Analyse de la migration ionique et des caractéristiques de vieillissement pour les cellules solaires pérovskite halogénée en couches minces à base de triple cations et CH3NH3PbI3-xClx

Analysis of Ion Migration and Ageing Characteristics for Triple-cation and CH3NH3PbI3-xClx Perovskite Based Thin-Film Solar Cells

• Auteur / Autrice : Minjin Kim
• Direction : Yvan Bonnassieux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/10/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Wantz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvan Bonnassieux, Johann Bouclé, Emmanuelle Deleporte, Noëlla Lemaitre, Bernard Geffroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Johann Bouclé, Emmanuelle Deleporte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ions -- Migration et vitesse

Pérovskite

Photopiles

Nanotechnologie

Électricité

Mots clés libres

Cellules Solaires Pérovskite (PSCs)

Pérovskite halogénée à base de triple cations (3CP)

Migration ionique

Vieillissement

Spectroscopie d’Emission Optique par Décharge Plasma (GD-OES)

Spectroscopie d'Impédance (IS)

Perovskite Solar Cells (PSCs)

Triple-cation Lead Halide (3CP)

Ion migration

Ageing

GD-OES

Impedance Spectroscopy

Résumé

Les matériaux pérovskites hybrides organiques-inorganiques (HOIPs) ont suscité beaucoup de travaux de recherche en chimie et en science des matériaux de par leurs propriétés photoélectriques attrayantes. La découverte des potentialités de ce matériau a été considérée par la revue Science comme l'une des dix percées scientifiques les plus importantes en 2013. Les pérovskites halogénées à base de plomb ont été largement étudiés pour des applications photovoltaïques avec un rendement de conversion énergétique de plus de 25 %. Cependant, malgré leurs avantages de fabrication (procédé en solution à faible coût) et leurs propriétés exceptionnelles de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique, les matériaux HOIPs souffrent de plusieurs inconvénients tels que la stabilité environnementale qui entrave leur commercialisation. Il a été suggéré que la migration ionique dans les HOIPs pourrait avoir un impact sur les performances optoélectroniques et affecter le fonctionnement du dispositif et sa stabilité à long terme. Cependant, malgré des avancées considérables dans ce domaine de recherche, plusieurs questions concernant la physique des ions dans les matériaux pérovskites restent en suspens. Dans cette thèse, l’analyse de pérovskites hybrides de type CH3NH3PbI3-xClx (MAPI)et de type {3CP: (MA0.17FA0.83)0.95Cs0.05Pb(I0.83Br0.17)3 (MA: Methylammonium, FA: Formamidinium)} sont présentées à la fois en films minces et en cellules solaires (PSCs).Dans un premier temps, l’optimisation de la synthèse de la pérovskite hybride halogénée de type 3CP sera présentée grâce au procédé de distribution dynamique, au traitement anti-solvant et aux conditions de recuit. Les cellules solaires à base de pérovskite 3CP seront ensuite fabriquées selon une structure inversée (type p-i-n) et caractérisées optiquement et électroniquement.La spectroscopie d’émission optique par décharge plasma (GD-OES) a permis une mise en évidence expérimentale directe de la migration des ions dans les HOIPs à base de MAPI et de 3CP sous un champ électrique constant appliqué. Les résultats GD-OES in-situ et ex-situ ont montré que le 3CP avait une récupération plus rapide de la migration des ions par rapport au MAPI. Grâce à la Spectroscopie d'Impédance (IS), le phénomène d'accumulation d'ions à l'interface n'a été observé qu'avec un balayage de tension pendant 2 minutes (plage : -0,5 V +1,0 V). A partir de la mesure IS, une constante diélectrique relative de 17 (MAPI) et 19 (3CP) est calculée pour les matériaux pérovskites.Enfin, le mécanisme de vieillissement des PSCs a été étudié avec le vieillissement des performances des cellules solaires, les mesures d’IS et GD-OES. Une augmentation des ions accumulés à l’interface, due au vieillissement, est observée au bout de 10 jours. Les résultats démontrent que les ions halogénures de la couche HOIP diffusent dans l'électrode d'argent supérieure sous forme d'halogénures d'argent (AgI et AgBr) comme cela a déjà été proposé dans la littérature.L’étude de la migration des ions et du vieillissement a permis de mieux comprendre pourquoi la perovskite 3CP est plus stable que la MAPI. Lors du développement d’une pérovskite encore améliorée, cette étude peut suggérer un critère d’évaluation du matériau.

FHybrid organic-inorganic perovskite materials (HOIPs) have emerged as an exciting research topic in chemistry and materials science for their attractive photoelectrical properties. The discovery of the potential of this material was considered by the journal Science as one of the ten most significant scientific breakthroughs in 2013. Lead-halide perovskite materials have been extensively studied for photovoltaic applications with power conversion efficiency nowadays over 25%. However, despite their processing advantages (low-cost solution process) and outstanding solar to electrical energy conversion properties, HOIPs materials suffer from several drawbacks such as environmental stability impeding their commercialization. It has been suggested that ionic migration in HOIPs could impact optoelectronic performance and affect device operation and long-term stability. However, despite considerable advancements in this research domain, several questions with respect to the physics of ions in perovskite materials remain unsolved. In this thesis, analyses of CH3NH3PbI3-xClx (MAPI) and Triple-cation Lead Halide {3CP: (MA0.17FA0.83)0.95Cs0.05Pb(I0.83Br0.17)3 (MA: Methylammonium, FA: Formamidinium)} based perovskite thin films and solar cells are presented.In a first step, the synthesis of the halide perovskite layer (3CP) is optimized by controlling the deposition conditions such as anti-solvent treatment, annealing condition, and dynamic- dispense process. 3CP based Perovskite Solar Cells (PSCs) are then manufactured in the inverted (p-i-n) planar structure and characterized optically and electrically in a second step.Direct experimental evidence of ion migration in HOIPs (MAPI and 3CP) under an applied constant electric field was found by the Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy (GD-OES). In-situ and ex-situ GD-OES results showed that 3CP had faster ion migration recovery compared to MAPI. Through Impedance Spectroscopy (IS), the ion accumulation phenomenon at the interface was observed only with a voltage sweep for 2 min (range: -0.5 V ↔ +1.0 V). From IS measurement, a relative dielectric constant of 17 (MAPI) and 19 (3CP) is calculated for the perovskite materials.Finally, the ageing mechanism of the PSCs was investigated with solar cell performance ageing, IS, and GD-OES. An increase in ageing-related ion accumulation at the interface was observed for ten days. After long-term ageing, halogen ions were observed in the top silver electrode with GD-OES. The results demonstrate that halide ions in the HOIP layer diffuse into the top silver electrode in the form of silver halide (AgI and AgBr), as already mentioned in the literature.Researching ion migration and ageing characteristics proposes a perspective to understand why 3CP is more stable than MAPI. When developing a more improved perovskite material and evaluating the material properties, this study can suggest one criterion for material evaluation.