Hétérostructures et cellules tandem à base de silicium et de nouveaux absorbeurs pérovskites

par Aleksandra Bojar

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Jean-Paul Kleider et de Philip SCHULZ.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Génie électrique et électronique de Paris (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Le photovoltaïque (PV) apparaît comme une des solutions les plus pertinentes pour la production d'électricité dans le contexte actuel de réchauffement climatique et de recherche de solutions durables et à faible empreinte écologique. Alors que le marché du photovoltaïque est en forte et constante progression, les recherches visent comme double objectif l'augmentation de l'efficacité de conversion de l'énergie et la baisse des coûts de production. Ceci est en ligne avec la feuille de route '30-30-30' initiée par l'Institut Photovoltaïque d'Ile de France (IPVF) et soutenue par 10 autres instituts dans le monde, qui a été publiée au cours de la COP21; celle-ci vise à atteindre une efficacité de conversion de 30 pour cent pour les modules PV à 30 cents par Watt en 2030. L'objectif de 30% de rendement est impossible à atteindre avec des cellules solaires à simple jonction en silicium, qui dominent aujourd'hui le marché du PV (la part de marché de ces cellules en silicium est supérieure à 90%). Afin de l'atteindre, il s'agit de développer des cellules tandem combinant une cellule silicium (cellule « bottom ») avec une cellule supérieure (cellule « top ») constituée d'un autre matériau semiconducteur possédant une bande d'énergie interdite plus large. Il existe de nombreuses possibilités de tel matériau, mais une des plus prometteuses au vu des performances récentes et des perspectives de faible coût semble être la voie des matériaux de type pérovskite halogénée. La combinaison entre silicium et pérovskites nécessite cependant des études poussées pour comprendre la physique des interfaces et le transport entre les différentes couches nécessaires pour l'extraction des porteurs et la liaison entre les deux sous-cellules de la cellule tandem. Ceci est vrai quelle que soit l'architecture de cellule tandem envisagée : 2 terminaux, quatre terminaux, mais également l'architecture à 3 terminaux récemment brevetée par le GeePs, dans laquelle l'hétérointerface entre les deux matériaux constituant les sous-cellules joue un rôle actif dans le fonctionnement. Une cellule tandem combinant les matériaux pérovskite et silicium peut contenir différentes interfaces. En particulier la compatibilité entre ces deux matériaux pour les transferts de charge, la nécessité d'insérer des couches tampons éventuelles, doivent faire l'objet d'études spécifiques. Ce projet de thèse vise à combiner des caractérisations physico-chimiques et électroniques. Les caractérisations physico-chimiques de type spectroscopie de photoélectrons (XPS – X ray Photoelectron Spectroscopy ou UPS – UV Photoelectron Spectroscopy) permettent d'analyser les positionnements des bandes électroniques des matériaux aux interfaces ainsi que la composition chimique. C'est dans ce contexte que les techniques de spectroscopie d'électrons seront utilisées à la fois pour étudier les alignements de bandes et les modifications d'environnements chimiques à l'interface entre les matériaux pérovskite, silicium ou de couches tampons. Ces mesures pourront être réalisées au GeePs ou dans un autre laboratoire partenaire de l'IPVF. Par ailleurs, le GeePs dispose de nombreuses techniques de caractérisation électrique et optoélectronique : mesures de courant-tension et de photocourant en fonction de la température, mesures d'admittance de jonctions en fonction de la polarisation, de la fréquence, et de la température, spectroscopies micro-Raman et de luminescence, mesures de sonde de Kelvin macroscopiques et par pointes AFM (KPFM, Kelvin Probe Force Microscopy). L'ensemble de ces techniques pourra être utilisé sur des véhicules-tests dédiés afin d'analyser le transport électronique au travers de l'interface pérovskite-silicium ou de couches tampons pouvant être réalisées à partir d'oxydes métalliques ou d'organiques et l'importance de défauts d'interface. Le but est d'utiliser la meilleure compréhension des propriétés d'interface issue de ces caractérisations pour diminuer les recombinaisons entre porteurs photoengendrés et d'améliorer leur extraction des sous-cellules par un choix approprié de composition du matériau pérovskite et des couches tampon (réalisables au sein de l'IPVF), le but ultime étant d'implémenter ces améliorations et de les tester dans des cellules tandem. La thèse sera dirigée par Jean-Paul Kleider, directeur de recherche au CNRS, responsable du pôle PHEMADIC (PHysique et Electronique des MAtériaux, Dispositifs, Interfaces et Contacts) au GeePs et du programme 'caractérisation avancée, théorie, modélisation' de l'IPVF et co-dirigée par Philip Schulz, directeur de recherche au CNRS et responsable du groupe 'matériaux hybrides et interfaces pour le PV' à l'IPVF où les travaux seront coordonnés avec des activités du projet “Make Our Planet Great Again“, mis en place récemment dans le cadre du Programme d'Investissements d'avenir du gouvernement français.

