Etudes des propriétés d'interfaces pour les cellules solaires de nouvelle génération

Studies of interfaces' properties for next-generation solar cells

• Auteur / Autrice : Dylan Amelot
• Direction : Nadine Witkowski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 10/12/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Carrier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Cruguel, Debora Pierucci
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yvan Bonnassieux, Giancarlo Panaccione

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dispositifs optoélectroniques

Pérovskites

Nanocristaux semiconducteurs

États électroniques de surface

Surfaces

Cellules solaires organiques

Mots clés libres

Interface

Photoémission

Pérovskite

Cellule solaire

Nanocristaux

Surface

Interface

Photoemission spectroscopy

Perovskite nanocrystals

Organic solar cells

Résumé

Les cellules solaires émergentes consistent en l’empilement de couches minces de différents matériaux. Le rôle de ces couches est d’extraire et de transporter les charges libres qui sont générées par l’absorption du spectre solaire. L’ingénierie d’empilement de couches consiste à maximiser la séparation des charges et leur extraction vers les électrodes en limitant leur recombinaison. Les états de surface, L’alignement des niveaux d’énergie entre les matériaux et les potentiels aux interfaces dictent le comportement des charges photogénérées dans la cellule et sont responsables des performances des dispositifs. Mon travail de thèse explore les propriétés de différentes surfaces et interfaces présentent au sein des cellules solaires organiques et pérovskites. Dans une première étude, je mets en avant les propriétés d’une couche de transport d’électrons souvent utilisée dans les cellules solaires organiques et pérovskites, le dioxyde de titane, préparée à basse température et à l’interface avec des molécules organiques. Dans une seconde étude, je présente mes résultats concernant l’intégration de nanocristaux de pérovskites (PNC) de FAPbI3 dans les cellules solaires. La caractérisation des propriétés optoélectroniques des PNC et leur évolution aux interfaces avec une couche de transport d’électrons (TiO2) et de trous (MoO3) sont présentées. Des techniques de photoémission sont utilisées pour mettre en évidence les niveaux d’énergies et les propriétés électroniques des systèmes. Les résultats obtenus permettent de mieux comprendre le paysage énergétique et chimique aux interfaces entre ces matériaux et ainsi expliquer le comportement des charges dans ces cellules solaires.

Next-generation solar cells consist of thin-films of different materials stacked-up. The purpose of those layers is to extract and transport free charge carriers generated by the absorption of the solar spectrum. Engineering layers in a solar cell consist in maximizing the separation of the charge carriers and their extraction towards electrodes, and limiting their recombination. Surface states, energy level alignement between materials and potential at interfaces dictate the behavior of photogenerated charge carriers in solar cells, which is responsible for the performance of devices. Properties of different surfaces and interfaces in organic and perovskite solar cells are explored in my thesis work. In a first study, I present the properties of an electron transport layer extensively used in organic and perovskite solar cells, titanium dioxyde, prepared at low temperature and at the interface with organic molecules. In a second study, I present my results regarding the integration of FAPbI3 perovskite nanocrystals (PNC) in solar cells. The characterization of optoelectronic properties of PNC and their evolution at the interfaces with an electron transport layer (TiO2) and hole transport layer (MoO3) are presented. Photoemission spectroscopy techniques are used to reveal the energy levels and electronic properties of the different systems. The different results obtained in this work allow for a better understanding of the energetic and chemical landscape at the interfaces between the mentionned materials, and thus explains the behavior of charge carriers in the associated cells.