Cellules solaires p-i-n à base de pérovskites halogénées

Stable p-i-n solar cells using metal halide perovskites

• Auteur / Autrice : Yuze Li
• Direction : Peter Reiss, Elisabeth Djurado
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie inorganique et bio inorganique
• Date : Soutenance le 09/02/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes moléculaires et nanomatériaux pour l’énergie et la santé (Grenoble ; 2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Bellet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Peter Reiss, Alain Ibanez, Philippe Lang
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Zhuoying Chen, Olivier Margeat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pérovskites

Photopiles

Couches minces

Mots clés libres

Couches minces

Cellules solaires

Thin films

Solar cells

Nanoparticles

Résumé

Le sujet principal de cette thèse est le développement de la couche de transport des charges positives (trous) utilisée dans des cellules solaires à base de pérovskites halogénées. Le matériau étudié pour cette application est l’oxyde de nickel (NiO) et trois voies différentes ont été explorées dans le but d’optimiser la cristallinité, la morphologie et les propriétés de transport des couches minces de NiO. Dans tous les cas l’influence sur les performances des cellules solaires pérovskite a été étudiée.Le chapitre 1 présente brièvement le contexte et l'état de la recherche photovoltaïque actuelle, et clarifie l'objectif de ce travail. Ensuite, les principes de base des cellules photovoltaïques sont présentés. Les caractéristiques des matériaux hybrides de pérovskite à base d’halogénures de plomb ainsi que des matériaux de transport de charge sont également discutées. Comme toile de fond des chapitres suivants, ce chapitre présente brièvement les problèmes d’architecture, de stabilité et d'hystérésis des cellules solaires pérovskite.Le chapitre 2 présente les techniques de dépôt des couches minces utilisées pour la fabrication des cellules solaires pérovskite et les techniques de caractérisation pour la couche de pérovskite et les couches de transport de charge. La caractérisation des cellules solaires pérovskite repose principalement sur des mesures de la densité du courant en fonction de la tension appliquée J(V) décrites dans le chapitre 1. L'utilisation combinée de ces mesures J(V), de la microscopie électronique à balayage (MEB) et de diverses méthodes spectroscopiques donne des pistes pour optimiser les cellules solaires à pérovskite.Le chapitre 3 concerne tout d’abord l'optimisation de la composition de la couche pérovskite en introduisant du PbI2 et de MACl afin de maximiser les performances en cellule solaire. Par la suite, nous nous sommes intéressés à la passivation de la couche de transport de trous (NiO) pour améliorer l'interface et la cristallinité de la couche de pérovskite. L'introduction d'une couche de passivation à base de la 4-diméthylaminopyridine n’a non seulement amélioré fortement le facteur de remplissage (fill factor) de la cellule solaire et par conséquent son rendement, mais également la stabilité sous atmosphère humide.Dans le chapitre 4 une nouvelle méthode de dépôt pour la couche conducteur de trous NiO est présentée par pulvérisation électrostatique (electrospray deposition, ESD). Cette méthode apporte une meilleure morphologie de surface et des couches NiO plus denses que la méthode conventionnelle de dépôt par enduction centrifuge (spin-coating). De plus, l’ESD permet d’introduire une quantité précise de dopants dans le NiO, comme par exemple le cuivre ou le lithium. En faisant varier les paramètres tels que la température et le temps de dépôt, nous avons obtenu des films minces de Cu:NiO denses et uniformes. Leur utilisation dans des cellules solaires pérovskite a permis d’améliorer efficacement les performances, notamment le fill factor.La préparation de la couche de transport de trous dans les chapitres 3 et 4 nécessite un traitement à haute température, ce qui peut limiter son application par exemple dans des cellules solaires souples ou tandem. Dans le chapitre 5 nous développons une nouvelle méthode de synthèse de nanoparticules de NiO. Ces particules d’une taille <10 nm sont synthétisées par voie chimique en solvant organique en présence de molécules stabilisantes appropriées. L’optimisation de la synthèse a permis de contrôler précisément la taille et la phase cristalline des nanoparticules. Nous démontrons également que les nanoparticules de NiO présentent un potentiel pour des cellules solaires pérovskite entièrement inorganique, en utilisant comme couche de transport d’électrons le SnO2.Les principaux résultats ainsi que les perspectives ouvertes par ce travail de thèse sont résumés dans le chapitre 6.

Chapter 1 briefly introduces the background and status of current photovoltaic research, and clarifies the purpose of this work. Then the basic principles of photovoltaics are introduced in detail. The characteristics of organic and inorganic lead halide perovskite materials and charge transport materials that constitute perovskite solar cells are also discussed. As the background of the subsequent chapters, this chapter briefly introduces the structure, stability and hysteresis problems of perovskite solar cells.Chapter 2 introduces the new thin film deposition technology (under the background of manufacturing perovskite solar cells) and the characterization technology applied to perovskite active materials and charge transport layers. The work in the remaining chapters mainly relies on the J-V scanning of perovskite solar cells, which will be described in Chapter 1. The combined use of J-V scanning and microscope, and spectroscopy provides guidance for optimizing perovskite solar cells.Chapter 3 discusses the use of composition optimization engineering to introduce excess PbI2 and MACl (to be presented in Chapter 1) in the perovskite precursors to maximize the performance of perovskite solar cells. Subsequently, we developed a simple hole transport layer passivation material to fix the contact problem at the interface and to increase the crystallinity of the perovskite crystals. The introduction of passivation layer not only improved the FF of the solar cell to a great extent, but also effectively improved the stability of the perovskite solar cell under humid atmosphere.Chapter 4, a novel thin film deposition method, Electrostatic Spray Deposition (ESD), is presented to prepare charge transport layers. This method brings better surface morphology and denser Cu:NiO films than the conventional spin-coating method. By varying the parameters such as temperature and deposition time, we obtained uniform dense Cu:NiO thin films. The application of this film to perovskite solar cells can effectively improve the performance of solar cells with favorable FF. In addition, this approach allows the use of different ions for the doping of NiO, such as Li.Chapter 5 describes a method for the synthesis of NiO nanoparticles. The preparation of the hole transport layer in Chapter 3 and 4 requires high temperature processing, which can limit the application of this NiO hole transport layer. In this chapter, ultra-small NiO nanoparticles are synthesized by trying different synthetic routes. The size of the nanoparticles is well controlled and has an excellent particle size distribution. The NiO nanoparticles show potential for application in all-inorganic charge transport layer perovskite solar cell devices.