This dissertation focuses on two aspects of integrating near-infrared plasmonics with electronics with the intent of developing the platform for future photonics. The first aspect focuses on fabrication by introducing and developing a simple, single reflective optical element capable of high–throughput, large scale fabrication of micro- and nano-sized structure templates using holographic lithography. This reflective optical element is then utilized to show proof of concept in fabricating three dimensional structures in negative photoresists as well as tuning subwavelength features in two dimensional compound lattices for the fabrication of dimer and trimer antenna templates. The second aspect focuses on the study of aluminum zinc oxide (AZO), which belongs to recently popularized material class of transparent conducting oxides, capable of tunable plasmonic capabilities in the near-IR regime. Holographic lithography is used to pattern an AZO film with a square lattice array that are shown to form standing wave resonances at the interface of the AZO and the substrate. To demonstrate device level integration the final experiment utilizes AZO patterned gratings and measures the variation of diffraction efficiency as a negative bias is applied to change the AZO optical properties. Additionally efforts to understand the behavior of these structures through optical measurements is complemented with finite difference time domain simulations.

Mesoporous semiconductors such as TiO2 nanoparticles, as well as transparent conducting oxides (TCOs) such as indium tin oxide films are typically employed for setting up the photo-electrode module in variety of photoelectrochemical cells including Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs). In order to exhibit a high performance efficiency, the photo-electrodes in such applications are required to be able to harvest the light and transport the generated electrons effectively. Accordingly mesoporous layers with high values of surface area and well-established pore structure along with highly transparent and conductive TCOs are deposited on suitable substrates through the physical or chemical vapor deposition methods. The processing facilities and materials required to fabricate such high-quality devices with high values of efficiency are complicated and expensive, whereas devices of lower quality do not fulfill the demands. This issue is of particular importance regarding the energy production and developing the solar cell technologies, as it is considered by the concept of “cost per watt”. Thus, a great deal of effort is being carried out globally to enhance the efficiency of affordably-produced solar cells such as low-cost DSSCs. Utilizing the wet chemical techniques such as sol-gel method which provide a considerably more affordable route to synthesize nanoparticles and deposit thin films without the need of applying high temperature or vacuum condition is a widely-used approach to decrease the processing expenses. However, to achieve an acceptable cost-per-watt ratio requires enhancing the obtained efficiency value as well, and therefore, modifying the processing procedures to improve the required features of the products are highly encouraged. This thesis focuses on two individual activities: synthesis of TiO2 nanoparticles, and also thin film deposition of a promising TCO called aluminum-doped zinc oxide (AZO); both obtained through the sol-gel route that is modified to contribute to nanostructures with suitable features for application in photoelectrochemical devices such as DSSC. In the first part, mesoporous anatase nanoparticles were synthesized through the surfactant-mediated sol–gel route. Through changing the refluxing time and water-to-surfactant molar ratio, as-prepared nanocrystals of high density and large and narrowly-distributed pore sizes were obtained, displaying surface area values up to 240 m2·g-1, much higher than the reported values for commercial TiO2-based catalysts. In the second part, sol–gel dip–coating of ZnO thin films doped with 2 at.% of aluminium ions was carried out. By altering the hydrolysis reaction and changing the thermal treatment procedure, thin films of highly c-axis preferred orientation were obtained with optical transmittance of around 80% and resistivity values down to 6 – 15 mΩ·cm, corresponding to sheet resistance of around Rsh ~ 500 Ω/sq. The obtained conductivity values, even though one order magnitude lower than those reported for the AZO thin film prepared via expensive techniques, are in the suitable range to improve the cost per watt ratio in applications such as inkjet printing of low-cost printed electronics and more affordable DSSC devices.

