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

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Étude de semi-conducteurs de type p nanostructurés à base de métaux de transition pour une application en DSSC-p
(Study of nanostructured p-type semiconductors based on transition metals for p-DSSC applications)

Polteau, Baptiste - (2016-10-18) / Universite de Rennes 1 - Étude de semi-conducteurs de type p nanostructurés à base de métaux de transition pour une application en DSSC-p

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Langue : Français

Directeur(s) de thèse: Tessier, Franck; Jobic, Stéphane

Discipline : Chimie

Laboratoire : Sciences chimiques de Rennes

Ecole Doctorale : SCIENCES DE LA MATIERE

Classification : Chimie, minéralogie, cristallographie

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

Semiconducteurs - Thèses et écrits académiques
Nanoparticules - Thèses et écrits académiques
Métaux de transition - Thèses et écrits académiques
Cyanamide - Thèses et écrits académiques

Résumé : 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 Ni1-xO nanostructuré, fortement non-stœchiométrique (VNi = 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.

Abstract : 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 Ni1-xO with a large amount of Ni vacancies (VNi = 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.