Développement de couches minces par ablation laser pour les cellules solaires tandem pérovskite sur silicium

Development of thin films by pulsed laser deposition for perovskite on silicon tandem solar cells

• Auteur / Autrice : Kilian Alcocer
• Direction : Solenn Berson
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Grenoble / LITEN

Mots clés

Mots clés libres

Couches minces

Pld

Cellules solaires tandem

Pérovskite

Thin films

Pld

Tandem solar cells

Perovskite

Résumé

Après plusieurs décennies de développement, les cellules PV à base de silicium cristallin (c-Si) dominent le marché mondial. Néanmoins, leurs niveaux de performances sont proches désormais de la limite pratique [1]. Pour dépasser cette restriction, le développement de structures tandem sur silicium semble primordial. En effet, ces dispositifs combinent une sous-cellule à large bande interdite au-dessus d'une sous-cellule en silicium de bande interdite plus étroite (1,12 eV) afin de mieux convertir et/ou de convertir une plus grande gamme du spectre solaire en énergie électrique. L'une des solutions privilégiées pour la réalisation de tandem haut rendement sur silicium est le matériau pérovskite hybride halogénée (PK). Cette classe de matériaux semiconducteurs présente une structure générale ABX3, où A est un cation monovalent, B un cation métallique bivalent, et X un anion halogène monovalent. Elle se démarque tout d'abord par une bande interdite directe et de largeur ajustable [3] tout en ayant de longues durées de vie des porteurs de charge [4]. Cela lui confère une bonne absorbance lorsque son énergie de bande interdite est adaptée, et augmente la probabilité d'extraction des charges photogénérées avant leur recombinaison. A ces propriétés optoélectroniques s'ajoutent le faible coût de ces matériaux et une grande variété de techniques de croissance de films PK à basse température [5-6]. Bien que toujours au stade de développements, les cellules simple-jonction à base de PK ont déjà montré des rendements de conversion de 25,5% sur petite surface (< 1 cm2) en laboratoire [7]. Lorsque combiné en structure tandem pérovskite/silicium (PK/c-Si), une première partie du spectre solaire (les hautes énergies) est ainsi absorbée et convertie dans la top-cell à base de PK tandis que les plus faibles énergies sont absorbées et converties dans la bottom-cell en c-Si. De cette manière, la conversion de l'énergie solaire est optimisée, notamment avec la suppression de la dissipation thermique de l'énergie des charges photogénérées aux petites longueurs d'ondes (dissipation qui limite l'efficacité des cellules c-Si simple jonction). Les rendements théoriques de ce type de cellules sont de l'ordre de 35% [8], contre une limite de rendement maximum d'environ 29% pour une cellule silicium simple jonction [9]. Aujourd'hui, les performances des cellules tandem PK/c-Si atteignent 29,8% de rendement de conversion en laboratoire [10]. Si la technologie tandem PK/c-Si est l'une des voies privilégiées au niveau international pour permettre l'augmentation des performances, plusieurs défis pratiques propres à ces architectures subsistent avant un futur déploiement