Le but de cette thèse était d’étudier la dynamique de croissance par pulvérisation par plasma RF magnétron des couches minces à base d’oxyde de zinc destinées à des applications électroniques, optoélectroniques et photoniques de pointe. Dans ce contexte, nous avons mis au point plusieurs diagnostics permettant de caractériser les espèces neutres et chargées dans ce type de plasmas, notamment la sonde électrostatique, la spectroscopie optique d’émission et d’absorption, ainsi que la spectrométrie de masse. Par la suite, nous avons tenté de corréler certaines caractéristiques physiques de croissance des couches de ZnO, en particulier la vitesse de dépôt, aux propriétés fondamentales du plasma. Nos résultats ont montré que l’éjection d’atomes de Zn, In et O au cours de la pulvérisation RF magnétron de cibles de Zn, ZnO et In2O3 n’influence que très peu la densité d’ions positifs (et donc la densité d’électrons en supposant la quasi-neutralité) ainsi que la fonction de distribution en énergie des électrons (populations de basse et haute énergie). Cependant, le rapport entre la densité d’atomes d’argon métastables (3P2) sur la densité électronique décroît lorsque la densité d’atomes de Zn augmente, un effet pouvant être attribué à l’ionisation des atomes de Zn par effet Penning. De plus, dans les conditions opératoires étudiées (plasmas de basse pression, < 100 mTorr), la thermalisation des atomes pulvérisés par collisions avec les atomes en phase gazeuse demeure incomplète. Nous avons montré que l’une des conséquences de ce résultat est la présence d’ions Zn+ suprathermiques près du substrat. Finalement, nous avons corrélé la quantité d’atomes de Zn pulvérisés déterminée par spectroscopie d’émission avec la vitesse de dépôt d’une couche mince de ZnO mesurée par ellipsométrie spectroscopique. Ces travaux ont permis de mettre en évidence que ce sont majoritairement les atomes de Zn (et non les espèces excitées et/ou ioniques) qui gouvernent la dynamique de croissance par pulvérisation RF magnétron des couches minces de ZnO. / The goal of this thesis was to study the growth dynamics of zinc oxide based thin films by RF magnetron sputtering plasmas for advanced electronic, optoelectronic, and photonic applications. In this context, we have developed several diagnostics to characterize neutral and charged species in such plasmas, in particular electrostatic probe, optical emission and absorption spectroscopy, as well as plasma sampling mass spectrometry. Afterward, we have tried to correlate specific physical characteristics of as-grown ZnO thin films, in particular the deposition rate, to fundamental plasma properties. Our results have shown that the ejection of Zn, In and O atoms during the RF magnetron sputtering of Zn, ZnO and In2O3 targets does not significantly influence the number density of positive ions (and thus the electron density assuming quasi-neutrality) as well as the electron energy distribution function (populations of low and high energy). However, the ratio of the number density of metastable argon atoms (3P2) to the electron density decreases with increasing concentration Zn atoms; a feature that can be ascribed to Penning ionization of RF sputtered Zn atoms. Furthermore, over the range operating conditions examined in this study (low-pressure plasmas), the thermalization of sputtered atoms by collisions with atoms in the gas phase remains incomplete. We have shown that one of the consequences of this result is the presence of suprathermic Zn+ ions near the target. Finally, we have correlated the quantity of sputtered Zn atoms determined by optical emission spectroscopy with the deposition rate of ZnO thin films measured by spectroscopic ellipsometry. This set of data lead us to the conclusion that mainly Zn atoms (and not excited and/or ionic Zn species) govern the growth dynamic of ZnO-based thin films during magnetron sputtering in argon RF plasmas.

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus. / Understanding the interrelations between microstructure and electronic processes in polymeric semiconductors is of great importance for their use in bulk heterostructures, as the active part of power-converting devices such as organic photovoltaic cells or light emitting diodes, as well as for quantum optoelectronics applications. In this doctoral thesis, two different systems are investigated; each of these systems represents a different approach to optimize materials in terms of microstructure and their ability to order on the molecular level. In the first system, by means of quasi-steady-state photoinduced absorption (PIA) and pump-modulation-frequency-dependent PIA spectroscopy, I performed a comprehensive analysis of the working principles of a hybrid photovoltaic cell based on nanocrystals of zinc oxide (ZnO) and poly(3-hexylthiophene) (P3HT). The interface surface area between donor (polymer P3HT) and acceptor (ZnO nanocrystals), where charge generation occurs, plays a significant role in the performance of the hybrid photovoltaic cells. To improve the charge generation mechanism of P3HT: ZnO, it is therefore essential to modify the P3HT: ZnO interface area. We demonstrated that molecular interface modification with cis-bis(4,40-dicarboxy-2,20bipyridine) ruthenium (II) (N3-dye) and a-Sexithiophen-2-yl-phosphonic Acid (6TP) as interface modifiers enhanced the photocurrent and performance in P3HT: ZnO cells. 6TP and N3 attach to the ZnO interface, thus increasing the donor:acceptor interface area that contributes to enhanced charge separation. Furthermore, 6TP and N3 reduce the ZnO traps that reduces recombination. In the second part, I introduced a processed solid-like ultra-high-molecular-weight polystyrene polymeric host matrix to trap and protect poly [2-methoxy, 5-(2’-ethylhexoxy)- 1,4-phenylene vinylene-PPV] (MEH-PPV) solution for use in quantum optoelectronic devices. Previous work by others has shown that MEH-PPV in solution undergoes a conformation transition from coiled conformation at high temperatures (blue-phase) to a chain-extended conformation at low temperatures (red-phase). The chain-extended conformation of MEH-PPV solution favours the characteristics needed to improve quantum optoelectronic devices, however the solution cannot be incorporated into the device. We demonstrated that the red-phase feature of MEH-PPV in solution maintains in a processed solid-like ultra-high-molecular-weight polystyrene polymeric host matrix (MEH-PPV/UHMWPS gels), by means of temperature-dependent photoluminescence (PL) spectroscopy (ranged from 290K down to 80 K). The red-phase of MEH-PPV/UHMW PS gels manifest itself as narrow linewidths and enhanced 0-0 line strength in the PL spectrum as well as a small stokes shifts between the PL and absorption spectra at low temperatures. These approaches demonstrate that microstructure manipulation and electronic properties of polymeric semiconductors have a direct impact on the device performance for their continued technological developments.

