Optimisation de fabrication de cellules solaires tandem perovskite/CIGS

Integration and optimization of perovskite/CI(G)S monolithic tandem solar cells

• Auteur / Autrice : Vincent Dufoulon
• Direction : Philip Schulz, Muriel Bouttemy, Jean-Paul Kleider, Nathanaëlle Schneider
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 07/07/2023
• 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 - Institut Photovoltaïque d’Ile-de-France (UMR) / IPVF
• Jury : Président / Présidente : Jessica De Wild
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philip Schulz, Muriel Bouttemy, Jean-Paul Kleider, Nathanaëlle Schneider, Polina Volovitch, Jérémy Barbé, Robert Hoye
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jessica De Wild, Polina Volovitch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accélérateurs électrostatiques

Pérovskite

CIGS (matériau)

Mots clés libres

Percistand

Cigs

Perovskite

Tandem

Monolithique

Percistand

Cigs

Perovskite

Tandem

Monolithic

Résumé

Pour plusieurs applications industrielles, il existe un intérêt pour les cellules solaires légères et flexibles. Les technologies à films minces sont déjà utilisées à cette effet, mais pourraient être combinées dans une architecture tandem afin d'améliorer les performances de ces dispositifs.Dans cette étude, nous examinons la possibilité de combiner des couches d'absorbeur CIGS et pérovskite dans une configuration tandem monolithique, afin d'exploiter la possibilité pour les deux matériaux de régler leur bande interdite en modifiant leur composition chimique. La technologie CIGS a été développée pour des applications photovoltaïque dans les années 1970, et est encore utilisée aujourd'hui dans des dispositifs flexibles.D'autre part, les cellules solaires à base de pérovskite halogénée existent seulement depuis la dernière décennie, mais offrent déjà la promesse de panneaux solaires flexibles à faible coût et à haut rendement, malgré des inquiétudes concernant leur stabilité environnementale à long terme.Les principaux défis liés à l'intégration monolithique des dispositifs pérovskite/CIGS ont été établis dans la littérature et abordés par différentes approches. Principalement, les couches de la sous-cellule pérovskite doivent être déposées à basse température pour éviter la dégradation de la sous-cellule CIGS, dont la rugosité de surface élevée peut entraver le dépôt conforme desdites couches.La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude de procédés à basse température dans la réalisation de couches HTL afin d'obtenir des cellules solaires à haut rendement à base de pérovskite. Nous commençons par étudier les propriétés de blocage d’électrons de couches de NiOx déposées par ALD, ainsi que la chimie de surface et les propriétés électroniques de films NiOx pour différentes températures de dépôt, de recuit, et différents traitements. Nous évaluant ensuite comment ces modifications affectent les performances photovoltaïques des dispositifs.Au cours du deuxième chapitre, nous décrivons l'adaptation d'une architecture de cellule solaire p-i-n opaque à une configuration semi-transparente, nécessaire pour les applications en tandem. Nous considérons donc l’intégration de différents oxides à cette architecture pour la rendre plus résiliente à des dépôts par pulvérisation.Enfin, nous étudions la planarisation par voie chimique des couches d'absorbeur CI(G)S à partir d'un protocole bien établi pour les échantillons de CIGS. Après avoir optimisé le processus d’abrasage au bromure et traité l’échantillon pour obtenir la morphologie et chimie de surface souhaitées du CI(G)S, nous évaluons l'impact du traitement complet sur les performances des cellules solaires.

For several industrial applications, there is an interest for lightweight, flexible solar cells. Thin film technologies are already employed for this purpose, but could be combined in tandem architecture to further improve the performances of such devices. Here we study to possibility to combine CIGS and perovskite absorber layers in a monolithic tandem design, in order to exploit the possibility for both materials to change their bandgap by modifying their chemical composition.CIGS is a photovoltaic technology developed in the 1970s decade that is still employed to this day for flexible applications. On the other hand, lead halide perovskite solar cells exist since only since the last decade but already hold the promise of low-cost, high efficiency flexible solar panels, despite concerns regarding their long-term environmental stability.The main challenges concerning monolithic integration of perovskite/CIGS devices have been established in literature, and tackled by various approaches. Mainly, the layers of the perovskite top cell should be deposited at low-temperatures to avoid the degradation of the CIGS bottom cell, whose high surface roughness can hinder the conformal deposition of said layers.The first part of this thesis is dedicated to the study of low-temperature route HTL for high efficiency perovskite solar cells. We start by investigating the electron blocking properties of ALD NiOx layers films, as well as the surface chemistry and electronic properties of NiOx films for different deposition temperature, post-annealing temperatures and surface modification protocols. We then study the effect of these treatments on complete solar cells.During the second chapter, we describe the adaptation of a p-i-n opaque solar cell architecture to a semi-transparent configuration, necessary for tandem applications. We therefore consider several metal oxide options to integrate in the solar cell architecture to make it more resilient towards harsh sputtering processes.Finally, we studied the possibility to minimize the roughness of CI(G)S absorber layers from a wet process protocol well-established for CIGS samples. After optimizing the Br-etching process and treating the sample to yield the desired CI(G)S morphology and surface chemistry, we evaluate the impact of the whole treatment over the performances of complete solar cells.