Développement de cellules solaires pérovskites semi-transparentes de type P-I-N dans la perspective d'une application tandem

Development of semi-transparent P-I-N typeperovskite solar cells with the prospect of a tandem application

• Auteur / Autrice : Thibault Lemercier
• Direction : Lionel Flandin, Lara Perrin, Émilie Planès, Solenn Berson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 04/12/2020
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....) - Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Fannie Alloin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Jacques Simon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mireille Richard-Plouet, Frédéric Sauvage

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pérovskites

Photopiles

Mots clés libres

Pérovskite

Semi-Transparent

Simple jonction

Type P-I-N

Perovskite

Semi-Transparent

Single junction

P-I-N-Type

Résumé

Le cœur de cette thèse expérimentale porte sur l’élaboration et le développement de cellules solaires pérovskites en simple jonction et ce, essentiellement dans la structure de type P-I-N, i.e. avec l’ordre des dépôts (par spin coating) suivant : couche de transport de trous / couche pérovskite / couche de transport d’électrons. Le fort potentiel des matériaux pérovskites dans le photovoltaïque et en particulier pour des applications tandems (avec silicium, notamment) a orienté cette thèse vers l’objectif d’aboutir à des dispositifs pérovskites dans une configuration semi-transparente. Les travaux réalisés portent donc sur deux axes majeurs, chacun réalisés avec deux matériaux pérovskites différents, à savoir la pérovskite CH3NH3PbI3{Cl} puis la pérovskite (CH(NH2)2)1-yCsyPb(I1-xBrx)3, dont l’évolution se caractérise par de meilleures efficacités, stabilités et reproductibilités.Le premier axe est consacré à la mise en œuvre de cellules solaires opaques en s’intéressant notamment à la cristallisation de la couche pérovskite sur la couche de transport de trous. Ceci a été effectué en fonction de la nature de cette dernière, des paramètres relatifs à l’utilisation de l’anti-solvant et de ceux relatifs au recuit thermique de la couche pérovskite.Enfin le second axe majeur traite de l’adaptation de ces dispositifs opaques en dispositifs semi-transparents via, d’abord, l’optimisation de l’interface de type N et, ensuite, l’intégration d’une électrode transparente conductrice. La compatibilité de cette électrode avec ces dispositifs pérovskites et les caractéristiques photovoltaïques de ces derniers dans la configuration semi-transparente ont également été investiguées.

The heart of this experimental PhD work deals with the development of single junction perovskite solar cells in the P-I-N-type structure, i.e. with the following deposition order (by spin coating): hole transport layer / perovskite layer / electron transport layer. The great potential of perovskite materials in photovoltaics and particularly in tandem applications (with silicon, notably) head towards the purpose to results in semi-transparent perovskite solar cells. Investigations are divided in two major axes, each one realized with two different perovskite materials, namely CH3NH3PbI3{Cl} perovskite then (CH(NH2)2)1-yCsyPb(I1-xBrx)3 perovskite the evolution of which is characterized by better efficiency, stability et reproducibility. The first axis is dedicated to the elaboration of opaque perovskite solar cells with a special focus on the perovskite layer crystallization upon the hole transport layer. This is achieved by varying the nature of the latter, the parameters related to the anti-solvent utilization and those related to the thermal annealing of the perovskite layer. Lastly, the second axis deals with the change of the opaque perovskite devices into semi-transparent ones via, firstly, the optimization of N-type interface and, secondly, the integration of a conductive transparent electrode. The compatibility of this electrode regarding these perovskite devices and the photovoltaic characteristics of the latter in semi-transparent configuration are also investigated.