Compréhension et optimisation des mécanismes de transport dans les cellules tandem perovskite sur hétérojonction de silicium

par Apolline Puaud

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Anis Jouini et de Delfina Munoz.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de I-MEP2 - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production , en partenariat avec CEA Bourget du Lac/INES-RDI/DTS/SMCP/LHET (laboratoire) depuis le 02-10-2017 .


  • Résumé

    Dans le contexte de la montée en puissance du Photovoltaïque (PV), la question du coût reste centrale. En effet, le prix de revient de l'électricité produite par cette technologie n'est pas encore très compétitif par rapport aux énergies conventionnelles. Il est donc indispensable que la recherche sur le PV prenne en compte la réduction des coûts de production des modules photovoltaïques en portant son attention sur des démarches innovantes. La stratégie actuelle s'articule autour de deux grandes voies : l'augmentation du rendement des cellules PV et la diminution des coûts liés à la matière première. Cependant, à l'heure actuelle, le rendement des cellules à base de silicium en simple jonction atteint au maximum 26 % et s'approche de la limite théorique. Au sein du CEA-LITEN à INES, la structure tandem associant une cellule à base de pérovskite hybride (CH3NH3PbI3) avec une cellule silicium à hétérojonction est à l'étude. Cette structure permettrait d'atteindre des rendements supérieurs à 30% avec des procédés ayant déjà démontré des coûts de fabrication raisonnables. Chacune des deux sous cellules présentent de très grands avantages. Le grand défi maintenant est d'associer les deux sous cellules et d'atteindre des hauts rendements sur de grandes surfaces avec une bonne stabilité. L'objectif des travaux de thèse proposés visent la compréhension des mécanismes de transport, la caractérisation avancée et la simulation des cellules photovoltaïques tandem qui permettront ensuite la fabrication des dispositifs jusqu'à la validation en cellule/module. ? Compréhension des modes de transport des charges : soit par effet tunnel ou bien par diffusion. ? Caractérisation avancée : mesure de la réponse I-V pour connaitre le rendement de la cellule (Voc, Isc, FF) ; mesure des durées de vie des porteurs de charges par photo-conductance et mesure de photoluminescence afin de caractériser l'interface et le volume pour identifier les défauts et déterminer les mécanismes de recombinaison ; mesure du rendement quantique par réponse spectrale; ? Simulation : choix des couches et de leurs épaisseurs, paramètres des défauts d'interface ou du volume des couches et enfin la simulation de la cellule complète.

  • Titre traduit

    Caracterization and optimization of carrier transport mecanisms into tandem solar cells made of perovskite and silicium heterojunction


  • Résumé

    Worldwide Photovoltaic (PV) energy production is gaining momentum with important capacity added every year but cost of the entire value chain is still critical. The leverage cost of electricity produced with PV is not yet always the most competitive against conventional sources of energy. So the Research & Development institutes have to work on the way to reduce the cost of ingot, cell and module manufacturing by introducing innovation. The current strategy is mainly oriented in 2 paths: increase of PV cell efficiency and decrease of the costs linked to the materials (decrease consumption and substitute to lower cost materials). As of today, the efficiency of simple junction cells based on silicon material reach a maximum of 26% very close to the theoretical limit. Therefore CEA LITEN at INES is studying new structures of cells in tandem associating a top cell based on hybrid perovskite (CH3NH3PbI3) with a bottom cell based on a silicon heterojunction. This new architecture is capable to harvest a larger spectral range of the sun and would permit to reach conversion efficiency above 30% with lower cost proven processes. Each sub-cell presents by itself several advantages. The challenge is now to assemble the 2 sub-cells monolithically on large substrate surfaces along with stable performances. The objectives of the thesis are focused on the study of the charge transport mechanisms into the devices, perform advanced characterization with simulation of tandem PV cells, followed by the fabrication of demonstration devices until functional tandem cells and modules. ? Characterize and understand Charge transport mechanisms: either by tunnel effect or by diffusion. ? Advanced characterization: I-V measurement response in order to determine cell conversion efficiency (Voc, Isc, FF); charged carrier lifetime measurement by photo-conductance and photoluminescence measurements in order to characterize interface and volume effects and identify the defects, recombination mechanisms; determine quantum efficiency by spectral response measurement. ? Simulation: select layers properties and thickness, interface and layer volume defect parameters, individual cells and finally full tandem cell simulation.