Étude du comportement des cellules solaires pérovskites aux irradiations protons et électrons

Study of the perovskite solar cells behaviour under proton and electron irradiations

• Auteur / Autrice : Carla Costa
• Direction : Thierry Nuns, Romain Cariou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectroniques
• Date : Soutenance le 23/10/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Optronique, laser, imagerie physique, environnement Spatial (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Physique, Instrumentation, Environnement, Espace (DPHY) (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Mireille Richard-Plouet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Nuns, Romain Cariou, Philip Schulz, Philippe Christol, Dominique Vergnet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philip Schulz, Philippe Christol

Mots clés

Mots clés contrôlés

Protons

Électrons

Cellules solaires polymères

Pérovskite

Mots clés libres

Pérovskite

Cellules solaires

Électrons irradiations

Protons irradiations

Vide

Caractérisation in-Situ

Perovskite

Solar cells

Electron irradiations

Proton irradiations

Vacuum

In-Situ characterizations

Résumé

L'émergence récente de l’industrie spatiale privée "New Space" se traduit par la recherche de matériaux et dispositifs photovoltaïques alternatifs, offrant un compromis en termes de coût, masse, performances et disponibilité industrielle à grande échelle. Les cellules solaires pérovskites (PSCs) apparaissent comme une rupture technologique potentielle, avec des perspectives de gains de plusieurs ordres de grandeur sur les coûts (€/W), la puissance spécifique (W/g) & volumique (W/m3). Cependant, pour atteindre ces objectifs, il reste primordial d’améliorer la connaissance des phénomènes de vieillissement des PSCs en environnement spatial. Dans ce contexte, les principaux objectifs de cette thèse étaient : i) étudier l'influence de la composition et de l’architecture des PSCs sur la résistance aux irradiations protons et électrons, ii) analyser et développer la compréhension des phénomènes de dégradations, iii) proposer des stratégies (matériaux/dispositifs) pour améliorer les performances de fin de vie.L’état de l’art du domaine a permis de rassembler les connaissances sur le vieillissement en environnement spatial, et plus particulièrement sur l’interaction des particules chargées avec les matériaux et les cellules solaires. Ce sujet est bien documenté pour les cellules solaires silicium (1ère technologie spatiale) et les cellules III-V multi-jonctions (standard actuel), mais pour les PSCs les premières études sous irradiation sont très récentes. Au global, il en ressort un intérêt croissant motivé par le maintien des performances cellules jusqu’à d’importantes fluences. Cependant, ce corpus d’études est très disparate : composition des pérovskites, architectures cellules, rendements, énergies & fluences électrons/protons, protocoles de mesure, etc. Pour améliorer la compréhension des mécanismes de dégradation, ce travail de thèse s’est basé sur les axes suivants : i) Fabrication de PSCs identiques pour les tests (électrons/protons), ii) conditions d’irradiation inspirées des standards et iii) méthodologie originale : irradiations ciblées de couches et caractérisations ex-situ & in-situ.La première campagne d’irradiation PSCs s’est focalisée sur les effets des protons sur des PSCs Verre/ITO/SnO2/CsxFA1-xPb(I1-yBry)3/PTAA/ITOTop, avec des doses ionisantes équivalentes à ~20 ans en orbite LEO. Ces travaux ont mis en évidence un optimum (stabilité, rendement AM0 & tenue aux irradiations) de composition pérovskite correspondant à un band gap de 1.60 eV. L’origine de la baisse des performances des PSCs observées aux fortes fluences (5.1014 protons/cm² @ 1MeV) a pu être attribuée aux dégradations de la couche collectrice de trous (PTAA). Une seconde campagne d’irradiation s’est focalisée sur les irradiations électrons pour ces même architectures cellules (2.1015 electrons/cm² @ 1MeV - dose ionisante équivalente ~ 3 ans LEO). Le même optimum en terme de composition de pérovskite a été observé, ainsi qu’une résistance accrue aux irradiations électrons. Des phénomènes d’auto-guérison, déjà documentés ex-situ, ont pu être mis en évidence dans des conditions plus représentatives, grâce aux mesures I(V) in-situ, dans les minutes suivant l’arrêt du faisceau d’électrons. Pour terminer, l’effet du vide sans irradiations sur 4 architectures de PSCs a été étudié. Des baisses de performances partiellement réversible des cellules pour l’architecture NIP ont été mises en évidence par des caractérisations I(V) in-situ. La migration ionique du Li+, provenant du LiTFSI (dopant du PTAA) pourrait en être l’origine. Afin de s’affranchir de cette couche (également dégradée sous protons), une architecture de cellules PIN sans PTAA a été testée sous vide et aux irradiations protons. Les premiers résultats présentés dans ce manuscrit semblent prometteurs face à ces 2 contraintes. Cette architecture PIN (plébiscitée pour le PV terrestre) mérite donc d’être étudiée plus en détail pour le spatial.

