Analyse des mécanismes de dégradation des cellules et mini-modules en pérovskite : développement de méthodologies et de modèles phénoménologiques

Degradation mechanisms analysis of perovskite solar cells and mini-modules: development of methodologies & phenomenological models

• Auteur / Autrice : Juan pablo, medina flechas Juan pablo medina flechas
• Direction : Philip Schulz
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/03/2022
• 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

Mots clés

Mots clés libres

Tests de stabilité et de fiabilité

Protocoles ISOS

Cellules et mini-modules en pérovskites

Corrélation de vieillissement Indoor vs Outdoor

Analyse et modélisation des mécanismes de dégradation

Stability & reliability testing

ISOS protocols

Perovskite cells & mini-modules

Indoor vs outdoor ageing correlations

Degradation mechanisms analysis & modelling

Résumé

La pérovskite est le matériau photovoltaïque émergent de la dernière décennie, atteignant récemment des performances à l'échelle du laboratoire supérieures à 25 % avec des prévisions de coûts inférieures à celles des cellules solaires au silicium . Le succès de la commercialisation de la pérovskite dépend de 3 paramètres clés : le coût, les performances et la durée de vie opérationnelle. Cependant, la stabilité des cellules solaires en pérovskite (PSC) est encore insuffisante, affectée par (i) des facteurs environnementaux et (ii) intrinsèques au matériau, en particulier lors du passage à l'échelle industrielle . Pour les dispositifs hybrides organiques-inorganiques aux halogénures métalliques pérovskites (MHP), plusieurs voies de dégradation ont été observées sous différents facteurs de stress tels que la chaleur, la lumière, les contraintes mécaniques, la polarisation inverse (reverse bias), et spécialement l'humidité et l'oxygène, entraînant des comportements transitoires sur les caractéristiques de la courbe courant-tension (JV) . Toujours, dans des conditions de fonctionnement réelles, le dispositif photovoltaïque sera exposé à de multiples facteurs de stress de ce type en même temps, étant ainsi sujet à plusieurs types de dégradation concomitants dans les couches et interfaces composant son architecture. Ce qui constitue un véritable défi pour les chercheurs dans le domaine de la fiabilité et rend l'analyse des défaillances encore plus complexe . L'instabilité actuelle du PSC et la dégradation rapide des performances constituent un verrou technologique important qui doit être atténué si nous voulons inclure des matériaux MHP dans les dispositifs photovoltaïques commerciaux. Par conséquent, ça proposition de thèse vise à analyser les principaux mécanismes de dégradation présents sur les dispositifs à pérovskite, pour développer les méthodologies et les modèles phénoménologiques nécessaires à ses tests de stabilité et de fiabilité. Tout le temps que, c'est une activité clé pour TotalEnergies, actuellement en développement à l'Institut Photovoltaïque d'Île-de-France (IPVF), ceci à travers l'étude de cellules et de mini-modules pour des applications tandem. Dans un premier temps, il est crucial d'étudier de manière reproductible et fiable la stabilité intrinsèque des PSC, qui dépend d'un ensemble de dynamiques électroniques et physico-chimiques incontournables présentes dans les conditions réelles de fonctionnement solaire, comme l'électrochimie (champ électrique et flux de charges ou migration des ions et des lacunes), thermique (par exemple, cristallisation de la pérovskite, transitions de réseau ou ségrégation de phases) et photochimique (formation de défauts et de produits de décomposition dans la pérovskite et/ou la couche de transport de trous (HTL), etc.). Par conséquent, en 2020, les principaux acteurs dans le domaine de la pérovskite ont proposé un consensus (protocoles ISOS) pour évaluer et rapporter correctement les performances et les mesures de stabilité des dispositifs PV organique et en pérovskite . Donc, il est prévu de contribuer à la mise en œuvre d'une méthodologie reproductible à l'IPVF pour effectuer des études dédiées et comparatives, où l'impact des protocoles ISOS et des tests standardisés comme l'IEC est étudié sur la dégradation des échantillons . Ainsi, il sera utilisé un équipement de pointe pour la caractérisation indoor et les tests de fiabilité (c'est-à-dire, caractéristiques courant-tension (IV), suivi du point de puissance maximale (MPP), Suns-Voc, light soaking, damp heat, reverse bias, vieillissement sous chambre climatique et mesures de spectroscopie d'impédance, etc.) disponibles sur les installations à l'IPVF & TotalEnergies/T-lab. En parallèle, le fonctionnement des dispositifs encapsulés sera analysé en conditions extérieures réelles dans les installations du site d'essai SIRTA (Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique) de l'Ecole Polytechnique. À partir de là, il sera possible de corréler les principaux mécanismes de dégradation en comparant en continu les pertes de performances observées indoor et outdoor, ainsi qu'en reliant les données expérimentales aux outils de modélisation appropriés pour séparer des dynamiques convolutées sur le comportement des dispositifs en pérovskite . Pour les mécanismes de dégradation impliquant une modification chimique dans une couche ou à une interface, il sera effectué des analyses physico-chimiques avancées pour développer des indicateurs de perte associés aux changements de propriétés optiques et structurales des dispositifs. Principalement, ceux observables par absorption UV-visible, photoluminescence (PL), ainsi que par microscopie électronique (SEM) et diffraction des rayons-X (XRD). D'autres techniques telles que la spectroscopie de photoémission rayons-X (XPS) ou d'émission optique à décharge luminescente (GD-OES) seront utilisées pour valider les changements stœchiométriques des matériaux et des interfaces pour les systèmes sélectionnés . À cette fin, la configuration d'une base de données complète d'échantillons ''âgés'' permettra d'identifier des signatures de dégradation similaires et de les relier à: (i) la composition de l'échantillon (c'est-à-dire, la structure du PSC et les processus de fabrication utilisés), (ii) les conditions de vieillissement et de stockage (par exemple, température, humidité, lumière/obscurité), ainsi que (iii) l'impact des conditions réelles d'éclairage de fonctionnement, telles que le cycle jour/nuit sur les appareils qui pourraient présenter des caractéristiques réversibles et/ou des propriétés d'auto-guérison . Par suite, permettant de comprendre l'impact des procédés de fabrication sur la stabilité et la fiabilité des dispositifs en pérovskite (par exemple, gravure laser, interconnexions, comparaison de croissance de revêtement spin vs slot-die et mono-étape vs multi-étape), ainsi que de proposer des modèles phénoménologiques pour prédire et anticiper la dégradation sur une période donnée sur la base des protocoles ISOS. Ces résultats seront publiés dans des revues scientifique et présentés lors de conférences internationales.

