Amélioration des cellules solaires à base de perovskite par incorporation de nanoparticules d'upconversion

Enhancing perovskite solar cells through upconversion nanoparticles insertion

• Auteur / Autrice : Mathilde Schoenauer
• Direction : Zhuoying Chen, Lionel Aigouy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 28/09/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et d’étude des matériaux (Paris ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Christel Laberty-Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Artem Bakulin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Antonio Garcia-Martin, Emmanuelle Deleporte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique non linéaire

Conversion photovoltaïque

Plasmons

Pérovskite

Photopiles

Mots clés libres

Cellules solaires perovskite

Nanoparticules d'upconversion

Effet plasmonique

Photoconversion IR

Optique non linéaire

Perovskite solar cells

Upconversion nanoparticles

Plasmonic effect

IR Photoconversion

Non-linear optics

Résumé

Les énergies renouvelables peuvent à la fois répondre au besoin croissant en énergie tout en répondant à la nécessité de décarboniser l’énergie. La ressource énergétique solaire est quasi infinie (la terre reçoit plus d’énergie solaire en une heure qu’elle en consomme en un an) mais reste pourtant peu exploitée. Les cellules solaires hybrides à base de perovskite connaissent depuis les années 2000 un essor sans précédent dans le monde de la recherche en technologies solaires. Elles appartiennent à la catégorie des films minces, et nécessitent donc bien moins de matière première que les cellules au silicium, pour le moment largement majoritaires sur le marché. Cependant, elles n’absorbent pas au-delà de 800 nm, et tout l’infra-rouge est donc non converti par ce type de cellules solaires. Ce doctorat a pour but d’augmenter l’absorption dans l’infrarouge et donc le rendement de la cellule solaire. Pour cela, on y place des particules appelées nanoparticules d’upconversion, qui convertissent un rayonnement infrarouge en visible. Il s’agit d’un phénomène d’absorption simultané de deux photons. Cet effet ayant un rendement assez faible, il convient de le booster par l’insertion de nanoparticules métalliques afin de pouvoir bénéficier de l’augmentation de l’intensité du champ électromagnétique dans leur voisinage proche (effet dit plasmonique). En combinant les deux types de particules on parvient à augmenter l’absorption des particules à upconversion, et en les plaçant tous deux dans une cellule solaire, on augmente donc son rendement.

Renewable energies represent nowadays one of the keys that can tackle at the same time energy supply needs and a sustainable environmental behavior. Photovoltaic devices convert the energy of sunlight into electricity, and solar energy remains one of the most common renewable energy sources. In the search for cost-effective solar cells, the recently discovered solution-processable hybrid organic-inorganic perovskites are considered as one of the most important candidates. They belong to the category of thin-film technologies and require much less and as abundant resource than Si. One limiting parameter of such photovoltaic devices is however the absorption of low-energy photons (wavelength over 800 nm, the near-infrared range). In order to address this specific loss of sub bandgap photons’ absorption, this PhD thesis aims to develop plasmonic-enhanced upconversion approaches to extend the spectral sensitivity of organo-metal halide perovskite solar cells to the near-IR spectrum. Near-infrared-to-visible up-conversion fluorescent materials can be used to widen the part of the spectrum used for electric current generation. Two low-energy photons are added up in order to give a higher energy photon. However, this effect has a rather small efficiency. This effect being quite inefficient, the idea is to combine those particles with metallic nanoparticles, that have the property to enhance electromagnetic field intensity at a certain wavelength (this is called plasmonic effect). By combining both types of particles, we thus enhance the activity of up-conversion materials (higher emission). Once implemented in a perovskite solar cell, this increases its efficiency.