Comportements photo électrochimique et optoélectronique des nitrures de carbone amorphes (a-CNx) riches en azote

Photo-electrochemical and optoelectronic behaviors of nitrogen-rich amorphous carbon nitrides (a-CNx)

• Auteur / Autrice : Youssof Dandal
• Direction : Alain Pailleret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interfaces et systèmes électrochimiques (Paris ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Florence Garrelie
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuelle Deleporte, Fabrice Goubard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pérovskite

Semiconducteurs amorphes

Nitrures

Photopiles

Optoélectronique

Photoélectrochimie

Mots clés libres

Nitrures de carbone amorphes

Pulvérisation réactive magnétron en courant continu

Électrodépôt

Pérovskite

Cellules photovoltaïques

CH3NH3PbI3

Amorphous carbon nitrides

DC magnetron reactive sputtering

Perovskite

Electrodeposition

Photovoltaic cells

CH3NH3PbI3

Résumé

Avec la consommation rapide des énergies fossiles, un besoin urgent d'exploiter des sources d'énergie renouvelables, durables, efficaces et propres est apparu. L’énergie solaire se présente comme l’une des plus importantes d’entre elles et nécessite de ce fait le développement de cellules photovoltaïques innovantes présentant un rapport coût/performances optimal. Dans cette optique, il est démontré dans une première partie de ce travail de thèse que les nitrures de carbone amorphes constituent une famille fascinante de matériaux semi-conducteurs dont un grand nombre de propriétés sont modulables en fonction des paramètres de dépôt lorsque la technique de dépôt est la pulvérisation réactive cathodique magnétron en courant continu. Ainsi, l’épaisseur, la composition chimique, l’hybridation entre le carbone et l’azote, la conductivité électronique, le gap, l’énergie d’Urbach, la concentration de porteur, et même le type (n ou p) de ces matériaux semi-conducteurs varient en fonction de la puissance, de la pression totale et de la pression partielle dans le plasma. Au sein du large éventail de couches minces d’a-CNx ainsi exploré, quelques-unes ont été sélectionnées en vue de leur implication dans des cellules solaires à pérovskite (PSCs). Pour cela, la pérovskite CH3NH3PbI3, un semi-conducteur de type p bien connu, a été synthétisée en combinant une étape d’électrodépôt de PbO2 avec deux étapes successives de conversion chimique, d’abord en PbI2 puis en pérovskite, réalisées par trempage dans deux solutions alcooliques différentes. Il a été démontré à cette occasion que la concentration de porteur de la pérovskite obtenue et le pourcentage de PbI2 résiduel sont modulables à l’aide des paramètres de trempage. Enfin, dans la troisième et dernière partie de ce travail, des hétérojonctions photovoltaïques associant la pérovskite CH3NH3PbI3 et une couche d’a-CNx ont été élaborées. Le rendement de conversion de puissance (PCE) de ce type de jonction atteint 3% au sein de cellules verre/ITO/CH3NH3PbI3/a-CNx/Au sans véritable effort d’optimisation. L'efficacité d'une telle jonction a également été validée par des approches numériques à l'aide du logiciel SCAPS 1D. Ce travail a donc conduit à la première intégration réussie d’une couche d’a-CNx dans une cellule solaire à pérovskite. De ce fait, il ouvre la voie au développement d’une nouvelle génération de cellules photovoltaïques prometteuses à base de matériaux a-CNx.

With the rapid consumption of fossil fuels, an urgent need to exploit renewable, sustainable, efficient and clean energy sources has emerged. Solar energy is one of the most important of these and therefore requires the development of innovative photovoltaic cells with an optimal cost/performance ratio. With this in mind, it is demonstrated in a first part of this thesis work that amorphous carbon nitrides constitute a fascinating family of semiconducting materials whose many properties can be modulated according to the deposition parameters when the deposition technique is the direct current magnetron cathodic reactive sputtering technique. Thus, the thickness, chemical composition, hybridization between carbon and nitrogen, electronic conductivity, energy gap, Urbach energy, carrier concentration, and even the type (n or p) of these semiconducting materials vary depending on the power, total pressure, and partial pressure in the plasma. Within the wide range of a-CNx thin films explored, a few have been selected in view of their insertion in perovskite solar cells (PSCs). For this, the perovskite CH3NH3PbI3, a well-known p-type semiconductor, was synthesized by combining an electrodeposition step of PbO2 with two successive chemical conversion steps, first into PbI2 and then into the perovskite, carried out by soaking in two different alcoholic solutions. It was demonstrated on this occasion that the concentration of carrier in the perovskite obtained and the percentage of residual PbI2 are adjustable using the soaking parameters. Finally, in the third and final part of this work, photovoltaic heterojunctions combining the perovskite CH3NH3PbI3 and a layer of a-CNx were developed. The power conversion efficiency (PCE) of this type of junction reaches 3% within glass/ITO/CH3NH3PbI3/a-CNx/Au cells without any real optimization effort. The efficiency of such a junction has also been validated by numerical approaches using the SCAPS 1D software. This work therefore led to the first successful integration of an a-CNx layer into a perovskite solar cell. As a result, it paves the way for the development of a new generation of promising photovoltaic cells based on a-CNx materials.