Nanocristaux semiconducteurs de Pérovskites pour cellules solaires multi-jonction

Perovskite Semiconductor Nanocrystals for Multi-Junction Solar Cells.

• Auteur / Autrice : Olivera Vukovic
• Direction : René Janssen, Laurent Billon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 23/05/2023
• Etablissement(s) : Pau en cotutelle avec Technische hogeschool (Eindhoven, Pays-Bas)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (IPREM UMR 5254) - Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux
• Jury : Président / Présidente : Gerwin H. Gelinck
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gerwin H. Gelinck

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanocristaux

Pérovskite

Mots clés libres

Nanocristaux

Cellules solaires

Pérovskite

Nanocrystals

Solar cells

Perovskite

Résumé

Les recherches de cette thèse portent sur les pérovskites aux halogénures métalliques inorganiques sous forme de couches minces et de nanocristaux (NC). En ajustant la taille NC ou en utilisant des halogénures mixtes, il est possible d'ajuster la bande interdite de ces semi-conducteurs dans une large gamme. L'utilisation de cations organiques dans les pérovskites aux halogénures métalliques courants entraîne cependant une stabilité thermique médiocre et une sensibilité élevée à l'humidité. Le remplacement de ces cations organiques par des ions césium (Cs) améliore la stabilité à la lumière, à l'humidité et à la chaleur.Les NC de pérovskite inorganique peuvent être dispersées dans des solvants organiques à bas point d'ébullition. La nature hydrophobe et volatile de ces solvants les rend intéressants pour la fabrication de cellules solaires multi-jonctions. Les cellules solaires à jonctions multiples nécessitent deux films de pérovskite ou plus, séparés par des couches de transport de charge appropriées. Actuellement, la façon de traiter le deuxième film de pérovskite sans endommager le premier est l'utilisation d'une couche barrière de solvant qui protège la première couche des solvants polaires à point d'ébullition élevé et à évaporation lente utilisés pour traiter le deuxième film de pérovskite. Les formulations de pérovskite à base de solvants volatils non polaires à bas point d'ébullition ouvrent la voie à des agencements de dispositifs nouveaux et simplifiés, car la vitesse d'évaporation du solvant est un paramètre crucial lorsque plusieurs couches sont déposées les unes sur les autres.Deux méthodes différentes, l'injection à chaud (HI) et la reprécipitation assistée par ligand (LARP), ont été explorées et optimisées pour synthétiser toutes les NC de pérovskite inorganique. Les deux méthodes présentent des avantages et des inconvénients.En utilisant la température et la pression comme variables thermodynamiques, il est possible de moduler de manière contrôlée les paramètres énergétiques et structurels des NC de pérovskite. Le changement dépendant de la température de l'énergie du pic de photoluminescence et de la largeur de raie peut aider à une compréhension fondamentale de l'influence des défauts et des interactions électron-phonon sur l'efficacité de la luminescence, et de leur dépendance à la taille NC. Puisque le couplage électron-phonon fixe une limite intrinsèque fondamentale au transport de charge, il est étroitement lié aux propriétés optoélectroniques et donc aux applications technologiques. En étudiant la réponse en pression, il est possible de conclure comment le mécanisme de déformation du réseau affecte la dynamique de bande interdite et de recombinaison, soulignant l'importance de l'ingénierie structurelle de cette classe de semi-conducteurs souples.L'utilisation de NC dans les cellules solaires s'est avérée difficile et, par conséquent, l'accent a été mis sur la production de cellules solaires à large bande interdite par dépôt de couches minces. Pour les cellules dans une configuration p–i–n, les principaux contributeurs à la perte de COV ont été identifiés comme une recombinaison non radiative dans la masse de la couche de pérovskite et à l'interface entre la pérovskite et la couche de transport d'électrons (ETL). Pour réduire les états de piège, l'interface entre la pérovskite et l'ETL a été soigneusement conçue. Des additifs organiques ont été introduits dans tous les halogénures mixtes inorganiques pour améliorer la morphologie du film de pérovskite et produire des dispositifs aux performances améliorées.Outre les améliorations techniques, l'impact environnemental de la production de NC de pérovskite et de cellules solaires a été étudié à l'aide d'une analyse du cycle de vie (ACV). L'ACV est une description quantitative d'un large éventail d'impacts environnementaux via diverses catégories d'impact. L'évaluation de tous les impacts environnementaux est importante pour montée en puissance.

The focus of the research in this thesis is on inorganic metal halide perovskites in the form of thin films and nanocrystals (NCs). By adjusting the NC size or by using mixed halides it is possible to tune the bandgap of these semiconductors in a wide range. The use of organic cations in common metal halide perovskites, however, causes poor thermal stability and high sensitivity to humidity. Replacing these organic cations with cesium (Cs) ions enhances stability against light, moisture, and heat.Inorganic perovskite NCs can be dispersed in low-boiling point organic solvents. The hydrophobic and volatile nature of these solvents makes them interesting for fabricating multi-junction solar cells. Multi-junction solar cells require two or more perovskite films, separated by appropriate charge transport layers. Presently, the way to process the second perovskite film without harming the first is the use of a solvent barrier layer that protects the first layer from the polar, high-boiling point, slowly evaporating solvents used to process the second perovskite film. Perovskite formulations based on non-polar, low-boiling point, volatile solvents open up a route to new and simplified device layouts, because the evaporation speed of the solvent is a crucial parameter when several layers are deposited on top of each other.Two different methods, hot injection (HI) and ligand assisted re-precipitation (LARP), have been explored and optimized to synthesize all inorganic perovskite NCs). Both methods come with advantages and disadvantages.By employing temperature and pressure as thermodynamic variables it is possible to controllably modulate the energetic and structural parameters of the perovskite NCs. The temperature dependent change of the photoluminescence peak energy and linewidth can help with a fundamental understanding of the influence of both defects and electron-phonon interactions on luminescence efficiency, and their dependence on NC size. Since electron-phonon coupling sets a fundamental intrinsic limit to charge transport, it is closely related to the optoelectronic properties and thus to technological applications. By studying the pressure response it is possible to conclude how the lattice deformation mechanism affects the bandgap and recombination dynamics stressing the importance of the structural engineering of this class of soft semiconductors.The use of NCs in solar cells proved to be challenging and, hence, the focus was on producing wide-bandgap solar cells via thin film deposition. For cells in a p–i–n configuration the major contributors to the VOC loss were identified as non-radiative recombination in the bulk of the perovskite layer and at the interface between the perovskite and the electron transport layer (ETL). To reduce trap states, the interface between the perovskite and the ETL was carefully engineered. Organic additives were introduced into all inorganic mixed-halides to improve the perovskite film morphology and yield devices with enhanced performance.Next to the technical improvements, the environmental impact of perovskite NCs and solar cells production has been investigated using a life cycle assessment (LCA). LCA is a quantitative description of a broad range of environmental impacts via various impact categories. The assessment of all environmental impact is important for up-scaling.