Dépôt par ablation laser des NPs de PbS sur les NFs-TiO 2 et optimisation du N Lp

Afin de former les nano-hétérojonctions, les NPs de PbS ont été déposées par ablation laser directement sur les NFs de TiO2 crûes sur les substrats de FTO et sur des substrats de silicium qui ont été placés à 7.5 cm de la cible. Les dépôts ont été effectués à température ambiante sous une pression d’He de 500 mTorr et à une énergie du laser de ̴70 mJ/impulsion au niveau de la cible. À travers la variation du NLp entre 2000 et 20000, nous avons pu contrôler le taux de couverture des NFs par les NPs de PbS ainsi que l’épaisseur effective du film des NPs de PbS.

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La Figure 2c de l’article D, représentant une image MEB à haute résolution de l’extrémité supérieure de quelques NFs après le dépôt des NPs de PbS avec NLp = 2000, révèle la présence de petites NPs de PbS sur les NFs. La taille moyenne de ces NPs obtenue à partir de la formule de Debye-Scherrer et à l’aide du spectre DRX des NPs déposées sur les NFs (voir figure 2d de l’article D), est estimée à 9.3 ± 0.3 nm. Cette valeur est consistante avec la taille moyenne des NPs observées sur les NFs de TiO2 (figure 2c de l’article D). Les Figures 5.3a1-b1 et figures 5.3a2-b2 montrent respectivement les images MEB de vue de dessus et de vue en transverse des films de NPs de PbS déposés sur le Si et sur les NFs de TiO2.Tel qu’indiqué par les flèches dans les figures 5.3b2 et 5.3c2, on remarque que contrairement aux NPs déposées sur le Si, les NPs pénètrent dans la structure poreuse des films de NFs de TiO2. Par conséquent, à cause de la porosité des films de NFs de TiO2 et de la grande surface effective disponible pour les NPs de PbS, l’épaisseur apparente du film de NPs de PbS est forcément dans les films de NPs sur les NFs de TiO2 comparativement aux dépôts sur Si. Les images MEB des films de NPs de PbS déposés sur les NFs avec NLp = 10000 (figures 5.3b1 et 5.3b2) et celles des films déposés avec NLp = 20000 (figures 5.3c1 et 5.3c2) montrent clairement que les pores dans le film de NFs se remplissent au fur et à mesure que le NLp augmente. Ceci explique l’augmentation de la profondeur de pénétration des NPs, indiquée dans les images de coupe transverse (figures 5.3b2 et 5.3c2) par les flèches orange, lorsque le NLp passe de 10000 à 20000. Par ailleurs, on note également une augmentation de la densité du film de NPs de PbS au-dessus des NFs de TiO2.

Afin d’optimiser l’épaisseur du film de NPs de PbS de nos cellules PVs, nous avons fixé la longueur des NFs de TiO2 à ̴1.2 µm) et avons varié la quantité déposée de NPs de PbS (en augmentant le NLp de 2000 à 20000). Par la suite, une électrode d’Au d’épaisseur 100 nm est directement déposée sur le film de NPs de PbS par évaporation thermique sous vide (10-6 Torr) à travers un masque contenant des ouvertures circulaires de 2 mm de diamètre. Nous obtenons ainsi des cellules solaires avec l’architecture FTO/TiO2-NFs/PbS-NPs/Au. Une photo du dispositif est présentée dans la figure 5.4. Dans ce type de dispositif PV, l’illumination des NPs de PbS génèrent des excitons. Grâce aux multiples nano-hétérojonctions dans le nanohybride de TiO2-NFs/NPs-PbS, les électrons sont attirés vers la cathode (FTO) et les trous vers l’anode (Au). Les chemins de transfert de charges sont schématisés dans les diagrammes de bandes d’énergie de la figure 7 de l’article D. Le contact direct entre les NPs de PbS et les NFs de TiO2 (absence de ligands) et l’alignement vertical des NFs sur le

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substrat de FTO devraient faciliter la séparation des électrons et des trous ainsi que leur collection par les électrodes.

Figure 5.3 (a1 et b1) Images MEB respectives du film de NPs de PbS (vue de dessus) déposé sur un substrat de Si et sur les NFs de TiO2 avec NLp= 10000, (c1) Image MEB du film de NPs de PbS (vue de dessus) déposé sur

les NFs de TiO2 avec NLp= 20000, (a2, b2 et c2) montrent respectivement les vues en transverse des films de

NPs de PbS présentés dans a1, b1 et c1.

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La figure 3a de l’article D montre les courbes (J-V) sous illumination solaire (AM1.5) des dispositifs fabriqués avec des NFs de TiO2 de longueur ̴1.2 µm et pour différentes valeurs de NLp pour les NPs de PbS. Dans les figures 3b1-4 de l’article D, nous avons résumé les variations des paramètres PVs en fonction du NLp. Notons tout d’abord l’augmentation continue du Jsc avec NLp, indiquant une augmentation de l’absorption des photons et de l’efficacité de la collection de charges. À NLp > 10000, le Jsc continue à augmenter mais de façon plus lente. En effet, lorsque NLp croit de 2000 à 10000 Jsc a augmenté de 320 % alors qu’il s’est amélioré d’à peine 18 % lorsque NLp a été augmenté de 10000 à 20000. Ceci est certainement dû au film de PbS au-dessus des NFs de TiO2 qui tend à s’épaissir (>200 nm, voir figures 5.3b2 et 5.3c2) et à former une « canopée » qui peut limiter la circulation des photocharges vers les électrodes d’Au. En d’autres termes, une augmentation de l’épaisseur du film de PbS a pour conséquence une augmentation de la résistance série des dispositifs, expliquant ainsi la diminution de la pente de croissance du Jsc et les décroissances trop abruptes du Voc et du FF pour NLp > 10000. La figure 3b4 de l’article D montre que le taux de conversion de puissance (η) de ces dispositifs atteint une valeur maximale égale à 2.9 % correspondant au dispositif fait avec NLp = 10000.