Utilisation d'un oxyde de structure pérovskite comme couche d'interface pour les dispositifs optoélectroniques à pérovskites halogénées

Using a perovskite oxide as interfacial layer for halide perovskite optoelectronics

• Auteur / Autrice : Ceren Yildirim
• Direction : Johann Bouclé, Sylvain Vedraine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie pour l’information
• Date : Soutenance le 18/01/2024
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Limoges ; 2022-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Ulrike Anne Lüders
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ulrike Anne Lüders, Zhuoying Chen, Christophe Tenailleau, Nadine Witkowski, Frédéric Dumas-Bouchiat, Pierre-Marie Geffroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Zhuoying Chen, Christophe Tenailleau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dispositifs optoélectroniques

Surfaces (technologie)

Pérovskite

Couches minces

Mots clés libres

Pérovskites halogénées

Oxydes pérovskites

Dépôt laser pulsé (PLD)

Optoélectronique

Cellules solaires

Diodes électroluminescentes

Halide perovskites

Perovskites oxides

Pulsed laser deposition (PLD)

Optoelectronics

Solar cells

Light-Emitting diodes

Résumé

Les cellules photovoltaïques et les diodes électroluminescentes pérovskites requièrent des couches d'injection/extraction de charges, qui sont cruciales pour plusieurs processus importants régissant les performances et la durée de vie. Bien que des études intensives aient été consacrées au développement de couches interfaciales innovantes de type p, des matériaux présentant des propriétés hautement ajustables et une stabilité photochimique élevée restent très recherchés. Cette thèse explore l’utilisation d’oxydes pérovskites comme couches d’interface pour des applications optoélectroniques en raison de leurs propriétés ajustables et de leur stabilité en conditions ambiantes. Des couches minces d’oxydes de pérovskites de type SrTi0.7Fe0.3O3-δ (STFO) sont utilisées comme couches d'extraction ou d'injection de charge pour les cellules solaires et les diodes électroluminescentes à base de pérovskites halogénées. En utilisant la technique de dépôt par laser pulsé (PLD), des couches minces STFO hautement cristallines ont été déposées sur des substrats en verre/FTO à des températures relativement modérées (<400 °C) par rapport aux techniques de dépôt traditionnelles. Des post-traitements thermiques, soit par traitement thermique rapide (RTP), soit par recuit thermique conventionnel (TA), ont été utilisés dans le but d’améliorer la plus grand cristalline des films polycristallins et pour ajuster leurs propriétés optiques et électroniques. Lorsqu'ils sont déposés sur la pérovskite d’oxyde, les couches d'halogénure de pérovskite de type FA0.85Cs0.15Pb(I0.85Br0.15)3 (adaptées à la conversion d'énergie photovoltaïque PV) présentent des tailles de grains plus grandes et un meilleur ordre cristallin par rapport à des films similaires déposés sur une couche interfaciale de type p de référence telle que le PEDOT:PSS commercial. De plus, la présence de l'oxyde a entraîné une nette réduction de la phase de pérovskite halogénée optiquement inactive, illustrant l’impact positif de la couche d’oxyde pérovskite sous-jacente. Les couche de STFO recuites (RTP et le TA) induisent par ailleurs une plus grande durée de vie de l’exciton dans la couche active par rapport au PEDOT :PSS. De façon similaire, la cristallisation d’une pérovskite halogénée quasi-2D de type (PEA)2(MA)PbBr4 (adaptée à la fabrication de LED) sur des couches de STFO a été réalisée avec succès, conduisant à des propriétés similaires que pour des couches références déposées sur du PEDOT:PSS. Dans ce cas, la pérovskite quasi-2D déposée sur STFO a montré une durée de vie de l’exciton relativement longue. Bien que l'intégration de couches minces de STFO dans les deux types de dispositifs ait donné lieu à des performances limitées, ce travail démontre le fort potentiel de la classe des oxydes de pérovskites pour la création de dispositifs tout-pérovskite efficaces et stables.

Halide organic-inorganic photovoltaics and light-emitting diodes require suitable charge injection/extraction layers, which are crucial for several important processes governing performance and lifetime. While intensive research has been devoted to developing innovative p-type interfacial layers, materials with highly tunable properties and high photochemical stability remain in demand. This thesis explores oxide perovskites as interlayers for optoelectronic applications due to their stable physical properties under ambient conditions. SrTi0.7Fe0.3O3-δ (STFO) oxide perovskite thin film is utilized as charge extraction/injection layers for planar halide perovskite solar cells and light-emitting diodes. Using pulsed laser deposition (PLD), highly crystalline STFO thin layers on glass/FTO substrates have been successfully processed at relatively moderate temperatures (<400 °C) as compared to traditional deposition techniques. Additional thermal treatments, either by rapid thermal processing (RTP) or conventional thermal annealing, have been applied to the oxide thin films to further improve the larger crystal of the polycrystalline layers, and to tune their optical and electronic properties. When deposited on top of the oxide perovskite, FA0.85Cs0.15Pb(I0.85Br0.15)3 halide perovskite layer (suitable for photovoltaic PV energy conversion) show larger grain sizes and better crystalline order than compared to similar films deposited on top of reference p-type interlayer such as commercial PEDOT:PSS. Furthermore, the presence of the oxide resulted in a clear reduction of the fraction of optically inactive halide perovskite phase. This observation suggests that the perovskite interlayer positively impacts the growth mechanism of the halide perovskite active layer. Finally, annealed STFO layers induce longer exciton lifetime in the halide perovskite active layer, compared PEDOT:PSS. Similarly, the crystallization of the (PEA)2(MA)PbBr4 quasi-2D perovskite (suitable for light-emitting LED applications) on STFO layers was found to be of high quality, leading to comparable properties of layers deposited on top of classical PEDOT:PSS. Moreover, quasi-2D perovskite on STFO showed quite a long exciton lifetime. Although STFO thin films integrated into both halide perovskite PV and LED devices have conducted to limited performance, this work demonstrates the high potential of oxide perovskites towards efficient and stable all-perovskite devices.