Modélisation des cellules solaires pérovskites, des dispositifs optoélectroniques III-V et de la microscopie à sonde de Kelvin

• Auteur / Autrice : Yong Huang
• Direction : Jacky Even
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance le 14/03/2018
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Comue : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Chimiques de Rennes - XLIM - Fonctions Optiques pour les Technologies de l'informatiON
• Partenaire(s) de recherche : Université : Université de Rennes 1 (1969-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Fondation : China scholarship council
• Jury : Président / Présidente : Bernard Ratier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacky Even, Bernard Ratier, Peter Reiss, Zakaria Djebbour, Emmanuelle Deleporte, Claudine Katan, Alain Rolland
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peter Reiss, Zakaria Djebbour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Effet photovoltaïque

Photopiles

Pérovskites

Mots clés libres

KPFM

Drift-diffusion

Pérevskovite halogénure

III-V

Solar cells

Photovoltaic

Semiconductors

KPFM

Drift-diffusion

III-V

Halide perovskite

Résumé

Ce travail de thèse se concentre sur l'étude des modèles de type drift-diffusion. Des approches sont développées pour la modélisation de la Microscopie à sonde de Kelvin, des cellules solaires à base de matériaux pérovskites (PSCs), des cellules solaires tandem de type pérovskite/silicium et des îlots quantiques lll-V/GaP. Tout d'abord, l'approche de la modélisation de la sonde de Kelvin est examinée pour la surface de TiOx et l'absorbeur pérovskite MAPbI3 Ensuite, des mesures avec sonde de Kelvin et des simulations sont proposées pour des jonctions diffuses à base de silicium et pour des PSCs à base de TiOx mésa poreux. Les variations du potentiel interne sont étudiées ouvrant la voie à une amélioration supplémentaire des dispositifs. L'influence de l'état de surface des couches wo. sur des mesures à sonde de Kelvin est étudiée théoriquement. Différents facteurs à l'origine des pertes de tension de circuit ouvert (Voc) des PSCs sont discutés. L'effet anormal d'hystérésis dans les PSCs est également simulé, en tenant compte des étals de pièges d'interface et des ions mobiles. En outre, le design de cellules solaires tandem 2T pérovskite/silicium est étudié en détails. Une jonction tunnel à base de silicium entre les deux sous-cellules supérieure et inférieure est proposée pour assurer le bon fonctionnement des cellules en série. L'influence du profil de dopage dans la jonction tunnel est discutée. Au final, le transport des porteurs dans les îlots quantiques III-V/GaP est étudié dans le cadre plus général de l'intégration d'émetteurs lll-V sur silicium. Les caractéristiques électroluminescentes et électriques de ces structures sont simulées dans une approximation cylindrique.

This PhD work focuses on optoelectronic device simulations based on drift-diffusion models. Approaches are developed for the modelling of Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), perovskite-based solar cells (PSCs), perovskite/silicon tandem solar cells and lll-V/GaP quantum dots (ODs). Firstly, a new approach for the modelling of KPFM is applied to TiOx slabs and to the MAPbI3 perovskite absorber. Secondly, KPFM measurements and simulations are proposed for silicon-based diffused junctions and mesoporous TiOx based PSCs. The built-in potential is investigated, and this study paves the way toward fu rther device improvements. In addition, the influence of the surface of WO. slabs on KPFM measurements is studied theoretically. Various facto rs influencing open circuit voltage (Voe) losses in PSCs are discussed. The abnormal hysteresis effect in the PSCs is simulated as well, considering interface trap states and mobile ions. The design of two-terminal perovskite/silicon tandem solar cells is studied in detail. A siliconbased tunnel junction between the top and the bottom subcells is proposed for serial current matching. The influence of the doping profile in the tunnel junction is discussed. At the end of the manuscript, the carrier transport in III-V/GaP QDs is investigated, for the integration of III-V emitters on silicon. The electroluminescence and electrical characteristics of these III -V light emitting devices are simulated by using a cylindrical approximation.