Etude des mécanismes de maturation et de dégradation au sein de cellules solaires pérovskites à base carbone

Study of the maturation and degradation mechanisms of carbon-based perovskite solar cells

• Auteur / Autrice : Cynthia Farha
• Direction : Lionel Flandin, Lara Perrin, Émilie Planès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 07/03/2023
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Éliane Espuche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Riassetto, Sylvie Neyertz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thanh-Tuan Bui, Jean-Marc Chenal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photopiles

Pérovskites

Mots clés libres

Pérovskites

Cellules solaires

Maturation

Stabilité

Systèmes d'encapsulation

Dégradation

Perovskite

Solar cell

Maturation

Stability

Encapsulation systems

Degradation

Résumé

Récemment, les matériaux pérovskites hybrides organométalliques ont connu un progrès dans les applications des cellules solaires. Grace à leurs propriétés particulièrement intéressantes : bande interdite adaptable, cristallinité élevée, capacité de transport de charge élevée et efficacité élevée des couches minces, ces matériaux ont le potentiel de dépasser les limites de performance des technologies actuelles. Parmi les structures de dispositifs alternatives, les cellules solaires pérovskite à base de carbone semblent très prometteuses en raison de leur faible coût et de leurs matériaux abondamment disponibles (TiO2, ZrO2, poudre noir de carbone et de graphite), de méthodes de fabrication évolutives rentables et de la grande stabilité inhérente. Une solution de pérovskite (CH3NH3)x(AVA)1-xPbI3 (avec AVA = acide valérique d'ammonium) a été pipetée ou ajoutée par la méthode du jet d'encre pour infiltrer les couches mp-TiO2/mp-ZrO2 à travers une épaisse couche de carbone poreuse. Afin de révéler leurs performances photovoltaïques maximales, ces cellules doivent d'abord être maturées sous humidité et température. Cette étape dure environ 100-150 h et améliore les performances de la cellule. Dans cette thèse, les deux méthodes d'infiltration ont été comparées en utilisant des cellules avant et après maturation afin de mettre en évidence le rôle de cette étape sur les performances des cellules. Pour mieux étudier la stabilité de ces cellules, des campagnes de vieillissement à une température de 85°C et une humidité relative de 85%RH ont été menées. De plus, de nombreuses campagnes de vieillissement ont également été étudiées avec différents systèmes d'encapsulation tels que le joint en surlyn, la polyoléfine, le polyuréthane, la polyoléfine triple couche et ce dernier avec du polyisobutylène. Ces encapsulants ont été utilisés, empêchant la perméation de l'humidité jusqu'aux cellules solaires qui induit probablement une dégradation accélérée. Grâce à des techniques de caractérisation dédiées, telles que les mesures J(V), les performances PV ont été évaluées, et telles que les mesures de courant induit par faisceau laser (LBIC) et l'imagerie par photoluminescence, les performances locales ont été corrélées à l'inhomogénéité de la dégradation. Les modifications de la couche de pérovskite ont été évaluées avec d'autres techniques plus courantes (diffraction des rayons X, absorption UV-visible et spectroscopie de photoluminescence).

Recently, organometallic hybrid perovskite materials are experiencing a real progress for solar cell applications. Due to particularly interesting properties: adaptable band gap, high crystallinity, high charge transport capacity and high thin film efficiency, these materials have the potential to exceed the performance limits of current technologies. They also combine a low cost and processing versatility. Among alternative device structures, carbon-based perovskite solar cells look highly promising due to their low cost and abundantly available materials (TiO2, ZrO2, carbon black and graphite powders), cost-efficient scalable fabrication methods and the inherent high stability. A one step (CH3NH3)x(AVA)1-xPbI3 perovskite solution (with AVA= ammonium valeric acid additive) was pipetted or added by the inkjet method to infiltrate mp-TiO2/mp-ZrO2 through a thick porous carbon layer. In order to reveal their maximum photovoltaic performance, these devices should be first matured under humidity and temperature. This step lasts of approximately 100-150 h and improves of the cell's performance. In this thesis, the two infiltration methods were compared using cells before and after maturation in order to highlight the role of this step on the cells' performance. To further investigate their stability, aging campaigns at damp heat conditions 85°C/85%RH have been conducted. Moreover, many aging campaigns were also studied with different encapsulation systems such as surlyn gasket, polyolefin, polyurethan, triple layered polyolefin and the latter with polyisobutylene. These sealants were used, enabling the humidity permeation up to solar cells and inducing probably an accelerated degradation of devices. Thanks to dedicated characterization techniques, such as J(V) measurements, the PV performance were evaluated, and such as laser beam induced current (LBIC) measurements and photoluminescence imaging, the local performances have been correlated to the degradation inhomogeneity. The modifications of the perovskite layer have been evaluated with others more common techniques (X-Ray diffraction, UV-visible absorption and photoluminescence spectroscopy).