Synthèse par ALD et caractérisation de couches extractrices d'électrons pour application dans les cellules solaires à base de pérovskite

Synthesis by atomic layer deposition and characterization of electron transport layer for application in perovskite solar cells

• Auteur / Autrice : Olivier Fournier
• Direction : Laurent Lombez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 19/07/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Photovoltaïque d’Île-de-France (Palaiseau ; 2014-....) - Institut Photovoltaïque d’Île-de-France (Palaiseau ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de chimie (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Deleporte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zhuoying Chen, Giulia Grancini, Peter Reiss

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimie des surfaces

Effet photovoltaïque

Pérovskites

Mots clés libres

Pérovskite halogénée

Cellule solaire

Atomic layer deposition

Couche inorganique extractrice d'électrons

Interfaces

Photovoltaïque

Halide perovskite

Solar cell

Ald

Inorganic electron transport layer

Interfaces

Photovoltaics

Résumé

L'intérêt éveillé par les cellules solaires à base de pérovskite dans la communauté photovoltaique (PV) est allé grandissant ces 10 dernières années, dû notamment aux excellentes propriétés opto-électroniques de ces matériaux, à la diversité de leurs applications potentielles et à leur attractivité économique.Cette technologie est attendue sur le marché du PV d'ici 2023, mais certains défis tels que la stabilité des cellules ou le passage à l'échelle industrielle restent à relever afin de garantir son industrialisation.Une stratégie consiste à optimiser les couches extractrices de charge qui doivent garantir une bonne sélectivité vis-à-vis des porteurs de charge et assurer une bonne interface avec la pérovskite.Le dépôt chimique en phase vapeur à flux alternés (Atomic Layer Deposition - ALD) est une méthode de dépôt industrielle permettant la synthèse de nombreux matériaux.Les films minces déposés par ALD sont denses, homogènes, sans piqûres, conformes, et leur épaisseur et leur composition peuvent être contrôlées à l'échelle nanométrique.L'ALD apparait donc comme un candidat idéal pour déposer ces couches extractrices de charge.Cette thèse s'est intéressée au développement et à la caractérisation de divers oxydes par ALD.Le SnO2 et le TiO2 ont été développés à l'Institut Photovoltaïque d'Île-de-France (IPVF) à partir de deux procédés pour chaque matériau.A partir des caractérisations des couches minces obtenues, un procédé a été retenu pour chaque matériau en vue d'une intégration dans un dispositif PV en tant que couches inorganiques extractrices d'électrons.L'intégration d'une couche compacte de TiO2-ALD (15 nm) dans une architecture mésoporeuse a été démontrée, et ses propriétés comparées à la couche compacte standard déposée par pyrolyse d'aérosol.Des efficacités de conversion similaires de 19% ont été montrées, ainsi qu'une meilleure homogénéité engendrant une meilleure reproductibilité des résultats; ce moyen de dépôt est maintenant utilisé pour les cellules de référence à l'IPVF.L'intégration du SnO2-ALD est aussi présentée.Une couche de 10 nm de SnO2 a montré des efficacités moyennes dues à un déficit dans le facteur de forme.L'ajout d'une couche organique a résolu ce problème et a permis d'atteindre des performances de 16%.Enfin, la modification de ZnO-ALD par des dérivés de l'acide phosphonique a été étudiée.L'organisation des molécules à la surface du ZnO, puis leur effet sur la croissance de la pérovskite ont été détaillés, mais les résultats de cellules complètes restent très faible.

Perovskite solar cells have sparked a large interest in the photovoltaic community in the last 10 years due to their expedient optoelectrical properties, their vast scope of applications and their economical attractiveness.They are expected to reach the market by 2023, but challenges have to be tackled first, among which upscale and stability issues.To do so, a strategy is to work on the charge transport layers.They need to ensure a high selectivity towards one charge carrier, and have a good interface.Atomic layer deposition is an industrial deposition technique which allows for the synthesis of a large variety of materials.ALD layers are dense, homogeneous, conformal, pinhole-free and their thickness and composition can be controlled at the nano-scale.ALD hence appears as an ideal candidate to deposit the charge extraction layers.This thesis focuses on the development and on the characterization of various oxides by ALD.SnO2 and TiO2 have been developed at the Institut Photovoltaïque d'Île-de-France (IPVF) with two different processes for each material.Their properties in regard of an integration in perovskite solar cells as inorganic electron transport layers have been explored, and one process for each material has been chosen.The advantageous integration of a 15 nm-thick ALD-TiO2 layer has been demonstrated as compact blocking layer in a mesoporous architecture, and compared to a blocking layer deposited by spray pyrolysis.Similar power conversion efficiencies (PCE) up to 19% have been achieved, with a higher homogeneity of the ALD layer leading to a better reproducibility of the results now used in the baseline production at IPVF.The integration of ALD-SnO2 in planar structures is also discussed.The 10 nm-thick layer alone was found to give mediocre efficiencies due to a lack of fill factor.The addition of an organic interlayer solved this issue allowing for PCE up to 16%.Finally an analysis of the interface between ALD-ZnO modified by phosphonic acid derivatives and a perovskite absorber is proposed.The organization of the molecules at the surface of ZnO and their impact on the perovskite have been determined, but the performances of full devices are poor.