Actuellement, l'élaboration de matériaux nanohybrides organiques/inorganiques suscite l'engouement de nombreux chercheurs du fait de leurs diverses applications potentielles. Le but de ce projet de thèse a été de préparer et caractériser de nouveaux éléments inorganiques et organiques permettant la conception de nanohybrides multi-fonctionnels possédant des propriétés répondant aux problématiques actuelles. Dans cet objectif, nous avons préparé des nanoparticules d'oxyde de zinc (ZnO) en tant que composant inorganique par ablation laser. La surface de ces NPs peut être modifiée par des composés organiques possédant un groupe d'ancrage acide carboxylique. Nous avonssynthétisé et caractérisé des dérivés viologènes, bien connu comme de forts accepteurs d'électron, possédant le groupe d'ancrage. Les nanohybrides de ZnO/viologènes ont été préparés et caractérisés par diverses techniques de spectroscopie. Nous avons développé des voies de synthèse efficaces permettant d'obtenir une série de nouveaux hétérocycles possédant des propriétés de donneur d'électron : dérivés de dibenzo[2,3:5,6]pyrrolizino[1,7-bc]indolo[1,2,3-lm]carbazole. Ces nouvelles molécules présentent une forte stabilité thermique et une forte fluorescence dans le domaine du visible. Leurs propriétés d'absorption à un et deux photons (Proche-infrarouge) ainsi que leur habilité de donneur d'électron ont été étudiés expérimentalement et à l'aide de calculs de mécanique quantique. Les éléments organiques et inorganiques étudiés sont des motifs de choix pour l'élaboration future de nanohybrides utilisables pour diverses applications comme dans le domaine de l'énergie photovoltaïque ou encore l'imagerie médicale. / Currently, the development of organic/inorganic nanohybrid materials arouses the enthusiasm of many researchers owing to their potential applications. The aim of this thesis was to prepare and characterize new inorganic and organic components for the future design of new multi-functional nanohybrids with properties responding to the current challenges. For this purpose, we have prepared nanoparticles of zinc oxide (ZnO) as the inorganic component by laser ablation. The surface of these nanoparticles can be modified by an organic component bearing the carboxylic group as an anchor. We synthesized and characterized a number of viologen derivatives, well known as strong electron acceptors, involving the anchoring groups. The nanohybrids of ZnO/viologens were prepared and characterized by various spectroscopic techniques. We have developed efficient synthetic routes toward a series of new heterocycles possessing the electron donating properties: derivatives of dibenzo[2,3:5,6]pyrrolizino[1,7-bc]indolo[1,2,3-lm]carbazole. These new molecules exhibit high thermal stability and strong fluorescence in the visible range. Their one- and two-photon (Near-infrared) absorption properties and electron donor ability were investigated experimentally and by means of quantum mechanical calculations. The studied organic and inorganic components can serve as promising building blocks of choice for the future development of nanohybrids used in various application domains such as in the fields of photovoltaics and medical imaging.

