S. Hardman1, D. Graham1, B. Spencer1, W. R. Flavell1, D. Binks1, F. Sirotti2, M. El Kazzi2, M. Silly2, J. Aktar3, M. A. Malik3 and P O'Brien3
1 School of Physics and Astronomy, University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL
2 TEMPO beamline, Société civile Synchrotron SOLEIL, L'Orme des Merisiers, Saint-Aubin - BP 48, 91192 Gif-sur-Yvette, France
3 School of Chemistry, University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL
Les cellules photovoltaïques hybrides combinent les propriétés de collecte de la lumière et de transport de charges des semiconducteurs et des particules d’oxydes métalliques avec celles des polymères semiconducteurs. Les cellules n’utilisant que des polymères semiconducteurs n’absorbent pas efficacement le rouge, sont instables à long terme et ont un temps de recombinaison très court. Au contraire, les nanoparticules peuvent avoir une bonne photostabilité, des temps de recombinaison longs et un seuil d’absorption qui peut être ajusté en contrôlant leur taille, afin d’optimiser l’extraction d’énergie du spectre solaire. Les nanoparticules de sulfure de plomb, PbS, sont d’excellents candidats pour les dispositifs photovoltaïques en particulier parce que l’on a démontré que leur seuil d’absorption pouvait être ajusté pour couvrir la quasi-totalité de la région visible /IR proche, ce qui en fait d’excellents éléments photo absorbeurs pour les cellules solaires. La variation de la largeur de bande interdite des nanoparticules de PbS par rapport à celle du PbS massif vient du décalage des bandes de valence et de conduction dû aux effets de confinement quantique. Il est essentiel de bien connaître la position de ces bandes pour pouvoir concevoir de façon rationnelle des cellules solaires efficaces. C’est pourquoi nous avons utilisé la ligne de lumière TEMPO du synchrotron SOLEIL pour étudier par spectroscopie de photoélectrons X mous la structure électronique de nanoparticules de PbS encapsulées dans le butylamine.
Les figures comparent les spectres de la bande de valence et des niveaux de cœur de nanoparticules de PbS encapsulées dans le butylamine avec ceux de monocristaux de PbS et de nanoparticules de PbS encapsulées dans le 4-éthylpyridine obtenus auparavant. L’énergie de liaison du bord de la bande de valence correspond à la différence d’énergie entre la bande de valence et le niveau de Fermi du composé. En combinant cette valeur avec celle de la bande interdite, nous pouvons déduire que l’échantillon massif et les nanoparticules encapsulées dans le butylamine sont des semiconducteurs de type n, alors que les particules encapsulées dans le 4-éthylpryridine sont de type p. Cette différence à un impact important sur le rôle joué par les nanoparticules dans des cellules photovoltaïques. Les spectres des niveaux de cœur permettent de voir que l’échantillon massif ne contient que du PbS alors que l’échantillon de nanoparticules de PbS encapsulées dans le 4-éthylpyridine contient, en outre une forte proportion de Pb et de S neutres. L’échantillon de nanoparticules encapsulées dans le butylamine contient essentiellement du PbSO4 ainsi qu’une faible proportion de composés comme PbS, PbS2O3 et PbSO3. Les spectres d’XPS qui sont présentés montrent clairement que la composition chimique des nanoparticules de PbS est bien plus complexe que celle du matériau massif et que la nature de groupe d’encapsulation semble modifier fortement la position des niveaux d’énergie, la composition des nanoparticules et leur stabilité sous l’effet de photons de haute énergie. Le choix du groupe d’encapsulation est donc un facteur essentiel dans la conception des cellules photovoltaïques.
