Analysis of Current-Voltage Hysteresis and Ageing Characteristics for CH3NH3PbI3-xClxBased Perovskite Thin Film Solar Cells

par Heejae Lee

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Yvan Bonnassieux.

Le président du jury était Emmanuelle Deleporte.

Le jury était composé de Yvan Bonnassieux, Patrick Chapon, Philippe Lang, Bernard Geffroy, Ruediger Berger.

Les rapporteurs étaient Jef Poortmans, Johann Bouclé.

  • Titre traduit

    Analyse de l'hystérésis de courant-tension et des caractéristiques de vieillissement pour les cellules solaires à couche mince de perovskite à base de CH3NH3PbI3-xClx


  • Résumé

    Les perovskites organiques-inorganiques en halogénures de plomb sont des matériaux très prometteurs pour la prochaine génération de cellules solaires avec des avantages intrinsèques tels que leur faible coût de fabrication (grande disponibilité des matériaux de base et leur mise en œuvre à basse température) et leur bon rendement de conversion photovoltaïque. Cependant, les cellules solaires pérovskites sont encore instables et montrent des effets d'hystérésis courant-tension délétères. Dans cette thèse, des résultats de l’analyse physique de couches minces de pérovskite à base de CH3NH3PbI3-xClx et de cellules solaires ont été présentés. Les caractéristiques de transport électrique et les processus de vieillissement ont été étudiés avec différentes approches.Dans une première étape, la synthèse du matériau pérovskite a été optimisée en contrôlant les conditions de dépôt des films en une seule étape telles que la vitesse de rotation (6000 rpm) de la tournette et la température de recuit des films (80 °C). Dans un second temps, des cellules solaires perovskites à base de CH3NH3PbI3-xClx ont été fabriquées en utilisant la structure planaire inversée et caractérisées optiquement et électriquement.Grace à l’utilisation de la spectroscopie optique à décharge luminescente (GDOES), un déplacement des ions halogénures a été observé expérimentalement et de façon directe sous l’application d’une tension électrique. Une longueur de diffusion ionique de 140 nm et un rapport de 65% d'ions mobiles ont été déduits. Il est montré que l'hystérésis courant-tension dans l'obscurité est fortement affectée par la migration des ions halogénures provoquant un écrantage substantiel du champ électrique appliqué. Nous avons donc trouvé sous obscurité un décalage de la tension à courant nul jusque 0,25 V et un courant de fuite jusque 0,1 mA / cm2 en fonction des conditions de mesure. Grâce aux courbes courant-tension en fonction de la température, nous avons déterminé la température de transition de la conductivité ions/électrons à 260K et analysé les résultats expérimentaux en utilisant l'équation de Nernst- Einstein donnant une énergie d'activation de 0.253 eV pour les ions mobiles.Enfin, le processus de vieillissement de la cellule solaire a été étudié avec des mesures optiques et électriques. Nous avons déduit que le processus de vieillissement apparaît d'abord à la surface des cristaux de pérovskite ainsi qu’aux joints de grains. Les mesures GDOES nous indiquent que les caractéristiques électriques des cellules pérovskites sont perdues par une corrosion progressive de l'électrode supérieure en argent causée par la diffusion des ions iodures.


  • Résumé

    Organic-inorganic lead halide perovskites are very promising materials for the next generation of solar cells with intrinsic advantages such as a low-cost material due to the availability of source materials and low-temperature solution processing as well as a high power conversion efficiency of the sunlight. However, perovskite solar cells are still unstable and show deleterious current-voltage hysteresis effects. Inthis thesis, analyses of CH3NH3PbI3-xClx based perovskite thin films and solar cells are presented. The electrical transport characteristics and the ageing processes are investigated using different approaches.The synthesis of the halide perovskite materials is optimized in a first step by controlling the deposition conditions such as annealing temperature (80°C) and spinning rate (6000 rpm) in the one step-spin-casted process. CH3NH3PbI3-xClx based perovskite solar cells are then fabricated in the inverted planar structure and characterized optically and electrically in a second step.Direct experimental evidence of the motion of the halide ions under an applied voltage has been observed using glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES). Ionic diffusion length of 140 nm and ratio of mobile iodide ions of 65 % have been deduced. It is shown that the current-voltage hysteresis in the dark is strongly affected by the halide migration which causes a substantial screening of the applied electric field. Thus we have found a shift of voltage at zero current (< 0.25 V) and a leakage current (< 0.1 mA/cm2) in the dark versus measurement condition. Through the current-voltage curves as a function of temperature we have identified the freezing temperature of the mobile iodides at 260K. Using the Nernst-Einstein equation we have deduced a value of 0.253 eV for the activation energy of the mobile ions.Finally, the ageing process of the solar cell has been investigated with optical and electrical measurements. We deduced that the ageing process appear at first at the perovskite grain surface and boundaries. The electrical characteristics are degraded through a deterioration of the silver top-electrode due to the diffusion of iodides toward the silver as shown by GDOES analysis.


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