L'objectif de cette thèse est de réaliser des hétérostructures packageless par l'intermédiaire d'une couche protectrice contre les environnements atmosphériques néfastes tels que l'oxydation et l'humidité mais aussi dans les milieux agressifs à hautes températures. La première hétérostructure envisagée dans cette étude, utilise le principe des ondes isolées. Le silicium a été employé en combinaison avec le ZnO car il offre de bonnes propriétés électroacoustiques mais aussi la possibilité de travailler à de hautes fréquences. Ainsi, cette configuration AlN/IDT/ZnO/Si a été principalement choisie pour des applications en environnements néfastes et intégrable dans la technologie CMOS. Par ailleurs, une couche de protection d'AlN permettra à l'onde de se confiner dans la couche active de ZnO et de rester insensible à la surface mais sensible à la température. Le ZnO étant toutefois conducteur à haute température (> 400°C), cette hétérostructure reste peut applicable en milieux sévères à haute température. C'est pourquoi une seconde hétérostructure packageless utilisant comme base l'IDT/AlN/Saphir a été étudiée dans ce manuscrit. Il s'agit donc de protéger les IDTs par un film mince contre les phénomènes d'agglomération des électrodes à hautes températures (1000 °C) / The objective of this thesis is to realize heterostructures packageless through a protective layer against harmful atmospheric environments such as oxidation and moisture and also in aggressive environments (high temperatures). The first heterostructure considered in this study, uses the principle of wave isolated. Silicon was used in combination with ZnO as it offers good performances and the possibility to work at high frequencies. Thus, this configuration AlN/IDT/ZnO/Si was chosen for applications in environments with harmful and integrated in CMOS technology. In addition, a protective layer of AlN allows the wave is confined in the active layer of ZnO and remains insensitive to the surface but sensitive to temperature. However, ZnO is conductive at high temperature (> 400 ° C) wich is limited her utilization in harsh environments. This is why a second packageless heterostructure using the IDT/AlN/sapphire has been studied in this manuscript. It is therefore to protect the IDTs by a thin film against the phenomena of agglomeration of the electrodes at high temperatures (1000 ° C)

Le travail de thèse implique l'étude de matériaux conducteurs transparents sans indium (TCM), composants essentiels de nombreux dispositifs optoélectroniques, utilisant le dépôt spatial de couches atomiques sous pression atmosphérique (AP-SALD). Cette nouvelle technique partage les avantages principaux de l'ALD classique, mais en plus permet le dépôt de couches minces de haute qualité sur de grandes surfaces avec un contrôle précis à l’échelle nanométrique. Ce travail est focalisé sur l'optimisation des propriétés électriques des films d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (ZnO: Al), l'un des oxydes conducteurs les plus étudiés (TCOs). L'influence de plusieurs paramètres expérimentaux sur les propriétés physiques des films a été étudié. Le mécanisme de transport des porteurs de charge au niveau des joints de grains a été identifié comme étant l'émission tunnel plutôt que l’émission thermoïonique dans le ZnO fortement dopé, grâce à un nouveau modèle que nous avons développé en utilisant la méthode de la matrice de transfert à fonction Airy (AFTMM). En résumé, la densité du piège à électrons aux joints de grains pour les échantillons de ZnO:Al (2,2 × 10^20 cm-3) préparés par AP-SALD a été estimée à environ 7,6 ×10^13 cm-2. Notre modèle montre que la diffusion par les joints de grains est le mécanisme de diffusion dominant dans nos films fabriqués par AP-SALD. Nous avons trouvé que le recuit assisté par UV (~ 200 ° C) sous vide était une méthode efficace pour réduire les pièges aux joints de grains, entraînant une amélioration de la mobilité de 1 cm2V-1s-1 à 24 cm2V-1s-1 pour ZnO et à 6 cm2V -1s-1 pour ZnO:Al. Nous avons également utilisé AP-SALD pour fabriquer des