Dépôt de pérovskite hybride par procédé slot-die : étude matériau et intégration en dispositifs photovoltaïques

Slot-die coating of hybrid perovskite : material study and integration into photovoltaic devices.

• Auteur / Autrice : Mathilde Fievez
• Direction : Stéphane Cros, Wei Lin Leong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 23/06/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Nanyang Technological University (Singapour)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de l'énergie solaire (Le Bourget-du-Lac, Savoie)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Bellet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lydia Wong, Eva Unger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Trystan Watson, Bernard Ratier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cations divalents

Pérovskite

Mots clés libres

Pérovskite

Slot-Die

Couteau d'air

Double cation

Large surface

Perovskite

Slot-Die coating

Gas-Assisted crystallization

Double cation

Large-Area

Résumé

Depuis 2009, les matériaux hybrides pérovskites halogénés ont émergé en tant que technologie photovoltaïque innovante, contrastant avec les technologies existantes à base de silicium par leur mise en œuvre par voie liquide qui réduit significativement l'empreinte carbone de la fabrication des panneaux solaires. En 2021, le rendement de cellules solaires à base de pérovskite atteint 25.5% à l’échelle laboratoire, réduisant l’écart de performance avec a technologie silicium. Une des difficultés rencontrées lors du développement de cette technologie à large échelle est l’homogénéité du dépôt de la couche pérovskite sur des grandes surfaces. Malgré l’existence de procédés industriels (impression jet d’encre, slot-die coating) pour déposer le film liquide précurseur sur des grands substrats, le défi réside dans le contrôle de la cristallisation du matériau pérovskite à l’échelle industrielle. Dans ce travail, nous avons étudié le dépôt par voie humide d’une pérovskite halogénée mixte (CsxFA(1-x)Pb(I0.88Br0.12)3) par le procédé slot-die combiné à un couteau d’air et une chauffe de substrat pour permettre la cristallisation sur des dimensions de 5 x 5 cet 10 x 10 cm2. Nous détaillons l’effet des paramètres du procédé slot-die, de l’encre pérovskite précurseur et du substrat sous-jacent sur la morphologie du film pérovskite et ses qualités opto-électroniques. Nous dévoilons le rôle du précurseur CsI dans cette cristallisation assistée par flux d’air et montrons que son effet diffère vis-à-vis de la cristallisation conventionnelle par anti-solvent. Nous optimisons la combinaison d’un couteau d’air et d’une chauffe de substrat pour permettre la formation d’un film pérovskite Cs0.16FA0.84Pb(I0.88Br0.12)3 compact de façon reproductible et homogène. L’intégration de ces couches dans des dispositifs photovoltaïques a mené à des rendements de conversion de 18% à l’échelle laboratoire (0.09 cm2) et 11.6% à l’échelle mini-module (55 cm2). Ce travail ouvre la voie à la compréhension et au contrôle de la cristallisation du matériau pérovskite sur des grandes surfaces, nécessaire pour l’industrialisation de cette technologie.

In the last decade, metal halide Perovskite photovoltaics have emerged as an innovative thin film photovoltaic technology that contrasts with current technologies due to its solution processability that could significantly reduce its manufacturing environmental footprint. In 2021, Perovskite solar cells at laboratory scale reach 25.5 % power conversion efficiency, closing the gap to silicon based solar cells performances. One of the major bottlenecks of perovskite photovoltaic modules fabrication is the homogeneous deposition of perovskite material over large areas. Whereas scalable processes (inkjet, slot-die coating) can be adapted from the organic photovoltaics industry to deposit the wet precursor film over large areas, the control of the perovskite crystallization remains a challenge at that scale. In this work, we investigate the wet deposition of double cation mixed halide perovskite (CsxFA(1-x)Pb(I0.88Br0.12)3) via slot-die coating combined with synergistic gas quenching and substrate heating over 5 x 5 cm2 and 10 x 10 cm2 substrates. More specifically, we detail the effect of the process parameters, precursor ink composition and substrate nature (e.g. planar vs mesoporous, TiO2 vs SnO2) on the perovskite film morphological and opto-electronics properties. We unveil the role of the CsI precursor in the gas-assisted crystallization and show that its effect differs from the conventional anti-solvent assisted crystallization. We show that slot-die coating technique combined with synergistic gas quenching and substrate heating can produce compact, homogenous and reproducible Cs0.16FA0.84Pb(I0.88Br0.12)3 perovskite films. We eventually integrate the perovskite slot-die coated layers in planar (n-i-p) photovoltaic device configuration yielding power conversion efficiency (PCE) of 18 % over 0.09 cm2 and 11.6 % over 55 cm2 device active area. This work provides insights into achieving controlled perovskite crystallization of perovskite films over large areas, which is necessary for the industrialization of this technology.