Cellules solaires semi-transparentes en pérovskite pour des dispositifs tandem de grande surface à 4 terminaux à base de silicium

Semi-transparent perovskite solar cells for large area 4-terminal silicon-based tandem devices

• Auteur / Autrice : Émilie Raoult
• Direction : Stéphane Collin, Romain Bodeux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 18/05/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Deleporte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Collin, Gilles Lérondel, Émilie Planès, Peter Reiss, Jacky Even
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Lérondel, Émilie Planès

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation numérique

Cellules solaires organiques

Pérovskites

Mots clés libres

Cellule solaire tandem

Management optique

Pérovskite

Tandem solar cell

Light management

Perovskite

Résumé

Le marché actuel du photovoltaïque est dominé par les cellules solaires à base de silicium, dont les performances de laboratoire se rapprochent de plus en plus de la limite théorique. Pour dépasser cette limite, l'approche la plus prometteuse est l'utilisation d'une architecture tandem associant une cellule solaire à grand gap à une cellule en silicium. L'objectif de la thèse est de fabriquer une cellule pérovskite semi-transparente à haut rendement, stable et de grande taille pour la réalisation d'une cellule tandem 4-terminaux à base de silicium. Les pertes optiques liées à l'absorption des matériaux et à la réflexion aux différentes interfaces ont été analysées en détail en couplant modélisation et caractérisation optique, afin de guider le développement de cellules semi-transparentes efficaces. Le travail a porté en particulier sur le remplacement du contact métallique arrière des cellules conventionnelles en pérovskite par une électrode transparente en ITO, IZO ou IO :H, et par l'introduction de contacts sélectif en PTAA et SnO₂. Les empilements et les procédés ont été optimisés pour minimiser les pertes optiques et électriques, et améliorer la stabilité des dispositifs. Les études expérimentales réalisées sur des cellules pérovskite de petite surface et des cellules silicium filtrées, ont montré une efficacité potentielle de près de 25%. Elles ont également permis de mieux comprendre l'évolution temporelle des propriétés électriques, marquées par barrière électrique temporaire observé les premiers jours après la synthèse, puis s'estompant. Par ailleurs, le développement d'un procédé d'encapsulation a permis de maintenir une cellule pérovskite semi-transparente à plus de 90% de son efficacité initiale pendant plus de 2 mois. Enfin, une augmentation de la taille des dispositifs jusqu'à 16 cm² a été réalisée par la mise en série de plusieurs cellules pour former un mini-module avec une efficacité de surface active de 14,2%, et un tandem pérovskite sur silicium de même surface de 20,8%.

The current photovoltaic market is dominated by silicon-based solar cells, whose laboratory performance is getting closer and closer to the theoretical limit. To overcome this limit, the most promising approach is the use of a tandem architecture combining a wide bandgap solar cell with a silicon cell. The objective of the thesis is to fabricate a high efficiency, stable and large-size semi-transparent perovskite cell for the realization of a 4-terminal silicon-based tandem cell. The optical losses due to material absorption and reflection at the various interfaces were analyzed in detail by coupling optical modelling and characterization, in order to guide the development of efficient semi-transparent solar cells. In particular, the work focused on replacing the metallic back contact of conventional perovskite cells with a transparent electrode made of ITO, IZO or IO :H, and introducing selective PTAA and SnO₂ contacts. The stacks and processes were optimized to minimize optical and electrical losses, and improve the stability of the devices. Experimental studies on small area perovskite cells and filtered silicon cells have shown a potential efficiency of up to 25%. They also allowed a better understanding of the temporal evolution of the electrical properties, marked by a temporary electrical barrier observed in the first days after the synthesis, and then fading. In addition, the development of an encapsulation process has made it possible to maintain a semi-transparent perovskite cell at more than 90% of its initial efficiency for more than 2 months. Finally, an increase in the size of the devices up to 16 cm² was achieved by the series connection of several cells to form a mini-module with an active surface efficiency of 14.2%, and a perovskite-silicon tandem with the same surface area of 20.8%.