Etude de l'interface des couches de transport de charge en oxyde métallique basées sur l'Atomic Layer Deposition et les pérovkites halogénées métalliques

Interface Study of Atomic Layer Deposition based Metal Oxide Charge Transport Layer on Metal Halide Perovskite

• Auteur / Autrice : Nitin Mallik
• Direction : Philip Schulz, Nathanaëlle Schneider
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 08/12/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Photovoltaïque d’Île-de-France (Palaiseau ; 2014-....) - Institut Photovoltaïque d'Île-de-France / IPVF
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Wantz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philip Schulz, Nathanaëlle Schneider, Anass Benayad, Thomas Riedl, Elise Bruhat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anass Benayad, Thomas Riedl

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de photoélectrons

Atomic Layer Deposition

Pérovskite

Mots clés libres

Perovskite Solar Cells

Interfaces

Atomic layer deposition

Hard X-Ray Photoelectron Spectroscopy

Perovskite Solar Cells

Interfaces

Atomic layer deposition (ALD)

Hard X-Ray Photoelectron Spectroscopy

Résumé

Ces dernières années, les cellules solaires à pérovskite d'halogénure métallique (MHP) ont attiré l'attention des chercheurs en raison des progrès rapides de l'efficacité de conversion de l'énergie (PCE) au-delà de 25 %. Cette amélioration extraordinaire du PCE dans les cellules solaires à pérovskite (PSC) a été réalisée à la lumière de la compréhension fondamentale croissante des MHP et de l'amélioration de l'ingénierie de l'interface. Cependant, à ce jour, la stabilité à long terme des PSC, qui est intrinsèquement affectée par leurs interfaces, reste une question clé pour des applications généralisées.La thèse de doctorat se concentre sur la mise en œuvre d'une couche de transport de charge à base d'oxyde métallique par atomic layer deposition (ALD) afin d'adapter les interfaces des cellules solaires à pérovskite. Les films d'oxyde métallique compacts obtenus par ALD ont suscité une grande attention pour la fabrication de cellules solaires pérovskites stables. Malgré les avantages de l'ALD, le dépôt d'oxydes métalliques directement sur la pérovskite nue n'a pas encore pu être réalisé sans endommager la couche de pérovskite sous-jacente. En outre, les changements des propriétés physicochimiques et électroniques à l'interface de la pérovskite lors de l'exposition aux précurseurs ALD peuvent altérer le matériau et donc la fonctionnalité du dispositif.La première partie de la thèse se concentre sur l'étude de l'interface entre l'absorbeur MHP et la couche de transport d'électrons ALD-SnO2 par spectroscopie photoélectronique à rayons X durs basée sur le synchrotron (HAXPES). Nous avons trouvé des preuves évidentes de la formation de nouvelles espèces chimiques (composés d'azote, dihalides de plomb) et d'une courbure de bande vers le haut dans le MHP et vers le bas dans le SnO2 en direction de l'interface MHP/ALD-SnO2. La courbure ascendante à l'interface forme une couche de barrière électronique, qui nuit aux performances de la PSC. En outre, nous évaluons l'efficacité de l'introduction d'une fine couche intermédiaire d'ester méthylique de l'acide phényl-C61-butyrique (PCBM) entre le MHP et l'ALD-SnO2 pour atténuer les effets du dépôt ALD.Le chapitre suivant examine les cellules solaires pérovskites n-i-p avec une couche intermédiaire ALD-NiOx pour le transport des trous. La composition chimique des interfaces pérovskite et ALD-NiOx a été analysée par XPS et HAXPES, ce qui a permis de découvrir des défauts chimiques, notamment des composés azotés, à l'interface. L'échantillon MHP/NiOX a montré des changements stœchiométriques, tels que l'iode, le césium, des déficiences en azote, et une teneur élevée en plomb, indiquant des défauts à l'interface dus aux interactions MHP-ALD-NiOx. L'ajout d'une couche intermédiaire de 20 nm de poly(triaryl amine) (PTAA) a réduit les interactions MHP-ALD-NiOx, ce qui a permis d'améliorer les performances et la stabilité des cellules. Le dernier chapitre examine l'utilisation d'une SAM à base d'acide phosphonique entre la MHP et l'ALD-NiOX dans une architecture n-i-p afin de prévenir les réactions interfaciales indésirables.

In recent years, metal halide perovskite (MHP) solar cells have attracted immense attention among researchers due to the rapid advances in power conversion efficiency (PCE) beyond 25%. Such extraordinary improvements in PCE in perovskite solar cells (PSCs) were made in light of the growing fundamental understanding of MHPs and improved interface engineering. However, to this date, the long-term stability of PSCs, which is inherently affected by their interfaces, remains a key issue for widespread applications.The Ph.D. thesis focuses on the implementation of an atomic layer deposition (ALD)-based metal oxide charge transport layer to tailor the interfaces of perovskite solar cells. ALD-grown compact metal oxide films have drawn immense attention for the fabrication of stable PSC. Despite the advantages of ALD, the deposition of metal oxides directly on bare perovskite has so far not been achieved without damaging the perovskite layer underneath. In addition, the changes to the physicochemical and electronic properties at the perovskite interface upon exposure to the ALD precursors can alter the material and hence device functionality.The first part of the thesis focuses on synchrotron-based hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) investigation of the interface between MHP absorber and ALD-SnO2 electron transport layer. We found clear evidence for the formation of new chemical species (nitrogen compound, lead dihalides) and an upward band bending in the MHP and downward band bending in the SnO2 towards the MHP/ALD-SnO2 interface. The upward bending at the interface forms an electron barrier layer, which is detrimental to the PSC performance. In addition, we assess the effectiveness of introducing a thin Phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) interlayer between MHP and ALD-SnO2 to mitigate the effects of ALD deposition.The next chapter examines n-i-p perovskite solar cells with an ALD-NiOx hole-transport interlayer. XPS and HAXPES were used to analyze the chemical composition of the perovskite and ALD-NiOx interfaces, uncovering chemical defects, including nitrogen compounds, at the interface. The MHP/NiOx sample showed stoichiometric changes, such as iodine, cesium, nitrogen deficiencies, and high lead content, indicating defects at the interface due to MHP and ALD-NiOx interactions. Adding a 20 nm poly(triaryl amine) (PTAA) interlayer reduced MHP and ALD-NiOx interactions, resulting in better cell performance and stability. The last chapter examines the use of a phosphonic acid-based SAM between MHP and ALD-NiOx in an n-i-p architecture to prevent unwanted interfacial reactions.