Matériaux pérovskites hybrides : caractérisation des propriétés électroniques et stabilité à l’échelle nanométrique

Hybrid perovskite materials : characterization of their electrical properties and stability at the nanoscale

• Auteur / Autrice : Jaume Llàcer Martínez
• Direction : Didier Théron, Philippe Leclère
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021) en cotutelle avec Université de Mons
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie à sonde à balayage

Pérovskites

Photopiles

Mots clés libres

Microscopie à sonde locale

Perovskite materials

Résumé

Le réchauffement climatique constitue aujourd'hui une des principales préoccupations de notre société. Année après année, son impact et ses conséquences sont de plus en plus visibles. L'accord de Paris a fixé pour objectif de limiter les émissions de CO2, principalement issues de la demande croissante d'énergie à base de combustibles fossiles. Depuis, la communauté scientifique a multiplié ses efforts dans la recherche de sources alternatives d'énergie propres telles que les énergies renouvelables. À cet égard, l'énergie solaire est censée être une des principales sources d'énergie susceptibles de remplacer les combustibles fossiles. Par conséquent, les technologies photovoltaïques ont énormément évolué et les matériaux, dont notamment ceux à base de pérovskites hybrides organiques-inorganiques halogénées, ont été parmi les technologies ayant connu la croissance la plus rapide des performances des cellules solaires. En effet, les matériaux de type pérovskite possèdent des propriétés uniques telles que la flexibilité, le faible coût et la facilité de fabrication. Néanmoins, il reste encore quelques problèmes importants concernant leur stabilité face aux conditions atmosphériques. Cette thèse porte sur la caractérisation des propriétés électroniques, à l'échelle nanométrique, des couches minces à base de pérovskite au moyen de microscopies à sonde locale (Conducting AFM, Kelvin Probe Force Microscopy, and Scanning Microwave Microscopy).Dans ce domaine de recherche en pleine croissance, de nombreuses structures de pérovskite, des méthodes de dépôt et des voies de synthèse ont été développées et introduites dans des cellules solaires à base de pérovskite. La première partie de cette thèse consiste à détailler le contexte des matériaux pérovskites et à décrire la méthodologie utilisée dans le cadre de cette thèse. Ensuite, nous étudions et comparons les propriétés électroniques à la surface de matériaux pérovskites synthétisés suivant deux voies différentes. Il est également connu que l'ingénierie des dispositifs augmentait les performances et la stabilité des cellules solaires en pérovskite. Dans la seconde partie de cette thèse, nous montrons que, pour une structure de pérovskite donnée, la stabilité vis-à-vis de l'exposition contrôlée à des petites quantités d'eau peut être considérablement améliorée par l'optimisation de la synthèse. Pour terminer, nous proposons une série de conclusions et de perspectives qui pourraient aider à mieux comprendre le comportement de la pérovskite à l'échelle locale et à améliorer les performances des cellules solaires.

Global warming is one of the main concerns in our society nowadays, year after year the impact and consequences are becoming more visible. The Paris agreement set a target to limit the CO2 emission, which is mainly caused from the increasing demand for energy based on fossil fuels. Since then, the scientific community has increased their efforts on looking for clean energy sources such as renewable energies. In this regard, solar energy is meant to be one of the main energy sources that could replace fossil fuels. Therefore, photovoltaic technologies have evolved tremendously and, organic-inorganic hybrid halide perovskite materials have been one of the technologies with the fastest growth in solar cell performance. Perovskite materials possess unique properties such as flexibility, low-cost and ease to manufacture. Nonetheless, there are still some issues regarding their stability against atmospheric conditions that need to be understood. This dissertation focuses on the characterization of the electrical properties at the nanoscale of perovskite-based thin films by means of scanning probe microscopies (Conducting AFM, Kelvin Probe Force Microscopy, and Scanning Microwave Microscopy).In this growing field of research, many perovskite structures, deposition methods, and synthesis routes have been developed and introduced in perovskite-based solar cells. In the first part of this dissertation, the context of perovskite materials is detailed and the methodology used through the thesis is also described. Then, we study and compare the electronic properties at the surface of perovskite materials synthesized following two different routes. Moreover, it is known that device engineering can increase both, the performance, and the stability of perovskite solar cells. In a second part if the thesis, we show that for a given perovskite structure, the stability upon exposure to controlled small amounts of water can be significantly improved through the synthesis optimization. Finally, we provide a series of conclusions and perspectives that could help to further understand the perovskite behaviour at the local scale and to improve the cell performances.