  • Titre traduit

    Heterojunctions and tandem solar cells based on silicon and new perovskite absorbers


  • Résumé

    Photovoltaics (PV) is one of the most relevant solutions for electricity generation in the current context of global warming and the search for sustainable and low carbon footprint solutions. While the photovoltaic market is in strong and constant progress, the research aims at both increasing the efficiency of energy conversion and decreasing the production costs. This is in line with the '30-30-30' roadmap initiated by the Photovoltaic Institute of Ile de France (IPVF) and supported by 10 other institutes in the world, which was published during COP21; it aims at achieving a conversion efficiency of 30 percent for PV modules at 30 cents per watt in 2030. The goal of 30% efficiency is impossible to achieve with single junction silicon solar cells, which today dominate the PV market (the market share of these silicon cells is greater than 90%). In order to achieve this, it is necessary to develop tandem cells combining a silicon cell (bottom cell) with an upper cell (top cell) made of another semiconductor material having a larger bandgap. There are many possibilities of such materials, but one of the most promising in view of recent reports and low cost prospects seems to be halogenated perovskite materials. The combination between silicon and perovskites, however, requires extensive studies to understand the physics of the interfaces and the transport between the different layers necessary for the extraction of carriers, as well as the link between the two sub-cells of the tandem cell. This is true regardless of the considered tandem cell architecture: two terminals, four terminals, but also the 3-terminal architecture taht was recently patented at GeePs, in which the heterointerface between the two materials constituting the sub-cells plays an active operational role. A tandem cell combining perovskite and silicon materials may contain different interfaces. In particular the compatibility between these two materials for charge transfers, the need to insert buffer layers, must be the subject of specific studies. This thesis project aims to combine physicochemical and electronic characterizations. The photoelectron spectroscopy (XPS - X ray Photoelectron Spectroscopy or UPS - UV Photoelectron Spectroscopy) physicochemical characterizations allow to analyze the positions of the electronic bands of the materials at the interfaces as well as the chemical composition. It is in this context that electron spectroscopy techniques will be used both to study band alignments and changes in chemical environments at the interface between perovskite, silicon or buffer layers. These measurements may be performed at GeePs or at another IPVF partner laboratory. In addition, the GeePs has numerous techniques for electrical and optoelectronic characterization: current-voltage and photocurrent measurements as a function of temperature, junction admittance measurements as a function of polarization, frequency, and temperature. micro-Raman spectroscopy and luminescence, macroscopic and AFM Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) measurements. All of these techniques can be used on dedicated test vehicles to analyze the electronic transport through the perovskite-silicon interface or buffer layers that can be made from metal oxides or organic compounds, and to investigate the importance of interface defects. The aim is to use the better understanding of the interface properties resulting from these characterizations to reduce the recombination between photogenerated carriers and to improve their extraction of the sub-cells by an appropriate choice of composition of the perovskite material and buffer layers (that can be realized using the IPVF platform), the ultimate goal being to implement these improvements and test them in tandem cells. The thesis will be supervised by Jean-Paul Kleider, research director at CNRS, leader of the PHEMADIC (Physics and Electronics of Materials, Devices, Interfaces and Contacts) division at GeePs and of the IPVF Advanced Characterization, Modeling and Modeling program. It will be co-supervised by Philip Schulz, research director at CNRS and leader of the group 'hybrid materials and interfaces for PV' at the IPVF where the work will be coordinated with activities of the project 'Make Our Planet Great Again', that was recently launched under the French Government's Investments for the Future Program.