Fabrication de dispositifs photovoltaïques sur grande surface à base de perovskite hybride

Fabrication of large-area hybrid perovskite solar cells

• Auteur / Autrice : Sophie Bernard
• Direction : Frédéric Sauvage
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des solides et sciences des matériaux. Matériaux, transport et stockage de l'énergie
• Date : Soutenance le 17/01/2022
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de réactivité et chimie des solides (Amiens ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Sophie Cassaignon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tom Aernouts, Solenn Berson, Albert Nguyen Van Nhien, Philip Schulz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Johann Bouclé, Zhuoying Chen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stockage

Énergie solaire

Pérovskite

Générateurs photovoltaïques

Mots clés libres

Photovoltaïque

Slot-Die

Matériaux

Procédé

Énergie

Photovoltaic

Materials

Process

Energy

Résumé

Les technologies PV émergentes, telles que le matériau pérovskite, représentent une voie passionnante pour propulser l'énergie solaire au premier plan. Plusieurs propriétés intrinsèques de la pérovskite, un coefficient d'absorption élevés, les longues longueurs de diffusion des porteurs et la possibilité de modifier la bande interdite, ont déjà contribué à démontrer le fort potentiel de cette nouvelle technologie PV. L'amélioration rapide des performances des dispositifs à base de pérovskite en a fait l'étoile montante du monde du photovoltaïque. Aujourd'hui, le meilleur dispositif affiche un rendement de 25,5%. Cependant, le transfert des dispositifs photovoltaïques à base de pérovskite vers des procédés de fabrication grande taille reste un véritable défi. Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur les différentes questions liées au transfert du matériau pérovskite vers des méthodes de dépôt évolutives. Au cours des dernières années, des progrès remarquables ont été réalisés dans la fabrication de dispositifs pérovskite à plus grande échelle, améliorant rapidement l'efficacité et l'échelle des modules pérovskite. Ces développements ont été facilement transférés aux structures en tandem, ce qui a entraîné une augmentation de l'efficacité qui a suivi de près la tendance des dispositifs au silicium à simple jonction. En revanche, les rendements des modules PSC de grande surface sont encore nettement inférieurs à ceux des dispositifs à cellule unique, ce qui souligne la nécessité de poursuivre les recherches. Dans cette optique, nous nous sommes concentrés sur la composition de la solution de précurseurs de pérovskite afin de répondre aux nouvelles contraintes liées à la fabrication à grande échelle. Cette thèse est divisée en quatre chapitres. Tout d'abord, un chapitre est consacré à un état de l'art sur l'énergie photovoltaïque et, plus particulièrement, sur les cellules solaires à base de pérovskite. Ensuite, nous avons décrit toutes les étapes menant à la fabrication d'un dispositif complet. Pour la couche d'absorption, un système combiné de dépôt par slot-die et d'aspiration sous vide a été développé tout au long de ce travail. Dans cette deuxième partie les paramètres de dépôt par slot-die ont été optimisés. Ces paramètres ont ensuite été utilisés pour étudier l'ajout d'un tensioactif zwitterionique dans la solution de précurseurs de pérovskite. Le troisième chapitre est consacré à la fabrication d'une couche de pérovskite avec l'ajout de MACl comme agent complexant. Les caractéristiques du matériau pérovskite en fonction de la concentration de l'additif et des conditions de recuit sont présentées. Nous avons également étudié la stabilité de dispositifs complets encapsulés à base de pérovskite, exposés à une illumination solaire pendant 300 heures. Enfin, des modules de 12 cm² ont été fabriqués avec un rapport MACl optimisé. Dans le dernier chapitre, le surfactant zwitterionique et les propriétés du MACl ont été combinés pour obtenir une couche de pérovskite de haute qualité. Une attention particulière a été portée sur les propriétés de rugosité de surface. Dans cette partie, les performances des dispositifs solaires avec deux couches de transport de trous différentes (Spiro-OMeTAD et PTAA) ont été comparées. Dans le but ultime de valider la compatibilité potentielle de notre structure pour des applications tandem, nous avons fabriqué des dispositifs semi-transparents et caractérisé leurs performances. Enfin, les efficacités potentielles de dispositifs pseudo-tandem ont été calculées

Emerging PV technologies, such as perovskite material, represent an exciting avenue to propel solar energy to the forefront. Several intrinsic properties of perovskite, such as a high absorption coefficient, long carrier scattering lengths, and possible bandgap tuning, already contributed to demonstrate the high potential of this new PV technology. The rapid improvement in the performance of perovskite-based devices has made them the rising star of the PV world. Today, the best device has an efficiency of 25.5%. However, the transfer of perovskite-based photovoltaic devices to large-scale manufacturing processes remains a real challenge. In this thesis, we focused on the various issues related to the transfer of perovskite material to scalable deposition methods. During the past few years, remarkable progress in large-scale PSC manufacturing has been made, quickly improving the efficiency and scale of PSCs modules. These developments were easily transferred to tandem structures, resulting in efficiency increases that closely followed the trend of single-junction silicon devices. On the other hand, the efficiencies of large-area PSC modules are still significantly lower than those of single-cell devices, highlighting the need for further research. With this in mind, we focused on the composition of the perovskite precursor solution to address the new constraints of large-scale fabrication. This thesis is divided into four chapters.First, a chapter is devoted to a state of the art on photovoltaics and, more specifically, on perovskite-based solar cells. Then, we described all the steps leading to the fabrication of a complete device. For the absorption layer, a combined slot-die deposition and vacuum suction system has been developed throughout this work. In this second part, the slot-die deposition parameters have been optimized. These parameters were then used to study the addition of a zwitterionic surfactant in the perovskite precursor solution.The third chapter is devoted to the fabrication of a perovskite layer with the addition of MACl as a complexing agent. The characteristics of the perovskite material as a function of the additive concentration and annealing conditions are presented. We also studied the stability of complete perovskite-based encapsulated devices exposed to solar illumination for 300 hours. Finally, 12 cm² modules have been fabricated with an optimized MACl ratio. In the last chapter, zwitterionic surfactant and MACl properties were combined to obtain a high quality perovskite layer. Special attention was paid to the surface roughness properties. In this part, the performance of solar devices with two different hole transport layers (Spiro-OMeTAD and PTAA) were compared. With the ultimate goal of validating the potential compatibility of our structure for tandem applications, we fabricated semi-transparent devices and characterized their performance. Finally, the potential efficiencies of pseudo-tandem devices have been calculated