Etude des propriétés dynamiques de cellules solaires pérovskites pour la réception de données par voie optique dans le visible

Study of the dynamic properties of perovskite solar cells for visible light communication

• Auteur / Autrice : Hesham Hawashin
• Direction : Johann Bouclé, Thierry Trigaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des hautes fréquences, photonique et systèmes
• Date : Soutenance le 07/12/2021
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : François Tran-Van
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Johann Bouclé, Thierry Trigaud, François Tran-Van, Jean-Jacques Simon, Yvan Bonnassieux, Bernard Ratier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Jacques Simon, Yvan Bonnassieux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie d'impédance

Télécommunications optiques

Photopiles

Pérovskites

Mots clés libres

Communication sans fil optique

Communication par lumière visible

Cellules solaires à pérovskite

Spectroscopie d'impédance

Cellules solaires à pérovskite à trois cations

Optical wireless communication

Visible light communication

Perovskite solar cells

Impedance spectroscopy

Triple cation perovskite solar cells

Résumé

Les nouvelles technologies dans les domaines des télécommunications sans fils et de l'Internet des objets (IoT) nécessitent des solutions efficaces capables d’assurer des transmissions à des débits élevés tout en assurant une bonne qualité de service mais aussi l’autonomie énergétique des dispositifs. Dans ce contexte, l'intégration d'une cellule solaire en tant que récepteur de données et récupérateur d'énergie dans les systèmes de communication optique sans fil est une approche très pertinente, récemment proposée dans la littérature. Les technologies émergentes de cellules solaires, telles que les cellules solaires pérovskites, sont de bonnes candidates pour cette application, en raison de performances élevées, de coûts réduits, et d’une facilité d’intégration importante. Ce travail de thèse s’inscrit dans cette problématique, en visant à étudier de façon systématique le comportement dynamique de cellules photovoltaïques pérovskites à l’aide de la spectroscopie d'impédance, pour mettre en évidence les relations entre performances pour la récupération d’énergie et la réception de données par voie optique. Nous nous focalisons pour cela sur des couches actives à cations mixtes, choisies en raison de leurs excellentes performances et de leur bonne stabilité. Sur la base des phénomènes physiques mis en jeu, nous proposons un modèle électrique équivalent des dispositifs compte-tenu de cette application. Nous montrons finalement qu’une modification des architectures permet de moduler la bande passante des composants permettant de démontrer le fort potentiel de la filière pérovskite pour la récupération simultanée d’énergie et la réception de données par voie optique.

The advent of new telecommunication technologies such as 5G and 6G, as well as the strong development of the Internet of Things (IoT) require more efficient communication systems that are able to provide high data rates and high service quality. These developments are coupled with an ever-increasing need for electrical energy supply. In this context, integrating a low cost solar cell as simultaneous data receiver and energy harvester in optical wireless communication systems (OWC) is one of the most relevant approaches to address this challenge. Emergent solar cell technologies such as perovskite solar cells can be well-adapted for such applications, considering their low cost, high efficiencies in indoor environment, light weight and flexibility. This thesis work aims at studying the dynamic behavior of perovskite solar cells, using impedance spectroscopy, and at discussing its relation with their photovoltaic performances. We especially study the dynamic response of various mixed cations and mixed halide perovskite absorbers, thanks to their outstanding power conversion efficiency, their relatively easy processing from solution, and their suitable stability in ambient conditions. In particular, based on the simulation of the experimental impedance of the devices, we discuss the specific physical process governing their low frequency and high frequency response, and the relation with the achievable bandwidths when used as receiver for OWC applications. We more directly illustrate the possibility to tune the response time of the devices through the architectures (interfacial and active layer properties). Significant improvement in bandwidth can be achieved, suggesting strong potentialities for future applications.