Etude par spectroscopies optiques femtosecondes des dynamiques ultrarapides dans les matériaux à conversion d'énergie solaire

par Carolina Villamil Franco

Projet de thèse en Chimie

Sous la direction de Thomas Gustavsson.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    Depuis plusieurs années, les matériaux pérovskites hybrides organiques-inorganiques suscitent un engouement remarquable dans le domaine de la photovoltaïque. Leurs propriétés optiques et électroniques exceptionnelles [1] leur permettent notamment une conversion efficace énergie lumineuse/courant électrique, intéressant non seulement pour le développement de cellules solaires nouvelles mais aussi pour la réalisation de photodétecteurs, diodes électroluminescentes et lasers performants [3]. L'objectif de cette thèse est d'examiner en détail les dynamiques ultrarapides des porteurs de charge photocréés dans les matériaux pérovskites hybrides à structure lamellaire (2D) et 3D. Il s'agira à la fois de comprendre les mécanismes de dissociation des excitons créés suite à l'absorption de photons et d'étudier des processus fondamentaux capables d'augmenter le rendement des cellules photovoltaïques au-delà de la limite théorique [4]. Ce projet visera en particulier à pallier les pertes dues à l'absorption des photons solaires de haute énergie (c.-à-d. plus grande que celle du gap du matériau semi-conducteur) en étudiant les transferts de porteurs chauds (limitation des pertes sous forme de chaleur) et la multiplications d'excitons par fission (augmentation du courant récolté) [5]. Ces études inédites seront menées à l'aide de techniques d'analyse pointues possédant des résolutions temporelles inférieures à la centaine de femtosecondes (1 fs = 10-15 s). Dans un premier temps, le doctorant sera amené à participer au montage et développement de deux techniques de spectroscopie optique femtoseconde complémentaires (financement ANR, projet « CaMPUUS » 2016-2019) : • l'absorption transitoire avec une très grande sensibilité et une résolution temporelle inférieure à 100 fs ; • la spectroscopie électronique bidimensionnelle bicolore UV/visible, avec une résolution de 10 fs [6]. Ensuite, en utilisant ces deux expériences, le doctorant étudiera les processus ultrarapides se produisant dans les structures pérovskites hybrides avant relaxation (< 100s fs), dont la multiplication d'excitons qui pour la première fois sera étudiée en temps réel.

  • Titre traduit

    Ultrafast dynamics in materials for solar energy conversion studied by femtosecond optical spectroscopies


  • Résumé

    For the last few years, hybrid organic-inorganic perovskites have emerged as extremely promising materials for solar cell applications. Thanks to the exceptional optical and electronic properties of these materials [1], conversion of sun light to electricity in perovskite solar cell surpasses today the 20 % efficiency [2]. In addition, perovskite materials have led to great advances in the development of more performant photodetectors, electroluminescent diodes and lasers [3]. The objective of this thesis is to examine in great details the ultrafast dynamics of photocreated charge carriers in various perovskite nanostructures. It will aim to understand the mechanism of exciton dissociation following the absorption of a photon and to study fundamental processes capable to enhance the solar cell efficiency well beyond the single junction limit [4]. In particular, the idea of this project is to overcome the energy losses due to the absorption of high energy solar photons (e.g. with energy larger than the bandgap of the optically active material) by studying “hot” charge transfers (excess of energy not lost as heat) and exciton multiplication (increase of the electric current) [5]. To perform such studies, specific technics are required involving temporal resolution below one hundred femtoseconds (1 fs = 10-15 s). First, the PhD student will take part in the development of two femtosecond spectroscopy apparatus (founding: ANR project “CaMPUUS”, 2016-2019): • a femtosecond transient absorption setup with high sensitivity and temporal resolution <100 fs, • a UV/visible two-dimensional electronic spectroscopy technique with a resolution of about 10 fs [6]. Then, with these cutting edge techniques, the PhD student will study the ultrafast processes occurring in hybrid perovskite nanostructures before relaxation, in particular the exciton multiplication, which will be studied in real time for the first time.