L'optimisation du positionnement de nanoparticules d'or dans le TiO₂ améliore l'efficacité des cellules solaires à colorant sensibilisé

Résumé

Nous avons fabriqué des photoanodes TiO₂ incorporant des nanoparticules d'or (AuNP) dans une architecture empilée contrôlée, en déposant séquentiellement de la pâte TiO₂ et des solutions d'AuNP sur du verre indium-étain-oxyde (ITO). En variant la concentration d'AuNP à chaque couche, nous avons exploré comment la distribution spatiale des AuNP dans la matrice TiO₂ influence l'absorption optique et la performance du dispositif. L'absorption plasmonique améliorée et la sortie photovoltaïque les plus prononcées ont été observées lorsqu'une couche dense d'AuNP (≈1,3 µg cm⁻²) était positionnée près de la profondeur de pénétration du TiO₂ correspondant au pic d'absorption du colorant N719 (~520 nm). Dans cette configuration, la densité de courant de court-circuit (Jsc) est montée à 10,8 mA cm⁻² et l'efficacité de conversion d'énergie (η) a atteint 5,0 % — une amélioration de 15 % et 11 % par rapport aux cellules de référence sans AuNP. Ces résultats confirment que le placement délibéré d'AuNP dans le TiO₂ est une stratégie critique pour maximiser la performance des cellules à colorant sensibilisé (DSSC).

Contexte

Les cellules solaires à colorant sensibilisé (DSSC) sont reconnues depuis longtemps pour leur fabrication peu coûteuse, évolutive et respectueuse de l'environnement. Néanmoins, leurs efficacités de conversion de puissance restent inférieures à celles des technologies pérovskite, couches minces et silicium cristallin. Les méthodes traditionnelles pour augmenter l'absorption, comme l'épaississement de la couche TiO₂, augmentent involontairement la recombinaison électronique. La nanophotonique offre une alternative : les nanoparticules métalliques génèrent des résonances plasmoniques de surface localisées qui amplifient le champ électromagnétique local et diffusent la lumière, étendant ainsi le chemin optique dans la cellule. Les nanoparticules d'or et d'argent sont privilégiées car leurs résonances plasmoniques se situent dans le spectre visible où la plupart des colorants absorbent. Bien que de nombreuses études aient démontré des améliorations plasmoniques, la distribution optimale en profondeur des AuNP dans l'échafaudage TiO₂ reste inexplorée. Comme l'or et l'argent sont coûteux, un placement judicieux pourrait réduire l'utilisation de matériau tout en maximisant la performance.

Matériaux et Méthodes

Synthèse des AuNP

Des AuNP de 20–90 nm ont été synthétisés par le protocole de Turkevich. Une solution HAuCl₄ à 0,01 % pds a été bouillie, et du citrate de trisodium a été ajouté pour nucléer les particules. Une croissance ultérieure médiée par graines a produit des particules de 40 nm, 60 nm et 90 nm. Après centrifugation, les AuNP ont été dispersés dans un mélange solvant 1:10 (eau:éthanol) pour le dépôt. Pour les particules de 20 nm, une enveloppe SiO₂ de 20 nm a été cultivée via la méthode de Stöber pour supprimer la recombinaison de charge.

Fabrication du photoanode

Du verre ITO (résistance de feuille ≈10 Ω □⁻¹) a été nettoyé et enduit de pâte TiO₂ par sérigraphie. Chaque couche (~1,1 µm d'épaisseur) a été cuite à 450 °C pendant 15 min. Les AuNP ont été déposés par goutte sur la surface TiO₂ recuite et séchés à l'air ; le poids d'AuNP dans la solution a été mesuré pour contrôler la densité. En répétant le dépôt TiO₂ et AuNP, nous avons créé des structures empilées avec des couches AuNP à des profondeurs prédéterminées. Une cuisson finale à 500 °C pendant 30 min a consolidé les couches. Le chargement en colorant impliquait de tremper le photoanode dans du N719 0,3 mM (éthanol) pendant 20 h à 25 °C. Les contre-électrodes ont été préparées en déposant 2 mg mL⁻¹ de précurseur Pt sur verre TCO, suivi d'un recuit à 400 °C pendant 30 min. Les cellules ont été assemblées avec un espaceur Himilan de 50 µm et scellées avec un verre de couverture. L'électrolyte (0,05 M I₂, 0,05 M LiI, 0,6 M DMPII, 0,5 M TBP dans l'acétonitrile) a été introduit sous vide pour remplir la cavité.

Caractérisation

Les spectres d'absorption UV-Vis ont été enregistrés (100 mW cm⁻², AM 1,5). La MET a vérifié des AuNP monodisperses, sphériques. La MEB a examiné la morphologie de surface. L'épaisseur du TiO₂ a été mesurée par un profileur de surface. Les courbes J-V et les spectres IPCE ont été obtenus avec un système spectroscopique calibré avec une surface active de 0,05 cm².

Résultats et Discussion

Effets de la taille des AuNP

Les spectres d'absorption ont confirmé le décalage vers le rouge attendu avec l'augmentation de la taille des AuNP, tandis que les images MET ont vérifié la monodispersité jusqu'à 60 nm. Les DSSC incorporant des AuNP de 40 nm ont exhibé les plus grandes améliorations (≈45 % d'augmentation du Jsc) sans compromettre V_oc ou FF. Les particules plus petites de 20 nm nécessitaient une passivation SiO₂ pour éviter les pertes de V_oc, probablement dues à la recombinaison à la surface métallique.

Densité et position optimales des AuNP

Dans un film TiO₂ de 6 µm, la densité d'AuNP par couche a été variée de 0 à 5,4 µg cm⁻². Jsc et η ont culminé à 1,3 ou 2,7 µg cm⁻² ; au-delà, l'agrégation a réduit les bénéfices plasmoniques et bloqué la lumière incidente. Les mesures d'absorbance ont révélé que positionner la couche AuNP près de 4,0 µm de la surface ITO — coïncidant avec la profondeur d'absorption à 520 nm du N719 — maximise l'amélioration du champ lumineux et l'IPCE. Les incréments IPCE s'étendaient de 350 à 750 nm, culminant près de 520 nm, reflétant directement l'amélioration de l'absorption.

Multiples couches d'AuNP

En insérant des couches AuNP à 1,1, 2,2 et 3,3 µm (P1–P3), nous avons exploré les effets cumulatifs. La configuration avec une couche haute densité (1,3 µg cm⁻²) à P3 et des densités plus faibles (0,65 µg cm⁻²) à P1 et P2 a fourni la meilleure performance : Jsc = 10,8 mA cm⁻², η = 5,0 % — un gain de 15 % et 11 % par rapport à la référence. Cela suggère qu'une couche AuNP à haute densité doit résider à la profondeur de pénétration du pic d'absorption du colorant, tandis que des densités modestes près de la face avant de la cellule atténuent les pertes de diffusion.

Conclusions

Notre étude systématique démontre que le positionnement stratégique des AuNP dans les couches TiO₂ — en les concentrant spécifiquement à la profondeur où la lumière à 520 nm est entièrement absorbée — produit la plus grande amélioration plasmonique dans les DSSC. Des couches AuNP à faible densité près de la surface illuminée améliorent davantage la performance en améliorant le couplage lumineux sans induire de recombinaison significative. Ces insights soulignent l'importance du contrôle de la distribution des nanoparticules pour des cellules solaires à colorant sensibilisé rentables et à haute efficacité.