TCM performants, stables et flexibles basés sur un réseau de nanofils métalliques. Pour cela, nous avons développé des électrodes composites en revêtant des nanofils argent ou cuivre (AgNWs ou CuNWs) avec ZnO, Al2O3, ou ZnO: Al. Un revêtement très conforme d’une épaisseur de quelques dizaines de nanomètres déposé par la technique AP-SALD améliore considérablement les stabilités thermique et électrique du réseau AgNWs ou CuNWs. Les propriétés optoélectroniques élevées (résistance de surface 10 ohms/carré, transmittance ~ 90%) du composite AgNW / ZnO: Al les rendent très appropriés pour une application en tant que TCM, en particulier pour les dispositifs flexibles.Enfin, en tant que technique de dépôt versatile, AP-SALD est bien compatible avec la technologie des cellules solaires à hétérojonction de silicium (Si-HET) en termes de passivation d'interface. L'intégration de TCM ZnO: Al et AgNWs à la cellule Si-HET a également été explorée. / The thesis work involves the study of Indium-free Transparent Conductive Materials (TCMs), key components of many optoelectronic devices, using Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposition (AP-SALD). This new approach shares the main advantages of conventional ALD but allows open-air, very fast deposition of high-quality nanometer-thick materials over large surfaces. We focused on the optimization of the electrical properties of Aluminum doped Zinc Oxide (ZnO:Al) films, one of the most studied Transparent Conductive Oxides (TCOs). The effect of several experimental parameters on the physical properties of the deposited films has been evaluated. The carrier transport mechanism at grain boundaries was identified to be tunneling rather than thermionic emission in highly doped ZnO, thanks to a new model we have developed using the Airy Function Transfer Matrix Method. Accordingly, the electron trap density at grain boundaries for ZnO:Al samples (2.2×1020 cm-3) prepared by AP-SALD was estimated to be about 7.6×1013 cm-2. Our model shows that grain boundary scattering is the dominant scattering mechanism in our films. We found that UV assisted annealing (~ 200 °C) under vacuum was an efficient method to reduce grain boundary traps, resulting in an improvement of mobility from 1 cm2V-1s-1 to 24 cm2V-1s-1 for ZnO and to 6 cm2V-1s-1 for ZnO:Al. We have also used AP-SALD to fabricate high-performance, stable and flexible TCMs based on metallic nanowire network. For that, we developed composite electrodes by coating silver/copper nanowires (AgNWs/CuNWs) with ZnO, Al2O3, or ZnO:Al. A thin conformal coating deposited by AP-SALD technique enhanced drastically the thermal/electrical stability of the AgNWs/CuNWs network. High optoelectronic properties (resistivity ~ 10-4 Ωcm, transmittance ~ 90 %) of the AgNW/ZnO:Al composite make them very appropriate for application as TCM, especially for flexible devices.Finally, as a soft deposition technique, AP-SALD is completely compatible to the Silicon heterojunction (Si-HET) solar cell technology in terms of interface passivation. The integration of ZnO:Al and AgNWs based TCMs to Si-HET cell has also been explored.

<p>Ispitana je direktna i indirektna fotoliza alprazolama (ALP) i amitriptilina (AMI)<br />primenom UV, vidljivog&nbsp; i simuliranog sunčevog zračenja (SSZ). Takođe, praćena je stabilnost vodenih rastvora ALP i AMI u mraku.&nbsp; U okviru ispitivanja fotokatalitičke&nbsp; razgradnje ALP,ispitana je efikasnost ZnO i TiO_2&nbsp;Degussa P25 primenom UV i SSZ.&nbsp; Takođe, proučavan je&nbsp; utica jmasene koncentracije fotokatalizatora, pH, kao i<br />uticaj hvatača radikala/&scaron;upljina&nbsp; i elektron-akceptora.&nbsp; Praćen je stepen mineralizacije<br />merenjem ukupnog organskog ugljenika i primenom&nbsp; jonske hromatografije. Takođe,<br />detaljno su ispitani reakcioni intermedijeri.