à l'échelle industrielle : - L'adaptabilité des procédés de dépôt de la cellule pérovskite à la taille des cellules silicium industrielles - La conformité des dépôts de la cellule PK sur une surface texturée [11]. - La compatibilité des procédés de dépôt avec une ligne de production (cadence forte) - L'amélioration de la stabilité intrinsèque et extrinsèque des dispositifs - La diminution de la toxicité des procédés et l'éco-conception des dispositifs A l'heure actuelle, dans les dispositifs tandem, les couches de la sous-cellule perovskite sont majoritairement déposées par voie solvant. Or, pour répondre aux différents défis énoncés précédemment, le développement de couches homogènes à composition et structure cristalline contrôlées et améliorées à basse température est nécessaire. Pour cela, les dépôts par ablation laser (PLD pour Pulsed Laser Deposition) semblent être une voie à privilégier pour répondre à ces besoins technologiques. En effet, ce procédé doux permet de contrôler et d'atteindre un fort taux de cristallinité des films déposés même à très basse température tout en maitrisant la porosité et la composition chimique tout au long de la croissance des couches. Ainsi les objectifs de la thèse seront : - Le développement et la caractérisation des différentes couches de la sous-cellule pérovskite par PLD - L'obtention de couche pérovskite inorganique sans plomb fonctionnelle pour les applications solaires - L'étude des interactions entre les différentes couches de la sous-cellule pérovskite fabriquée par PLD - L'intégration des couches en dispositifs tandem et l'optimisation des dispositifs [1] D.D. Smith, P. Cousins, S. Westerberg, R.D. Jesus-Tabajonda, G. Aniero, and Y.-C. Shen, IEEE J. Photovolt. 4, 1465 (2014). [2] J.Y. Kim, J.-W. Lee, H.S. Jung, H. Shin, and N.-G. Park, Chem. Rev. 120, 7867 (2020). [3] J.H. Noh, S.H. Im, J.H. Heo, T.N. Mandal, and S.I. Seok, Nano Lett. 13, 1764 (2013). [4] A.A. Zhumekenov, M.I. Saidaminov, M.A. Haque, E. Alarousu, S.P. Sarmah, B. Murali, I. Dursun, X.-H. Miao, A.L. Abdelhady, T. Wu, O.F. Mohammed, and O.M. Bakr, ACS Energy Lett. 1, 32 (2016). [5] H.J. Snaith, J. Phys. Chem. Lett. 4, 3623 (2013). [6] Z. Song, S.C. Watthage, A.B. Phillips, and M.J. Heben, J. Photonics Energy 6, 022001 (2016). [7] M.A. Green, E.D. Dunlop, J. Hohl-Ebinger, M. Yoshita, N. Kopidakis, and H. Xiaojing, Prog. Photovolt. Res. Appl. 30, 1 (2022). [8] P. Löper, B. Niesen, S.-J. Moon, S. Martín de Nicolas, J. Holovsky, Z. Remes, M. Ledinsky, F.-J. Haug, J.- H. Yum, S. De Wolf, and C. Ballif, IEEE J. Photovolt. 4, 1545 (2014). [9] T. Tiedje, E. Yablonovitch, G.D. Cody, and B.G. Brooks, IEEE Trans. Electron Devices 31, 711 (1984). [10] H.-Z. B. für M. und Energie, “World record again at HZB: Almost 30 % efficiency for next-generation tandem solar cells,” HZB Website. https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=23248; sprache=en;seitenid= (accessed Feb. 03, 2022). [11] J. Werner, L. Barraud, A. Walter, M. Bräuninger, F. Sahli, D. Sacchetto, N. Tétreault, B. Paviet-Salomon, S.-J. Moon, C. Allebé, M. Despeisse, S. Nicolay, S. De Wolf, B. Niesen, and C. Ballif, ACS Energy Lett. 1, 474 (2016).

