Élucider l'interaction, la stabilité et la dynamique de transfert de charge à l'interface nanocristal de pérovskite aux halogénures de plomb / dichalcogénure de métal de transition 2D pour les applications de cellules solaires

Elucidating interplay, stability and charge transfer dynamics at lead halide perovskite nanocrystal / 2D transition metal dichalcogenide interface for solar cell applications

• Auteur / Autrice : Azmat Ali
• Direction : Nadine Witkowski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 14/11/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Philip Schulz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arnaud Etcheberry, Selina Olthof

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de photoélectrons

Photopiles

Halogénures

Pérovskites

Nanocristaux

Mots clés libres

Pérovskite

Nanocristal

Interface

Perovskite

Nanocrystals

Interface

Résumé

Les pérovskites d'halogénure de plomb sont considérées comme des candidats sérieux pour la prochaine génération de photovoltaïques, mais l'instabilité intrinsèque des pérovskites d'halogénures reste un obstacle à la commercialisation de cette technologie. Les propriétés remarquables des pérovskites d'halogénure, CsPbBr3 entièrement inorganique, utilisées dans cette thèse, lorsqu'elles sont combinées aux propriétés exceptionnelles des nanocristaux (NC), peuvent donner lieu à un matériau qui possède les attributs des deux. Cependant, les propriétés fondamentales des NCs de pérovskite sont fortement modifiées à l'interface avec les couches de transport de charge et par l'exposition à la lumière. Cette thèse étudie, à l'aide de la spectroscopie de photoélectrons (PES), les processus dynamiques qui se produisent à la surface et dans les interfaces des NCs CsPbBr3 sur les métaux, les semi-conducteurs et les oxydes, lorsqu'ils sont exposés à la lumière infrarouge (IR) et à la lumière ultraviolette (UV). La décomposition de la pérovskite sur tous les substrats sous illumination UV donne un produit de dégradation commun de plomb métallique (Pb0) et de bromure gazeux (Br2(g)). Cependant, pour les NCs CsPbBr3 sur l'or (Au), l'irradiation par la lumière UV et les rayons X intenses conduit non seulement au produit de dégradation anticipé, Pb0 et Br2(g), mais donne également lieu à une nouvelle espèce chimique, qui est associée au dépôt sous-potentiel de plomb (PbUPD) sur la surface de l'Au. En outre, il est démontré que l'UPD de Pb ne se produit que lorsque la structure pérovskite se brise et qu'un contact direct entre la pérovskite et l'Au est établi. De plus, la dégradation des NC de pérovskite par la lumière UV en ce qui concerne la formation de plomb métallique se produit dans une moindre mesure sur ITO et MoOx que sur MoS2 et Au, ce qui révèle que les substrats avec des bandes interdites plus larges empêchent la décomposition de la pérovskite. De même, on observe des effets différents des NCs à la lumière IR sur Au, MoS2 et MoOx. L'illumination IR affecte les NCs de pérovskite sur Au de la même manière que la lumière UV et les rayons X intenses, mais aucun gaz de bromure n'est formé. L'illumination IR des NCs CsPbBr3 sur MoS2 et MoOx entraîne un phénomène photoélectrique de surface intra-bande. Cette tension provient des défauts profonds situés au milieu de la bande interdite. Cependant, aucune décomposition de la pérovskite n'est observée. Les résultats de cette thèse mettent en évidence les propriétés de la pérovskite qui dépendent du substrat et leur influence lorsqu'elle est exposée à la lumière IR et UV.

Lead halide perovskites are considered strong contenders for the next generation of photovoltaics, nonetheless the intrinsic instability of halide perovskite remains a bottleneck for the commercialization of this technology. The striking properties of halide perovskites, fully inorganic CsPbBr3, used in this thesis, when combined with the exceptional properties of nanocrystals (NCs), can result in a material that possesses the attributes of both. Yet, the fundamental properties of perovskite NCs are strongly modified at the interface with charge transport layers and exposure to light. In this thesis, using photoelectron spectroscopy (PES), the dynamical processes that occur at the surface and in the interfaces of CsPbBr3 NCs on metals, semiconductors and oxides, when exposed to infrared (IR) and ultraviolet (UV) light are investigated. The decomposition of perovskite on all the substrates under UV illumination gives a common degradation product of metallic lead (Pb0) and bromide gas (Br2(g)). However, for the CsPbBr3 NCs on gold (Au), both UV light and intense x-rays irradiation not only leads to the anticipated degradation product, Pb0 and Br2(g), but also gives rise to a new chemical specie, which is associated with the underpotential deposition of lead (PbUPD) on the Au surface. Furthermore, UPD of Pb is shown to occur only when the perovskite structure breaks and a direct contact of perovskite and Au is made. Moreover, UV light degradation to the perovskite NCs with regard to metallic lead formation occurs to a lesser extent on ITO and MoOx than on MoS2 and Au, revealing that substrates with wider bandgaps prevent the decomposition of the perovskite. Similarly, different effects of NCs to IR light is observed on Au, and MoS2 and MoOx. IR illumination affects the perovskite NCs on Au in the same way as the UV light and intense x-rays do, but no bromide gas is formed. IR illumination of the CsPbBr3 NCs on MoS2 and MoOx results in intraband surface photovoltage. This photovoltage stems from the deep defects-states located in the middle of the bandgap. However, no decomposition of the perovskite is observed. The findings of this thesis emphasize the substrate dependent properties of the perovskite and their influence when exposed to IR and UV light.