Etude d'interfaces entre l‘absorbeur Pérovskite et les Couches minces de Transport de Charge dans les Cellules Solaires à base de Pérovskites hybrides halogénées

Interfaces between Perovskite Photoabsorber and Charge Transport Layers in Metal Halide Perovskite Solar Cells

• Auteur / Autrice : Javid Hajhemati
• Direction : Philip Schulz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 31/01/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Photovoltaïque d’Île-de-France (Palaiseau ; 2014-....) - Institut Photovoltaïque d'Île-de-France / IPVF
• Jury : Président / Présidente : Morten Madsen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philip Schulz, Solenn Berson, Jean-Pascal Rueff, Damien Aureau, Sylvain Chambon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Solenn Berson, Jean-Pascal Rueff
• DOI : 10.70675/b3e01f0bz2b5az4584z9abezc4e501d6a776

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conversion photovoltaïque

Spectroscopie d'émission

Photopiles

Mots clés libres

Photovoltaïque

Cellule solaire

Pérovskites Hybrides Halogénées

Interfaces

Spectroscopie de Photoémission

Photovoltaics

Solar Cell

Metal Halide Perovskite

Interfaces

Photoemission spectroscopy

Résumé

La durabilité environnementale, l’équité et la sécurité énergétique sont trois paramètres importants pour l’amélioration de la qualité de vie. Les énergies renouvelables apparaissent particulièrement adaptées pour garantir ces facteurs. Parmi les celles-ci, le soleil représente une source d'énergie constante et illimitée, disponible et accessible dans le monde entier. Le développement de la technologie photovoltaïque doit permettre la conversion la plus efficace possible de l'énergie solaire en électricité.La cellule solaire à base de pérovskites hybrides halogénées représente une technologie photovoltaïque émergente qui a connu une amélioration rapide de ses performances au cours de la dernière décennie. Cependant, leur efficacité et leur stabilité restent limitées par certains phénomènes tels que la recombinaison non radiative des porteurs de charge et l'imperfection du réseau cristallin. Ces difficultés sont particulièrement présentes aux interfaces entre les couches absorbantes à base de pérovskite et les couches minces de transport de charge. Par conséquent, l'étude et la compréhension des phénomènes se déroulant aux interfaces représentent une étape primordiale vers la progression de leur efficacité et leur stabilité.Dans cet objectif, ce travail de thèse se concentre sur l'étude de la formation des interfaces entre l’absorbeur pérovskite et les couches de transport de charge dans des configurations de cellules solaires conventionnelles et inversées. Par exemple, afin de mieux contrôler l’interface entre l’oxyde de nickel et l’absorbeur hybride et ainsi d’améliorer les performances de cellules solaires, trois types de molécules organiques sont utilisées comme couches intermédiaires ultrafines. Leurs effets sur les propriétés optiques, morphologiques, structurelles, chimiques et électroniques des films minces ainsi que sur les propriétés électriques des dispositifs sont rapportés. L’interface entre le matériau pérovskite et l’oxyde d’étain est également étudiée. En effet, celle-ci est endommagée par le dépôt ALD de cet oxyde sur la pérovskite. Une stratégie utilisant une couche intermédiaire de semiconducteur organique (PCBM) est explorée. Enfin, l’influence de nanotubes de carbone sur la qualité de cellules solaires conventionnelles est approfondie.Afin de mener à bien ces différentes études, les techniques non destructives de spectroscopies de photoémission, UPS, XPS, HAXPES, particulièrement sensibles aux premiers nanomètres de la surface, sont utilisées comme principales méthodes caractéristiques pour sonder les interfaces. Les résultats obtenus permettront d'approfondir nos connaissances sur les interfaces et donc d'améliorer l'efficacité et la stabilité des cellules solaires à base de pérovskite.

Energy security, energy equity, and environmental sustainability are three important parameters to enhance life quality. Renewable energies are adapted to provide and guarantee these factors. Among various forms of renewable energy, solar energy is a steady and limitless source of energy that is globally available and accessible. Solar photovoltaic (PV) is an advanced technology that converts solar energy directly into electricity.Solar cells based on metal halide perovskite photoabsorbers represent an emerging PV technology showing a rapid enhancement in performance during the last decade. However, their efficiency and stability are limited by some phenomena such as non-radiative recombination of charge carriers and imperfection of crystalline lattice. These issues are more dominant at interfaces when the perovskite absorber layer is in immediate contact with charge transport layers made from different functional materials. Therefore, studying and understanding the interfaces is mandatory to push forward their efficiency and stability.This dissertation focuses on investigating the formation of interfaces between perovskite and charge transport layers in conventional and inverted solar cell configurations. Non- destructive surface-sensitive photoemission spectroscopy techniques i.e. XPS, UPS, and HAXPES are employed as the main characteristic methods to probe the interfaces.The first part of the thesis is focused on the investigation of the nickel oxide hole transport layer surface and its adjacent interface with the absorber layer are known as detrimental sources in the inverted solar cell architecture. With the aim of modifying its interface and improving solar cell performance, three small organic molecules are employed as interlayers. Their effect on the optical, morphological, structural, chemical, and electronic properties of the thin films as well as the electrical properties of devices are reported.Subsequently, two additional alternative interface systems with a layer deposited on top of the perovskite are studied. Thin films of single-walled carbon nanotubes are formed on two various perovskite materials in conventional solar cell architecture. The formation of interfaces as well as the compositional gradients in the topmost and buried regions of perovskite are investigated. Finally, the interface of perovskite and tin oxide is studied. Deposition of tin oxide by the ALD technique directly on bare perovskite is found to be damaging to the perovskite layer underneath. To better understand the source of this process the perovskite/tin oxide interfacial features with and with the presence of PCBM interlayer are particularly investigated. The obtained results will help to expand our knowledge of interfaces and thus to enhance the efficiency and stability of perovskite solar cells.