériaux à conversion ascendante de photons sont des matériaux qui peuvent absorber plusieurs photons de faible énergie et émettre un photon de haute énergie. Notamment, les nanoparticules à conversion ascendante de photons sont grandement étudiées pour leur capacité à tranformer deux ou plusieurs photons infrarouge en un photon visible, dans des domaines tels que les applications biomédicales et de l'énergie solaire. En ce qui a trait aux applications en énergie solaire, une partie importante du spectre solaire est composée d'infrarouge, donc de photons qui ont une énergie trop faible pour générer une paire électrontrou dans un semiconducteur à large bande interdite, tel que le WO3. Les nanoparticules à conversion ascendante de photons sont donc d'intéressantes candidates pour transformer la lumière infrarouge en lumière qui puisse être utilisée par des semiconducteur à grande énergie de bande, tels que les oxydes de métaux. Ce projet de maîtrise consiste à ajouter des nanoparticules à conversion ascendante de photons (NaGdF4:Er3+, Yb3+) à un oxyde de métal nanostructuré, à savoir le WO3. De cette façon,l'objectif est d'augmenter l'efficacité de conversion de puissance du WO3 lorsqu'exposé à la lumière solaire. L'intégration des deux nanomatériaux est motivée par le contact intime qui peut s'établir entre eux, dans le but de potentiellement optimiser leur interaction. L'article 1 inclus dans le mémoire concerne des noparticules de NaGdF4:Er3+, Yb3+ mélangées à du WO3 en phase liquide pour le dépôt de couches minces nanocomposites sur un substrat composé d'une paire d'électrodes faite de verre conducteur (ITO). Après avoir optimisé les paramètres de préparation et de dépôt des couches minces, ces dernières ont été systématiquement caractérisées. La morphologie a été étudiée à l'aide de la microscopie à force atomique,la structure à l'aide de la diffraction de rayons-X, les propriétés de photoluminescence à l'aide d'un microscope hyperspectral à fluorescence et les propriétés électriques par des mesures de courant en fonction du temps sous irradiation infrarouge.