The recent emergence of the private space industry, called New Space, resulted in a strong pressure on satellite costs together with needs of large production volumes. Concerning solar arrays, this translate into R&D on alternative photovoltaic materials and devices, looking for compromise in terms of cost, mass, performance and large-scale industrial availability. Perovskite Solar Cells (PSCs) are emerging as a potential technological breakthrough, with prospects for gains of several orders of magnitude on cost (€/W), specific power (W/g) and volume (W/m3). However, to achieve these objectives, it remains crucial to improve understanding of PSCs ageing phenomena in space environment. In this context, the main objectives of this PhD thesis were: i) to study the influence of PSCs composition and architecture on proton and electron radiation hardness, ii) to analyse and develop understanding of degradation phenomenon, iii) to propose strategies (materials/devices) to improve end-of-life PSCs performances.A review of literature in this field was done to gather knowledge on ageing in space environment, and more specifically on the interaction of charged particles with materials and solar cells. This subject is well documented for silicon solar cells (1st space technology) and III-V multi-junction cells (present standard), but for PSCs the first studies under irradiation are obviously very recent. Overall, there is growing interest justified by PSCs maintaining their cell performance at high fluences. However, this corpus of studies is disparate: perovskite compositions, cell architectures, efficiencies, electron/proton energies & fluences, characterization protocols, etc. To improve the understanding of degradation mechanisms, this PhD thesis work was based on the following axes: i) fabrication of identical PSCs for both protons & electrons testings, ii) irradiation conditions inspired by present standards and iii) original methodology: with sub-stack irradiations and both ex-situ & in-situ characterizations.The first PSCs irradiation campaign of this PhD work was focusing on proton irradiations on PSCs Glass/ITO/SnO2/CsxFA1-xPb(I1-yBry)3/PTAA/ITOTop, with ionizing doses equivalent to ~20 years in LEO orbit. This work has revealed an optimum (stability, AM0 efficiency & irradiation resistance) perovskite composition corresponding to a bandgap of 1.60 eV. The decrease in PSCs performance observed at high fluence (5.1014 protons/cm² @ 1MeV) could be attributed to degradation of the hole-transport-layer (PTAA). A second irradiation campaign was focusing on electron irradiations (2.1015 electrons/cm² @ 1MeV - equivalent ionizing dose ~ 3 years LEO), using the same PSCs architecture. The optimum perovskite composition was fund to be the same as under protons, along with increased resistance to electron irradiations. Self-healing phenomena, already documented in literature with ex-situ studies, could be highlighted here under more space representative conditions, thanks to in-situ I(V) measurements, in the minutes following electron beam stop while still under vacuum. Finally, the effect of vacuum without irradiation on 4 PSCs architectures was studied. In-situ characterizations revealed a drop in cell performance for the NIP architecture, possibly linked to Li+ ion migration from LiTFSI (the PTAA dopant). To get rid of this layer (also sensitive to high proton fluence), a PIN cell architecture without PTAA was tested under vacuum and proton irradiations. The initial results presented in this manuscript are promising with regard to these two constraints. This PIN architecture (already pushed by terrestrial PV R&D) would thus deserve more detailed investigations for space applications.