Formamidinium-Cesium (FA-Cs) based hybrid perovskite solar cells : A comprehensive simulation and experimental analysis

Cellules solaires pérovskite hybrides à base de formamidinium-césium (FA-Cs) : Simulation et analyse expérimentale

• Auteur / Autrice : Karthick Sekar
• Direction : Johann Bouclé, Velumani Subramaniam
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 16/04/2021
• Etablissement(s) : Limoges en cotutelle avec El Centro de Investigacion y de Estudios Avanzados del Insituto Politécnico National. Cinvestav (Méxique)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Jacky Even
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Johann Bouclé, Velumani Subramaniam, Jacky Even, Miguel García Rocha, Yasuhiro Matsumoto, Mauricio Ortega, Jose A. Chavez Caravayar, Dmitry Aldakov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plomb -- Réduction

Pérovskite

Photopiles

Mots clés libres

Pérovskites halogénées

Théorie de la fonctionnelle de la densité

Van der Waals

Constante élastique

Stabilité

Cellules solaires pérovskite

Simulation SCAPS-1D

Résistances série et shunt

Iodure de cuivre

Iodure de bismuth

Couche interfaciale

HTL

Formamidinium-lead-iodide-perovskite

Density-functional-theory

Van der Waals

Elastic constant

Stability

Perovskite solar cells

SCAPS-1D simulation

Series and shunt resistances

Copper iodide

Bismuth iodide

Interfacial layer

HTL

Résumé

En peu de temps, les cellules solaires hybrides pérovskites organique-inorganiques ont démontré une efficacité de conversion d'énergie (PCE) très impressionnante. Cependant, la stabilité réduite et la toxicité intrinsèque liée au Plomb sont un frein à leur future commercialisation. Cette thèse propose ainsi plusieurs stratégies pour adresser ces limitations, aussi bien d’un point de vue des simulation numériques que par une approche expérimentale. Dans un premier temps, l’utilisation d’un cation (Cs) et d’un halogène (Br) additionnels permettent d’envisager une meilleure stabilité de la phase référence FAPbI3 (formamidinium lead iodide). Ainsi, nous avons comparé les performances photovoltaïques expérimentales et simulées (à l’aide du logiciel SCAPS-1D) en fonction de la composition de la pérovskite. Il est ainsi établi que l'incorporation de petites quantités de Cs et de Br permet de stabiliser la phase pérovskite optiquement active, conduisant à une augmentation significative du rendement de conversion de puissance de 4 à 15% sous illumination standard. L'effet des résistances parasites a de plus été théoriquement évalué et discuté. Dans un second temps, nous avons cherché à réduire la teneur en plomb par un dopage avec du Cuivre ou du Bismuth par un ajout de d'iodure de cuivre (CuI) ou d'iodure de bismuth (BiI3) dans la solution précurseur permettant le dépôt de la couche active, en observant l’influence de ces éléments sur les performances et la stabilité des dispositifs fabriqués à l’échelle du laboratoire. Les cellules solaires dopées Cu ou Bi présentent des performances réduites par rapport au dispositif non dopé en raison de l'évolution de la morphologie et de la structure de la couche active, ainsi que d'une cinétique de recombinaison plus rapide sondée par des mesures de photo-tensions résolus en temps. Des simulations numériques utilisant SCPAS-1D ont en parallèle permis de préciser l’influence d’une couche interfaciale de BiI3 associée à différentes couches de transport de trous (HTL) et diverses électrodes. Cette dernière améliore efficacement l'extraction des trous par passivation des défauts, améliorant les performances PV du dispositif. En parallèle, la structure de la pérovskite FAPbI3 a été modélisée à l'aide du logiciel Materials Studio afin d’identifier les processus fondamentaux en lien avec la présence du cation organique. Le comportement de stabilité structurelle et mécanique de la cellule unitaire FAPbI3 en phase α a été systématiquement étudié sur la base des douze orientations possibles du cation organique formamidinium (FA) à l'intérieur de la cage cubique inorganique. Les paramètres de réseau, le déplacement de l'iode, les valeurs de constante élastique, la différence de densité électronique (EDD) et l'analyse de charge Mulliken fournissent des justifications factuelles pour préciser les phénomènes mis en jeu.

In a short period, the hybrid organic-inorganic perovskite solar cells demonstrated a higher power conversion efficiency (PCE) than other solar cells. However, the stability and toxicity issues restrict from entering into commercialization. Therefore, this thesis aims to tackle both mentioned issues to enhance the solar cell photovoltaic (PV) performance from a laboratory perspective. Especially, doping with cesium and bromide into formamidinium lead iodide (FAPbI3) perovskite to improve the phase stability. Also, using Copper and Bismuth is particularly relevant to diminish the lead content in the active layer while reducing the intrinsic limitations of FAPbI3 devices in terms of stability and defect states. Additionally, the FAPbI3 perovskite structure was modeled using Materials Studio software, and the numerical simulation of various solar cell models developed using SCAPS-1D software, which provides a physics insight into its operation. Both experimental and theoretical analyses allow us to understand the charge generation mechanism and the limitations of device current-voltage characteristics based on different doping/interlayer strategies over the perovskite composition to improve the device performance. The structural and mechanical stability behavior of the α-phase FAPbI3 unit cell was systematically investigated based on all the twelve possible orientations of organic FA cation inside the inorganic cubic cage. The lattice parameters, iodine shift, elastic-constant values, electron density difference (EDD), and Mulliken charge analysis provide factual justifications to understand the mechanism.