Pérovskites hybrides : propriétés fondamentales et technologie des cellules solaires en couches minces

Hybrid Perovskites : Fundamental properties and solar cell thin film technology

• Auteur / Autrice : Daniel Sapori
• Direction : Jacky Even
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 14/03/2018
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....) - Institut des Sciences Chimiques de Rennes - Los Alamos national laboratory - Computational Laboratory for Hybrid and organic Photovoltaics - Institut des Fonctions Optiques pour les Technologies de l'informatiON / Institut FOTON
• Partenaire(s) de recherche : Comue : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Deleporte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacky Even, Emmanuelle Deleporte, Johann Bouclé, Guillaume Wantz, Nicolas Mercier, Laurent Pedesseau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Johann Bouclé, Guillaume Wantz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

Optoélectronique

Couches minces

Théorie de la fonctionnelle de densité

Pérovskites

Photopiles

Énergie solaire

Mots clés libres

Pérovskites halogénées

Pérovskites hybrides

Cellules solaires

Perovskites

Optoelectronics

Solar cells

Résumé

Dès à présent, le monde est face à des enjeux majeurs : augmentation de la production d'énergie, réduction des impacts de la production et de la consommation d'énergie sur l'environnement. La transition vers des énergies durables a déjà commencé. Le photovoltaïque a sa place parmi les énergies renouvelables qui permettront de relever ce défi. Ce travail de thèse porte sur les pérovskites hybrides halogénées et plus particulièrement leur utilisation dans des cellules solaires. En effet très récemment, ces matériaux ont attiré l'attention de la communauté scientifique en raison de leurs propriétés optoélectroniques remarquables : bande interdite directe, forte absorption de la lumière, longueurs importantes de diffusion des porteurs, propriétés optoélectroniques accordables mais aussi une fabrication aisée et à bas coût. En quelques années, le rendement a connu une augmentation spectaculaire de 3,8 % en 2009 à 22,7 % en 2017. Ainsi, ces derniers résultats placent les cellules pérovskites comme des concurrents potentiels face aux cellules solaires à base de silicium cristallin qui représentent aujourd'hui 90 % des cellules en service. Dans la conception des cellules solaires à base de pérovskite, la couche de pérovskite est généralement intercalée entre deux couches de transporteurs de charges : les couches de transporteurs d'électron et de trou (ETM et HTM, respectivement). La qualité de ces couches est essentielle pour obtenir de hauts rendements. Dans ce travail, les propriétés optoélectroniques des pérovskites halogénées sont étudiées ainsi que plusieurs couches de transport de charge.

In the future, the world has to face up to major challenges: increasing the energy production, reducing the environmental impact, moving towards sustainability in energy, etc. Renewable energies such as photovoltaics can meet these challenges. This thesis concerns hybrid halide perovskite materials and their use in solar cells. These materials have recently attracted a lot of attention owing to their direct bandgaps, strong light absorption, large carrier diffusion lengths, tunable optoelectronic properties, and their facile and low-cost fabrication In few years, their energy conversion efficiency has rapidly increased from 3.8 % in 2009 to 22.7 % in 2017, hence approaching efficiencies of crystalline silicon based-devices which represent 90% of commercial photovoltaic cells. In the design of perovskite cells, the perovskite photoabsorber is generally sandwiched by two interfacial layers that yield selective charge collections: the hole and electron transport layers (HTM and ETM). Good quality and adapted interfacial layers are required to obtained high efficiency cells. In this thesis, both the perovskite material and the interfacial layers are investigated.