Développement d'un absorbeur pérovskite Inorganique sur grande surface, stable, performant et compatible avec les dispositifs tandem

Development of an inorganic perovskite absorber on a large surface, stable, efficient and compatible with tandem devices

• Auteur / Autrice : Lauriane Scherrer
• Direction : Emmanuelle Deleporte
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Lumière, Matière et Interfaces
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay

Mots clés

Mots clés libres

Dispositif tandem

Pérovskites halogénées

Photovoltaïque

Tandem devices

Photovoltaïcs

Halide perovskites

Résumé

L'augmentation de la consommation mondiale d'énergie, l'épuisement des ressources en combustibles fossiles et leurs effets négatifs sur l'environnement soulignent l'urgence de trouver des solutions alternatives pour une production d'énergie propre et durable. L'énergie solaire, facilement disponible, est l'une des approches les plus prometteuses pour surmonter la pénurie d'énergie qui se profile. Les cellules solaires capables de convertir directement la lumière en énergie électrique ont donc suscité un intérêt considérable au cours des dernières décennies. Les cellules solaires en silicium cristallin dominent indéniablement le marché photovoltaïque actuel en raison de leurs bons rendements de conversion de l'énergie, de leur stabilité à long terme et de leur coût modéré. Parmi les technologies émergentes, les cellules solaires à pérovskite (PSC) ont éveillé une grande attention ces dernières années. Les pérovskites halogénées ont des propriétés remarquables, adaptées à leur utilisation comme absorbeurs de cellules solaires et peuvent être fabriquées à l'aide de techniques à basse température utilisant des matériaux bon marché. Les rendements des PSC (25.7 %) ont récemment approché ceux du silicium cristallin, démontrant ainsi leur énorme potentiel. Plus important encore, la possibilité de fabriquer des cellules solaires tandem pérovskite/silicium hautement efficaces fait des pérovskites un potentiel « game-changer » dans la production future d'énergie à faible coût. En combinant des dispositifs en silicium cristallin avec une PSC à large bande interdite, il est possible de réduire les pertes dues à la thermalisation. Cette approche permet de repousser la limite d'efficacité théorique d'une cellule solaire à jonction unique de ~30 % à ~42 %. Bien que des résultats impressionnants aient été obtenus dans le domaine des PSC au cours de la dernière décennie, la faible stabilité à long terme et les difficultés de mise à l'échelle empêchent actuellement les PSC d'entrer sur le marché photovoltaïque. Ces cellules sont aujourd'hui majoritairement fabriquées en utilisant une méthode appelée « spin-coating». Il s'agit d'une technique de laboratoire performante et peu coûteuse à l'achat permettant un dépôt contrôlé de films minces. Cependant, ce procédé semble difficilement transférable à une production industrielle, notamment en raison de la forte perte de matière lors du procédé (taux d'utilisation matière faible, <80%) et de son incompatibilité avec des surfaces de dépôt supérieures à 400 cm². Dans l'optique d'un développement rapide de ce type de cellules il est donc nécessaire de s'intéresser à des techniques de fabrication adaptées aux grandes tailles permettant la réalisation de ce type de dispositif solaire sur des surfaces supérieures à 1 m². Depuis 2018, le dépôt de Pérovskites grande taille s'accélère, principalement par voie liquide, avec des réalisations allant jusqu'à des surfaces de 1600 cm² pour un rendement d'environ 16% par l'entreprise chinoise GCL en 2019 ou encore 17.9 % sur 800 cm2 par Panasonic en 2020. Cependant, les rendements atteints sont encore éloignés des records petites tailles et les surfaces considérées ne sont encore que des surfaces intermédiaires. Au sein de l'IPVF nous avons identifié la méthode de dépôt comprenant le dépôt d'une couche humide par slot die coating [1–3] suivi d'une étape d'extraction des solvants et de recuit, comme particulièrement intéressante Les pérovskites à halogénure de plomb constituent le matériau photo-actif des PSC. Elles présentent une formule chimique générale APbX3, où A est un cation monovalent tel que le méthylammonium (MA), le formamidinium (FA) ou le césium (Cs), et X est un anion halogénure (I, Br, Cl). En modifiant la composition en anions et en cations des pérovskites halogénée, les propriétés des matériaux peuvent être variées, ce qui permet d'optimiser le spectre d'absorption sur une large gamme. L'approche consistant à mélanger différents cations et anions permettant la formation de pérovskites complexes a été largement utilisée dans la littérature pour optimiser les propriétés des matériaux des pérovskites halogénées [4]. Cependant, les cations organiques dans la structure de la pérovskite ont été identifiés comme limitant la stabilité de la pérovskite. Ainsi les cations organiques volatiles n'ont qu'une stabilité thermique limitée et sont susceptibles de réagir à l'humidité. En revanche, les pérovskites entièrement inorganiques, comme le CsPbI3, se sont révélées beaucoup plus stables [5]. De plus, le CsPbI3 a une bande interdite d'environ 1,73 eV, ce qui est proche de l'idéal pour les applications en tandem pérovskite/silicium. Malgré de nombreux avantages évidents, les rendements de conversion obtenus avec les pérovskites inorganiques CsPbI3 restent inférieurs à ceux de leurs homologues hybrides. Ce fait est principalement lié aux difficultés de synthèse de la pérovskite CsPbI3 pure. En effet, selon les calculs du facteur de tolérance de Goldschmidt, le CsPbI3 se trouve juste à la limite de formation d'une phase pérovskite stable, en raison de la taille relativement petite des cations Cs par rapport aux cations MA ou FA. Par conséquent, la formation concomitante de phases non-pérovskites est couramment observée pendant la synthèse du CsPbI3 [6]. Des stratégies d'additifs utilisant des cations ammonium de taille moyenne tels que l'iodure de diméthylammonium ont récemment montré qu'elles amélioraient la formation de pérovskites inorganiques [7]. Ces additifs sont ajoutés dans la solution de précurseur pour la synthèse et s'évaporent complètement pendant l'étape de recuit. Cette thèse vise à optimiser le dépôt par slot die coating de la pérovskite inorganique CsPbI3 en suivant les derniers résultats de la littérature. De nouveaux additifs seront ensuite identifiés et leur influence sur la formation de CsPbI3 sera étudiée. Une caractérisation détaillée (morphologique, structurale, optique) sera effectuée sur les films fabriqués pour évaluer leur pureté et la qualité des matériaux et pour déterminer le rôle des additifs pendant la formation de la pérovskite. Les résultats de la caractérisation permettront ensuite d'optimiser davantage le protocole de synthèse des pérovskites inorganiques, en espérant atteindre des efficacités supérieures à 21% sur les dispositifs de laboratoire.

