Hétérostructures et cellules tandem à base de silicium et pérovskites

Heterojunctions and silicon/perovskite tandem solar cells

• Auteur / Autrice : Aleksandra Bojar
• Direction : Jean-Paul Kleider, Philip Schulz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Collin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacky Even, Frédéric Sauvage, Giulia Grancini, Lars Korte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacky Even, Frédéric Sauvage

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pérovskites

Photopiles

Hétérojonctions

Mots clés libres

Pérovskites

Photovoltage de surface

Silicium

Photovoltaïque

Hétérojonctions

Photovoltaics

Perovskites

Silicon

Surface photovoltage

Heterojunctions

Résumé

Les matériaux pérovskites (PVK) hybrides connaissent un engouement retentissant depuis quelques années pour les applications photo- voltaïques, notamment car la combinaison d'une sous-cellule supérieure en PVK avec une sous-cellule inférieure en silicium cristallin (c-Si) dans une configuration tandem est une voie prometteuse pour dépasser la limite théorique de rendement d'une cellule unique. Malgré l'amélioration des performances de ces systèmes, la recherche fondamentale sur leur fonctionnement fait toujours défaut. Dans cette thèse nous avons mis en oeuvre un ensemble de techniques avancées de caractérisation pour analyser les propriétés de l'interface PVK/c-Si, dans le but de réduire les pertes par recombinaison des porteurs photoengendrés et par leur mauvaise extraction des cellules. En effectuant des mesures de phototension de surface (Surface Photovoltage, SPV) en fonction de la longueur d'onde à l'aide d'un système de microscopie à force atomique à sonde de Kelvin et en analysant les contributions de la surface et de l'interface, nous avons pu étudier le pouvoir de séparation des porteurs et révéler l'existence de variations lentes liées à des modifications d'ordre chimique. Les mesures complémentaires de phototension de surface dans une configuration métal-isolant-semi-conducteur et des études de spectroscopie de photoémission du système PVK/c-Si nous ont permis de reconstruire l'alignement des bandes à l'interface de ces deux matériaux. Nos résultats servent de base à l'étude de la compatibilité de pérovskites hybrides et du c-Si, en guidant ainsi le développement de cellules solaires tandem pérovskite-silicium dans des architectures de dispositifs monolithiques.

Perovskite (PVK) materials have been attracting a lot of attention in recent years for solar cell applications, notably because combining a top PVK subcell with a crystalline silicon (c-Si) bottom subcell in a tandem configuration is a promising way for overcoming the theoretical single-cell efficiency limit. Even though the performance of such devices has been well improved, the fundamental research of how this material system works is still lacking. While in practical solar cell devices, these two materials are normally not in direct contact, the knowledge of the carrier transport and band alignment at their interface would allow for a better understanding of their performance and compatibility. The aim of this thesis was to use a combined set of characterisation techniques to improve the understanding of the PVK/c-Si interface properties which can be used to develop strategies to reduce losses by minimising recombination of photogenerated carriers and improving their extraction in each sub-cell.By performing wavelength-dependent surface photovoltage measurements in Kelvin probe force microscopy configuration and analysing the surface and interface contributions to the signal measured at the top of the stack, we were able to determine whether the PVK/c-Si interface helps in carrier separation, or not, and to reveal long-term changes attributed to chemical-based processes. Complementary AC SPV measurements in a metal- insulator-semiconductor configuration and photoemission spectroscopy studies of the PVK/c- Si system allowed us to reconstruct the band alignment at the interface of these two materials. Our results serve as a foundation to study the compatibility of perovskite and c-Si, elucidating band alignment, charge transport and light induced photovoltage of this interface, and thus guiding the development of perovskite-silicon tandem solar cells in monolithic device architectures.