&nbsp; Dalje,ispitano&nbsp; je ponovno kori&scaron;ćenje ZnO u tri uzastopna procesa razgradnje ALP. U cilju praćenja citotoksičnosti ALP, ispitan je&nbsp; in vitro rast dve ćelijske linije: Neuro-2a i MRC-5. Zatim,proučavana je efikasnost sintetisanih ZnO (ZnO modifikovani mlevenjem i kalcinacijom, ZnO dopirani jonima Mg(II), ternarni i&nbsp; me&scaron;ani&nbsp; cink-kalaj-oksidi) i TiO₂&nbsp; (anatas&nbsp; TiO₂&nbsp; nedopirani&nbsp; i dopirani La(III)-jonima, brukitni TiO2) nanoprahova u razgradnji ALP primenom UV i SSZ. U okviru fotokatalitičke razgradnje AMI, ispitana&nbsp; je&nbsp; efikasnost&nbsp; razgradnje&nbsp; pri različitim eksperimentalnim uslovima&nbsp; (uticaj vrste fotokatalizatora i zračenja, masene&nbsp; koncentracije fotokatalizatora, početne koncentracije supstrata, uticaj prisustva&nbsp; kako&nbsp; hvatača radikala i &scaron;upljina, tako&nbsp; i elektron-akceptora). Praćen je stepen mineralizacije merenjem ukupnog organskog ugljenika i&nbsp; primenom&nbsp; jonske hromatografije.&nbsp; U cilju praćenja citotoksičnosti&nbsp; AMI, ispitan je&nbsp; in vitro&nbsp; rast četiri ćelijske linije: Neuro-2a, MRC-5, H-4-II-E i HT-29.&nbsp; Zatim, proučavana je efikasnost sintetisanih TiO₂/polianilin nanokompozitnih prahova, kao i&nbsp; prevlaka&nbsp; čistog TiO_2&nbsp;i WO₃/TiO₂&nbsp; u razgradnji AMI primenom UV i SSZ. Takođe, ispitan je uticaj&nbsp; strukture&nbsp; supstrata&nbsp; na efikasnost&nbsp; fotokatalitičke razgradnje kroz ispitivanje&nbsp; efikasnosti sintetisanih TiO₂&nbsp; nanoprahova dopiranih jonima W(VI), zatim me&scaron;anih&nbsp; cink-kalaj-oksid&nbsp; nanoprahova, kao i&nbsp; indijum-cink-oksid nanoprahova primenom UV i SSZ.</p> / <p>Direct and indirect photolysis of alprazolam (ALP) and amitriptyline (AMI) were studied using UV, visible,&nbsp; and simulated solar irradiation (SSI). Also, the stability of the ALP and AMI aqueous solutions in the dark were monitored. Photocatalytic degradation of ALP was studied in&nbsp; the&nbsp; presence of&nbsp; ZnO and TiO₂ Degussa&nbsp; P25&nbsp; using UV and SSI. Also, the influence of the photocatalyst&nbsp; loading, pH, as well as the influence of the radical&nbsp; and&nbsp; holes scavengers&nbsp; and electron acceptors&nbsp; were studied. The&nbsp; degree of mineralization was monitored by measuring&nbsp; of&nbsp; total organic carbon and&nbsp; using&nbsp; ion chromatography. Also, reaction intermediates were examined in detail. Further, reusabillity&nbsp; of ZnO was investigated in three consecutive degradation processes of ALP. In order to&nbsp; get insight into the&nbsp; cytotoxicity of the ALP&nbsp; and intermediates formed during photocatalytic degradation, their influence on the growth of two cell lines: Neuro-2a and MRC-5 were investigated. Then, the efficacy of synthesized ZnO (ZnO modified with milling&nbsp; and calcination, ZnO doped with Mg(II) ions, ternary and coupled binary&nbsp; tin-zinc-oxide) and TiO₂&nbsp; (anatase&nbsp; TiO₂&nbsp; undoped and&nbsp; doped&nbsp; with&nbsp; La(III) ions&nbsp; and&nbsp; brookite TiO₂) nanopowders in ALPdegradation using UV and&nbsp; SSI&nbsp; were investigated. Within the photocatalytic degradation of AMI, the&nbsp; degradation efficiency under different experimental conditions was studies (influence of the photocatalyst and irradiation type, photocatalyst&nbsp; loading, initial&nbsp; substrate concentration, the effect of the presence of radical and&nbsp; holes scavengers, and electron acceptors). The degree of mineralization was monitored by measuring&nbsp; of&nbsp; total organiccarbon and&nbsp; using&nbsp; ion chromatography.&nbsp; In order to&nbsp; study&nbsp; the cytotoxicity of AMI&nbsp; and degradation intermediates, their influence on the&nbsp; growth of four cell lines: Neuro-2a, MRC-5, H-4-II-E,&nbsp; and HT-29&nbsp; were investigated. Then, the efficacy of synthesized TiO2/polyaniline nanocomposite powders, as well as photocatalysts of pure TiO₂&nbsp; and WO₃/TiO₂&nbsp; in the form&nbsp; of&nbsp; films&nbsp;&nbsp; in AMI degradation using UV and SSI were studied. In addition, the effect of the&nbsp; substrate&nbsp; structure on the efficiency of photocatalytic degradation was studied by testing the activity&nbsp; of synthesized TiO_2&nbsp; nanopowders doped with W(VI)&nbsp; ions, then&nbsp; coupled binary tin-zinc- oxide&nbsp; nanopowders, as well as coupled binary&nbsp; indium-zinc- oxide nanopowders using UV and SSI.</p>

