To answer the growing energy needs around the globe, novel materials and structures are being investigated to fabricate photovoltaic (PV) cells. Different types of nanostructures are being incorporated in PV cells to increase their performance since these structures can be tailored to answer specific needs related for example to larger light absorption wavelength range or very high electrical conductivity. However, complex fabrication processes hinder the development of this technology. In this work we propose the use of a 3-D carbon nanotube (CNT) network grown directly from a metallic substrate and decorated with CdSe nanoparticles (NPs) acting as the photoactive electrode for a PV cell. Simple fabrication methods that require no wet chemistry have been chosen to diminish waste and avoid the difficulties inherent to dispersing nanomaterials in liquids. More specifically, in a vacuum chamber, a CdSe target is irradiated using a high energy nanosecond pulsed Nd:YAG laser to form an expanding vapor plume that subsequently condenses into NPs which are deposited on the desired substrate. CdSe NPs between 2 and 6 nm in diameter were produced, in the two common crystalline phases for CdSe, hexagonal (wurtzite) and cubic (sphalerite). The composition of the NPs was 54% atomic Cd and 46% atomic Se. It was observed that the size of the NPs increases with increasing pressure from 0.1 to 4620 Pa, but the laser fluence, from 0.48 to 2.36 J/cm^2, had no impact on the size of the NPs. Light absorption spectroscopy suggested that the NPs produced had a large size distribution. Coating the CNTs with CdSe for different amounts of time, from 100 s to 90 min, produced CNTs with a CdSe coating only a few nanometers thick up to two micrometers. Photoelectrochemical measurements using this heterogeneous nanostructure as the working electrode revealed that the CdSe coating was slightly photoactive. However, due to insufficient photocurrent generated, no power could be drawn from this cell. The first problem found was an interaction between the CNTs and the solution which caused variability in the cell. The second problem was a very large dark current which may be attributed to leaking of electrons from the CdSe to the solution due to a large resistance for transport of electrons to the outer electrial circuit. / Afin de répondre à nos besoins énergétiques grandissants, de nouveaux matériaux et de nouvelles structures sont en développement dans le but de fabriquer des cellules photovoltaïques (PV). Plusieurs nanostructures sont intégrées dans ces cellules PV pour augmenter leur performance. Ces nanostructures peuvent répondre à des besoins spécifiques tels qu'un spectre d'absorption de la lumière plus large ou une plus grande conductivité électrique. Par contre, des processus de fabrication complexes empêchent le développement de cette technologie. Dans ce projet, nous proposons l'utilisation d'une structure 3D de nanotubes de carbone (NTCs), synthétisés directement sur un substrat métallique, et décorés par des nanoparticules de CdSe. Des méthodes simples de fabrication qui ne font pas appel à la chimie en solution ont été choisies afin de diminuer les déchets chimiques et éviter les difficultes inhérentes à la dispersion de nanomatériaux en solution. Dans une chambre à vide, une cible faite en CdSe est irradiée par un laser pulsé Nd:YAG haute énergie menant à la formation d'une plume en expansion contenant du Cd et du Se. Les atomes à l'intérieur de la plume se condensent pour former des nanoparticules qui se déposent par la suite sur le substrat désiré. Les nanoparticules de CdSe obtenues ont un diamètre entre 2 et 6 nm et se retrouvent dans les deux phases crystallines typiques au CdSe soit hexagonale (wurtzite) et cubique (sphalerite). La composition des NPs est de 54% atomique pour le Cd et 46% atomique pour le Se. Il a été observé que les NPs augmentent de taille lorsque la pression durant l'ablation de la cible est augmentée entre 0.1 et 4620 Pa. Cependant, cette taille n'est pas influencée par des changements dans la fluence de l'impulsion entre 0.48 et 2.36 J/cm^2. Les spectres d'absorption de la lumière des NPs indiquent une large distribution de tailles des NPs produits. En recouvrant les NTCs avec des NPs de CdSe pendant différentes périodes de temps allant de 100 s à 90 min, des NTCs recouverts d'une monocouche de NPs de CdSe jusqu'à une couche micrométrique sur les NTCs ont été fabriqués. Cette nanostructure a été testée dans une cellule photoélectrochimique (PEC). Ces mesures ont révélé que la couche de CdSe sur les NTCs est photoactive mais dû à certains problèmes dans la cellule, une quantité insuffisante de courant a été produit par ce système pour qu'il puisse être utilisé en tant que cellule photovoltaïque. Premièrement, une interaction entre les NTCs et la solution ont causé des instabilités dans la cellule ne permettant pas la reproductiblité dans les mesures effectuées. Deuxièmement, le courant obtenu sans illumination de la cellule était très élevé. Ce courant pourrait provenir d'une fuite indésirée d'électrons de la couche de CdSe vers la solution due à une résistance électrique trop élevée des électrons vers le circuit électrique de la cellule PEC.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.117070 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Jorge, Larissa |
| Contributors | Jean-Luc Meunier (Internal/Cosupervisor2), Sylvain Coulombe (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Engineering (Department of Chemical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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