Nanoparticles based on titanium oxide by laser pyrolysis : synthesis, properties and photovoltaic application

Ce travail concerne le domaine des cellules solaires sensibilisé à colorant à l’état solide et plus particulièrement le développement de nouvelles électrodes poreuses de TiO2 à base de nanocristaux synthétisés par pyrolyse laser. Deux types de poudres à base de TiO2 ont été synthétisés : TiO2 dopé à l’azote avec une teneur en azote contrôlée et des nanocomposites TiO2/MWNTC (Multi Wall Carbon Nanotubes). Dans le premier cas, le rendement des cellules élaborées varie en fonction de la teneur en N dans la poudre, cet effet étant relié à la localisation des atomes d’azote au sein du TiO2. Le dopage conduit à une augmentation du taux de recombinaison des charges. Cet effet limitant pour les performances, est partiellement compensé par une augmentation de la conductivité électrique avec le taux d’azote. Pour des taux de dopage modérés, les rendements des cellules sont ainsi sensiblement améliorés par rapport aux cellules à base de TiO2 non dopé. Concernant les nanocomposites TiO2/MWNTC, la synthèse par pyrolyse en une étape à partir d’une suspension contenant des MWCNT conduit à une dispersion très homogène des nanotubes au sein de la poudre de TiO2. La méthode favorise de plus l’enrobage des nanotubes par les particules d’oxyde, conduisant à des interactions électroniques efficaces. Les cellules solaires élaborées à partir de ce composite présentent des rendements améliorés de près de 20% par rapport aux cellules de référence. Cette amélioration est principalement attribuée à un drainage des charges photo-générées vers les électrodes favorisé en présence des nanotubes qui s’accompagne d’une réduction sensible des phénomènes de recombinaison.This work is related to the development of new TiO2 porous photo-electrodes based on nanopowders synthesized by laser pyrolysis for application in solid-state dye-sensitized solar cells. Two different types of TiO2 powders were synthesized: TiO2 nanoparticles doped with different levels of nitrogen, and TiO2/MWNTC (Multi Wall Carbon Nanotubes) nanocomposites. In the first case, the efficiency of the solar cells is dependent on the nitrogen amount in the powder, in relation with the localization of the dopants in the TiO2 structure. High nitrogen contents are associated with high defect densities at the TiO2 nanoparticle surface, leading to intense charge recombination. Although this effect limits the performance of the cells, it can be counterbalanced by an increased electrical conductivity due to the presence of N atoms. Finally, for moderate doping levels, the incorporation of nitrogen can improve the efficiency of the cells, compared to reference devices. Regarding the use of TiO2/MWNTC nanocomposites, the one step synthesis by laser pyrolysis from a precursor mixture including MWNTC leads to nanopowders where nanotubes appear very homogeneous dispersed of. The nanotubes are also highly coated with TiO2 particles, improving their electrical interactions with the TiO2 particles. The efficiencies of the solar cells made from such composites are found to be 20% larger than that of reference cells. This improvement is mainly attributed to faster charge collection and reduced charge recombination rates