En raison des problèmes d'instabilité à moyen termes des cellules solaires à colorant (DSSC), l'électrolyte liquide à base d'iodure a été remplacé par plusieurs types de matériaux solides transport de trous (HTM) pour obtenir des DSSCs à l'état solide (s-DSSCs). Parmi ces matériaux, l’utilisation des polymères conducteurs(PC) a attiré une attention considérable en raison de leur bonne stabilité, de leur haute conductivité et de la facilité de leur dépôt sur le semi-conducteur mésoporeux TiO2. Dans ce travail de thèse, plusieurs s-DSSCs basées sur des PC utilisés comme HTM ont été développés dans le but d'améliorer leurs performances photovoltaïques en tenant compte des deux objectifs suivants: (i) l'optimisation des processus de transfert inter facial de charge dans la cellule solaire, et (ii) l'optimisation du transport de charge dans le semi-conducteur d'oxyde de type n. Pour atteindre ces objectifs, chaque composant de la s-DSSC a été modifié afin d'étudier son effet sur les performances du dispositif final. En première tentative, une étude analytique est réalisée en faisant varier le sensibilisateur afin de déterminer les fragments de la structure du colorant, qui ont un effet important sur le processus de photopolymérization électrochimique in-situ (PEP) à la fois en milieu organique et en milieu aqueux mais aussi sur les performances des s-DSSCs. Sur la base de ces résultats, un nouveau concept a été développé et consiste en la suppression totale de l'interface entre le colorant et le HTM. Ceci est obtenu par la synthèse de nouveaux colorants liés de façon covalente à un monomère électroactif qui est co-polymérisé par la PEP in-situ. Le copolymère résultant, utilisé comme HTM, est lié de manière covalente au colorant. En outre, la nature de la liaison chimique, reliant le résidu triphénylamine TPA au monomère, est également étudiée comme un facteur clé dans les performances de s-DSSC. En outre, et pour optimiser les processus de transport de charges dans ce type de s-DSSC, de nouvelles s-DSSC basées sur ZnO ont été réalisées et étudiées. / Due to instability problems of dye sensitized solar cells (DSSCs) in longtime uses, the iodine based liquidelectrolyte has been replaced by several types of solid hole transporting materials (HTM) to perform solidstate DSSCs (s-DSSCs). Among them, the substitution by conducting polymers (CP) has attractedconsiderable attention because of their good stability, high hole-conductivity and simple deposition withinthe mesoporous TiO2 semiconductor. In this thesis work, several s-DSSCs based on CPs used as HTM havebeen developed in order to improve their photovoltaic performances taking into account the following twoobjectives: (i) the optimization of the interfacial charge transfer processes within the solar cell, and (ii) theoptimization of the charge transport within the n-type oxide semiconductor. To reach these goals, eachcomponent that constitutes the device was varied in order to investigate its effect on the device’sperformances. As first attempt, an analytical study is carried out by varying the sensitizer in order todetermine the fragments of the dyes structures, that have an important effect on the in-situ photoelectrochemical polymerization process (PEP) both in organic and in aqueous media and hence on theperformances of the s-DSSCs. Based on these results, a new concept of removing completely the interfacebetween the dye and the HTM is developed. This is achieved by the synthesis of new dyes covalently linkedto an electroactive monomer which is co-polymerized by in-situ PEP. The resulting co-polymer, used asHTM, is covalently linked to the dye. In addition, the nature of the chemical bond linking the triphenylamineresidue TPA to the monomer is also investigated as a key factor in the s-DSSCs performances. Besides, andto optimize the charge transport processes within this type of s-DSSC, the elaboration of novel ZnO baseds-DSSCs has been achieved and investigated.