After several decades of development, crystalline silicon (c-Si) PV cells dominate the global market. Nevertheless, their performance levels are now close to the practical limit [1]. To overcome this limitation, the development of tandem structures on silicon seems essential. Indeed, these devices combine a wide bandgap sub-cell on top of a narrower bandgap (1.12 eV) silicon sub-cell in order to better convert and/or convert a wider range of the solar spectrum into electrical energy. One of the preferred solutions for realizing high efficiency tandem on silicon is halogenated hybrid perovskite (PK) material. This class of semiconductor materials has a general structure ABX3, where A is a monovalent cation, B is a bivalent metal cation, and X is a monovalent halogen anion. It is characterized first of all by a direct band gap with adjustable width [3] while having long charge carrier lifetimes [4]. This gives it a good absorbance when its band gap energy is adjusted, and increases the probability of extraction of photogenerated charges before their recombination. These optoelectronic properties are complemented by the low cost of these materials and a wide variety of techniques for growing PK films at low temperatures [5-6]. Although still in the development stage, PK-based single-junction cells have already shown conversion efficiencies of 25.5% over small areas (< 1 cm2) in the laboratory [7]. When combined in a perovskite/silicon (PK/c-Si) tandem structure, a first part of the solar spectrum (high energies) is absorbed and converted in the PK-based top-cell while the lower energies are absorbed and converted in the c-Si bottom-cell. In this way, the conversion of the solar energy is optimized, in particular with the suppression of the thermal dissipation of the energy of the photogenerated charges at the small wavelengths (dissipation which limits the effectiveness of the cells c-Si single junction cells). Theoretical efficiencies of this type of cells are around 35% [8], against a maximum efficiency limit of about 29% for a single junction silicon cell [9]. Today, the performance of tandem PK/c-Si cells reaches 29.8% conversion efficiency in the laboratory [10]. While the PK/c-Si tandem technology is one of the preferred international approaches to increase performance, several practical challenges specific to these architectures remain before a future industrial scale deployment: - The adaptability of perovskite cell deposition processes to the size of industrial silicon cells - The compliance of PK cell deposition on a textured surface [11]. - The compatibility of the deposition processes with a production line (high speed) - The improvement of the intrinsic and extrinsic stability of the devices - Reduction of process toxicity and eco-design of devices Currently, in tandem devices, the layers of the perovskite sub-cell are mostly deposited by solvent. However, in order to meet the different challenges stated above, the development of homogeneous layers with controlled composition and crystalline structure and improved at low temperature is necessary. For this purpose, pulsed laser deposition (PLD) seems to be a preferred way to meet these technological needs. Indeed, this soft process allows to control and reach a high crystallinity rate of the deposited films even at very low temperature while controlling the porosity and the chemical composition throughout the growth of the layers. Thus the objectives of the thesis will be : - The development and characterization of the different layers of the perovskite sub-cell by PLD - Obtaining functional lead-free inorganic perovskite layers for solar applications - The study of the interactions between the different layers of the perovskite sub-cell fabricated by PLD - Integration of the layers in tandem devices and optimization of the devices [1] D.D. Smith, P. Cousins, S. Westerberg, R.D. Jesus-Tabajonda, G. Aniero, and Y.-C. Shen, IEEE J. Photovolt. 4, 1465 (2014). [2] J.Y. Kim, J.-W. Lee, H.S. Jung, H. Shin, and N.-G. Park, Chem. Rev. 120, 7867 (2020). [3] J.H. Noh, S.H. Im, J.H. Heo, T.N. Mandal, and S.I. Seok, Nano Lett. 13, 1764 (2013). [4] A.A. Zhumekenov, M.I. Saidaminov, M.A. Haque, E. Alarousu, S.P. Sarmah, B. Murali, I. Dursun, X.-H. Miao, A.L. Abdelhady, T. Wu, O.F. Mohammed, and O.M. Bakr, ACS Energy Lett. 1, 32 (2016). [5] H.J. Snaith, J. Phys. Chem. Lett. 4, 3623 (2013). [6] Z. Song, S.C. Watthage, A.B. Phillips, and M.J. Heben, J. Photonics Energy 6, 022001 (2016). [7] M.A. Green, E.D. Dunlop, J. Hohl-Ebinger, M. Yoshita, N. Kopidakis, and H. Xiaojing, Prog. Photovolt. Res. Appl. 30, 1 (2022). [8] P. Löper, B. Niesen, S.-J. Moon, S. Martín de Nicolas, J. Holovsky, Z. Remes, M. Ledinsky, F.-J. Haug, J.- H. Yum, S. De Wolf, and C. Ballif, IEEE J. Photovolt. 4, 1545 (2014). [9] T. Tiedje, E. Yablonovitch, G.D. Cody, and B.G. Brooks, IEEE Trans. Electron Devices 31, 711 (1984). [10] H.-Z. B. für M. und Energie, “World record again at HZB: Almost 30 % efficiency for next-generation tandem solar cells,” HZB Website. https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=23248; sprache=en;seitenid= (accessed Feb. 03, 2022). [11] J. Werner, L. Barraud, A. Walter, M. Bräuninger, F. Sahli, D. Sacchetto, N. Tétreault, B. Paviet-Salomon, S.-J. Moon, C. Allebé, M. Despeisse, S. Nicolay, S. De Wolf, B. Niesen, and C. Ballif, ACS Energy Lett. 1, 474 (2016).