Fonctionnalisation des couches d'oxydes métalliques par des Monocouches Auto-Assemblées (SAMs) greffées pour la croissance des films de pérovskites halogénées ABX3 : application aux cellules solaires à base de pérovskite (PSCs)

Functionalization of metal oxide layers by self-assembled monolayers (SAMs) grafted for the growth of ABX3 halogenated perovskite films : application to perovskite-based solar cells (PSCs)

• Auteur / Autrice : Asma Torkhani
• Direction : Philippe Lang, Fayçal Kouki
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance le 29/03/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité en cotutelle avec Université de Tunis El Manar
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Deleporte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuelle Deleporte, Peter Reiss, Zhuoying Chen, Lionel Hirsch
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peter Reiss, Zhuoying Chen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie des surfaces

Photopiles

Pérovskites

Monocouches moléculaires autoassemblées

Mots clés libres

Monocouches Auto-Assemblées (SAM)

Pérovskite à simple et à triple cations

Ingénierie interfaciale

Cellules solaires

Photovoltaïque

Self-Assembled Monolayers (SAM)

Simple and triple cation perovskite

Interfacial engineering

Solar cells

Photovoltaic

Résumé

Les matériaux pérovskites ont connu une forte évolution depuis leur première insertion dans le secteur photovoltaïque en 2009. L'efficacité de conversion de puissance (PCE) n'était que de 3,8% à cette époque et malgré cette efficacité limitée, trouver des moyens d'améliorer les performances des cellules solaires à base de pérovskites (PSCs) a été et reste au centre de plusieurs recherches grâce à la forte absorption de la lumière qui caractérise ces matériaux ainsi qu'à leurs propriétés optoélectroniques exceptionnelles en plus de la facilité de fabrication d'appareils électroniques à partir de processus de solution à faible coût. Aujourd'hui, le PCE a atteint 25,6% pour les PSCs à jonction unique. Seulement 12 ans ont suffi pour avoir environ 7 fois le rendement trouvé en 2009, contrairement au silicium qui a atteint ce rendement en 40 ans. Malgré les avancées significatives, la fabrication à grande échelle des cellules solaires à pérovskite de haute efficacité et haute stabilité restent le principal défi pour l'application pratique des pérovskites aux halogénures hybrides. Pour remédier à ces problèmes, l'insertion des Monocouches Auto-assemblées (SAMs) et l'utilisation des pérovskites hybrides avec différentes compositions chimiques ont été explorée dans ce travail afin d'améliorer les performances des dispositifs électroniques. Récemment, les SAMs ont démontré leurs effets bénéfiques sur les cellules solaires à base de pérovskite halogénée (HP) sur les efficacités de conversion de puissance (PCE) et la stabilité qui ne dépendent pas seulement de la pérovskite elle-même, mais aussi de l'interface avec ce matériau. Pour mieux contrôler l'interface, les SAMs ont des capacités polyvalentes pour manipuler les propriétés physico-chimiques à l'interface, passiver les défauts créés au moment de la cristallisation en plus de générer un alignement du niveau d'énergie. Ce travail décrit des études qui démontrent les avantages directs de l'ingénierie d'interface basée sur des SAMs adéquats pour l'efficacité de conversion de puissance (PCE) et la stabilité des PSCs de type simple et triple cations. Ces SAMs ont été insérées entre l'oxyde métallique qui joue le rôle d'une couche de transport d'électron (ETL) et la pérovskite pour faire face à l'instabilité chimique à l'interface. Les SAMs peuvent se former spontanément lors de l'immersion d'un substrat revêtu d'oxyde de zinc nanoparticules (ZnO NP) ou d'oxyde de zinc monocristallin (ZnO MO) ou d'une couche de TiO2 compact et mésoporeux (c-mp-TiO2), dans une solution contenant des molécules fonctionnelles. Ici, nous avons montré l'effet des SAMs greffées sur des oxydes métalliques vis-à-vis de la croissance et l'orientation de la couche de la pérovskite MAPbI3 (MAPI) et FA0.83 MA0.17 Cs0.05 Pb (I0.83 Br0.17)3 (Triple cation : TC). Nous avons procédé à une étude systématique du vieillissement des couches de MAPI et TC déposées sur l'oxyde traité et non traité afin de prouver l'efficacité de la fonctionnalisation de la surface sur la stabilité de la pérovskite en premier temps puis l'effet de cette modification sur les performances PV et sur la stabilité des PSCs en deuxième temps.

Perovskite materials have undergone significant development since their first introduction to the photovoltaic industry in 2009. At that time, the power conversion efficiency (PCE) was only 3.8%, and despite this limited efficiency, finding ways to improve the performance of perovskite-based solar cells (PSCs) has been and remains the focus of several research efforts, thanks to the strong light absorption that characterizes these materials as well as their exceptional optoelectronic properties, in addition to the ease of electronic device fabrication from low-cost solution processes. Today, the PCE has reached 25.6% for single-junction PSCs. It has taken only 12 years to achieve approximately 7 times the efficiency found in 2009, unlike silicon which took 40 years to reach this efficiency. Despite significant advances, the large-scale manufacturing of high-efficiency and high-stability perovskite solar cells remains the main challenge for the practical application of perovskites in hybrid halides. To address these issues, the insertion of Self-Assembled Monolayers (SAMs) and the use of hybrid perovskites with different chemical compositions have been explored in this work to improve the performance of electronic devices. Recently, SAMs have demonstrated their beneficial effects on halide perovskite (HP) solar cells on power conversion efficiencies (PCE) and stability, which depend not only on the perovskite itself but also on the interface with this material. To better control the interface, SAMs have versatile capabilities to manipulate the physicochemical properties at the interface, passivate defects created during crystallization, and generate energy level alignment. This work describes studies that demonstrate the direct advantages of interface engineering based on appropriate SAMs for power conversion efficiency (PCE) and stability of simple and triple cation PSCs. These SAMs were inserted between the metal oxide layer that acts as an electron transport layer (ETL) and the perovskite to deal with the chemical instability at the interface. The SAMs can spontaneously form when a substrate coated with zinc oxide nanoparticles (ZnO NPs) or single-crystal zinc oxide (ZnO MO) or a compact and mesoporous TiO2 layer (c-mp-TiO2) is immersed in a solution containing functional molecules. Here, we have shown the effect of grafted SAMs on metal oxides regarding the growth and orientation of the MAPbI3 (MAPI) and FA0.83 MA0.17 Cs0.05 Pb (I0.83 Br0.17)3 (Triple cation: TC) perovskite layers. We conducted a systematic study of the aging of MAPI and TC layers deposited on treated and untreated oxide to prove the effectiveness of surface functionalization on perovskite stability in the first instance and the effect of this modification on PV performance and PSC stability in the second instance.