Le but de cette thèse était de concevoir des matériaux à base de nanoparticules de ZnO qui puissent être utilisés de manière efficaces comme couche de down-shifting sur la face avant des cellules solaires photovoltaiques. Le défi principal a donc été d’obtenir des nanoparticules de ZnO avec un rendement de photoluminescence (PL QY) aussi élevé que possible. Diverses méthodes ont été et comparées utilisées pour la synthèse de nanoparticules de ZnO. Nous avons en premier lieu étudié des particules synthétisées par voie physique (le dépôt par jet d’agrégats de basse énergie, LECBD). Les particules résultantes démontrent une faible PL QY. Nous avons par la suite étudié des particules commerciales qui se sont comportées comme celles issues de la LECBD. Par conséquent, nous ne les avons pas retenues. Enfin, nous nous sommes concentrés sur des particules produites par voies chimique humide: la co-précipitation de l’acétate ou du sulfate de zinc en présence d’hydroxyde alcalin. Pour chaque cas, les paramètres de synthèses ont été variés pour optimiser les propriétés optiques en vue de l’effet de down-shifting. Avec un choix approprié de la nature (Li+) et de la quantité d’ions alcalins, le PL QY a été accru à 13 %. Nos résultats reproduisent l’état de l’art concernant cette technique. Cependant, la technique par hydrolyse s’est révélée bien plus intéressante. La seule réaction d’hydrolyse n’a pas initialement conduit à des particules très brillantes. Nous avons donc proposé une approche originale : l’ajout d’un acide faible, l’acide polyacrylique (PAAH), durant la synthèse. Alors que le PAAH a déjà été utilisé comme agent passivant de la surface de ZnO, son utilisation pendant la synthèse n’a jamais été tentée. Notre travail montre que en contrôlant la quantité et le poids moléculaire (longueur de chaine) du PAAH introduit pendant la croissance, un nanocomposite hybride très efficace à base de nanoparticules de ZnO et de PAAH peut être obtenu, avec un PL QY aussi élevé que 20 %. En mélangeant le PAAH avec son sel de sodium, PAANa, le nanocomposite présente un PL QY record de 50%, qui augmente jusqu’à 70 % après un mois. Les raisons physico-chimiques de cet accroissement sont discutées dans le manuscrit. Nos explications pointent vers un effet combiné de la taille, de la morphologie et de la composition. Dans la partie suivante, des nanoparticules de ZnO pouvant être dispersées dans l’eau ont été obtenues avec succès tout en maintenant leur rendement quantique entre 20 % et 34 % ; ce en utilisant un mélange de PAAH/PAANa de ratio volumique, de concentration et de volume réactionnel optimaux. Nous insistons sur la nécessité d’obtenir un compromis entre une bonne capacité de dispersion et un fort PL QY. Cette partie de la thèse pave la voie vers des applications industrielles ultérieures.Finalement, l’effet de down-shifting des nanoparticules luminescentes de ZnO a été simulé pout déterminer le gain potentiel de rendement de cellules photovoltaïques. / In this thesis, we aim at designing mechanically stable ZnO nanoparticle based materials as a luminescent down-shifting layer that can be processed on a scalable amount and deposited on standard solar cells at a reduced cost. The main challenge was thus to get ZnO nanoparticles with as high photoluminescence quantum yield (PL QY) as possible. Different methods have been used and compared to synthesize ZnO nanoparticles. We have first studied particles synthesized by a physical route (the Low Energy Cluster Beam Deposition relying on the adiabatic expansion of a plasma). The resulting particles did not exhibit a PL QY high enough to be interesting for down-shifting. We next investigated commercial particles which behaved as the LECBD ones. We consequently discarded them. Eventually, we concentrated on nanoparticles produced by wet chemistry. Two routes were explored: the conventional co-precipitation method of Zn acetate or sulfate in presence of an alkaline hydroxide and the hydrolysis of ZnEt2. For both cases the synthesis parameters have been tuned to optimize the optical properties for down-shifting process. When appropriately choosing the alkaline ion (Li+ instead of K+) nature and amount, the PL QY has been increased to 13 % in the co-precipitation method. Our results reproduce the state-of-the-art knowledge concerning this technique. The hydrolysis route proved to be even more interesting. The sole hydrolysis reaction did not lead to very bright particles. We have thus proposed an original strategy: the addition of a weak acid, the polyacrylic acid (PAAH) during the synthesis. If PAAH has been used previously as a passivating capping agent of ZnO, its use during the synthesis has never been tempted. Our work shows that by tuning the amount and molecular weight (chain length) of PAAH introduced during the synthesis, a very efficient hybrid nanocomposite consisting of ZnO nanopaerticles in a PAAH matrix can be obtained with PL QY as high as 20 %. When mixing PAAH to its sodium salt PAANa, the nanocomposite exhibits record values of PL QY of 50 %, increasing to 70 % over a month. The physico-chemical reasons for this enhancement are discussed in the manuscript. Our explanations point to a combined effect of the size, morphology and composition. In the subsequent part, ZnO NPs dispersible in water have been successfully achieved while maintaining their PL QY high, between 20 % - 34 %, using a PAAH/PAANa mixture at the optimal volume ratio, concentration, lengths and volume. We highlight the need to get a compromise between a good dispersibility and a high PL QY. This part of the thesis paves the way for the further industrial applications. Finally, the down-shifting effect of luminescent ZnO nanoparticles on solar cells has been simulated to obtain a potential enhancement of solar cell efficiency by the ZnO NPs down-shifting layer.