Perovskite is the emerging photovoltaic material of the last decade, lately achieving lab scale performances above 25% with lower cost forecasts than silicon solar cells . The success on the commercialization of perovskite depends on 3 key parameters: cost, performance, and operational lifetime. However, the stability of perovskite solar cells (PSC) is still insufficient, affected by (i) environmental and (ii) intrinsic factors to the material, especially during the transition to industrial scale . For hybrid organic-inorganic metal halide perovskite (MHP) devices, several degradation pathways have been observed under different stressors such as heat, light, mechanical stress, reverse bias, (and specially) moisture and oxygen, resulting in transient behaviors on JV curve characteristics . Evermore, under real operating conditions the photovoltaic device will be exposed to such kind multiple stressors at the same time, thus being prone to multiple concomitant types of degradation within all layers and interfaces composing its architecture. Which amounts to a true challenge for researchers in the field of perovskite reliability and making for an even more complex failure analysis . Current PSC instability and fast performance degradation is a significant technology lock-in that needs to be mitigated if we are to include MHP materials in commercial photovoltaic devices. Hence, the current thesis proposal aims to analyze the key degradation mechanisms present on perovskite devices, for developing the methodologies and the phenomenological models needed for its proper stability and reliability testing. All time, it is a a key activity for TotalEnergies, currently under development at the Institut Photovoltaïque d'Île-de-France (IPVF), both through the study of opaque & semi-transparent cells and wide band gap mini-modules for tandem applications. At first hand, it is crucial to study in a reproducible and reliable way PSC intrinsic stability, which depends on a set of unavoidable electronic and physico-chemical dynamics present under real solar operation conditions, like electrochemical (electric field and flow of charges or ions/vacancies migration), thermal (e.g., perovskite crystallization, lattice transitions or phase segregation) and photochemical degradation (defects & decomposition products formation in perovskite and/or holes transport layer (HTL), etc.). Consequently, in 2020 major players in the field of perovskite PV proposed a consensus (ISOS protocols) to properly assess and report perovskite PV devices performance & stability measures . Therefore, it is intended to contribute to the implementation of a reproducible methodology at IPVF to perform dedicated & comparative studies, where the impact of the ISOS protocols and standardized tests like IEC is investigated on samples degradation . Whereby, it will be used state-of-the-art equipment for indoor characterization and reliability testing (i.e., current-voltage characteristics (IV), maximum power point (MPP) tracking, Suns-Voc, light soaking, damp heat, reverse bias, ageing under climatic chamber and impedance spectroscopy measures, etc.) available at IPVF & TotalEnergies T-lab facilities. In parallel, encapsulated devices operation will be analyzed under real outdoor conditions at SIRTA test-site facilities (Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique) of Ecole Polytechnique. From which, it will be possible to correlate key degradation mechanisms by continuously comparing between performance losses observed indoor vs outdoor, as well as by linking experimental data with appropriate modeling tools to separate the convoluted dynamics on perovskite devices behavior . For degradation mechanisms involving a chemical modification in a layer or at an interface, it will be performed advanced physico-chemical analyzes to develop loss indicators associated to changes in optical and structural properties of the devices. Mainly, those observable through UV-visible absorption, photoluminescence spectroscopy (PL), as well as by electron microscopy scanning (SEM), and X-ray diffraction (XRD). Other techniques such as X-ray Photoemission Spectroscopy (XPS), or Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy (GD-OES) will be used to validate stoichiometric changes of materials and interfaces for selected systems . To that end, the configuration of a comprehensive database of “aged” samples will allow to identify similar degradation signatures and connect them to: (i) sample composition (i.e., PSC structure and fabrication processes employed), (ii) ageing and storage conditions (e.g., temperature, humidity, light/dark), as well as (iii) the impact of real operating illumination conditions such as day/night cycling over devices that might exhibit reversible and/or partial self-healing characteristics . Consequently, permitting to understand the impact of manufacturing processes on the stability and reliability of perovskite devices (e.g., laser etching, interconnects, spin vs slot-die coating growth comparison and single-stage vs multi-stage), as well as to propose phenomenological models to predict and anticipate degradation over a given period based on ISOS protocols. These results will be published in international journals and presented at international conferences.