The increase in global energy consumption, the depletion of fossil fuel resources and their negative effects on the environment underline the urgency of finding alternative solutions for clean and sustainable energy production. Solar power, readily available, is one of the most promising approaches to overcoming the looming energy shortage. Solar cells capable of directly converting light into electrical energy have therefore attracted considerable interest in recent decades. Crystalline silicon solar cells undeniably dominate today's photovoltaic market due to their good power conversion efficiencies, long-term stability and moderate cost. Among emerging technologies, perovskite solar cells (PSCs) have received great attention in recent years. Halide perovskites have remarkable properties suitable for use as solar cell absorbers and can be fabricated using low temperature techniques and inexpensive materials. The yields of PSCs (25.7%) have recently approached those of crystalline silicon, thus demonstrating their enormous potential. More importantly, the ability to fabricate highly efficient perovskite/silicon tandem solar cells makes perovskites a potential game-changer in future low-cost power generation. By combining crystalline silicon devices with a wide bandgap PSC, it is possible to reduce losses due to thermalization. This approach pushes the theoretical efficiency limit of a single-junction solar cell from ~30% to ~42%. Although impressive results have been achieved in the field of PSCs over the past decade, poor long-term stability and scaling difficulties currently prevent PSCs from entering the PV market. These cells are now mostly manufactured using a method called 'spin-coating'. This is a high-performance and inexpensive laboratory technique allowing controlled deposition of thin films. However, this process seems difficult to transfer to industrial production, in particular because of the high loss of material during the process (low material utilization rate, <80%) and its incompatibility with deposition surfaces greater than 400 cm². With a view to rapid development of this type of cell, it is therefore necessary to focus on manufacturing techniques adapted to large sizes allowing the production of this type of solar device on surfaces greater than 1 m². Since 2018, the deposition of large-size Perovskites has accelerated, mainly by liquid means, with achievements ranging up to surfaces of 1600 cm² for a yield of around 16% by the Chinese company GCL in 2019 or 17.9% on 800 cm2 by Panasonic in 2020. However, the yields achieved are still far from the small size records and the surfaces considered are still only intermediate surfaces. Within the IPVF we have identified the deposition method comprising the deposition of a wet layer by slot die coating [1–3] followed by a solvent extraction and annealing step, as particularly interesting. Lead halide perovskites are the photo-active material of PSCs. They have a general chemical formula APbX3, where A is a monovalent cation such as methylammonium (MA), formamidinium (FA) or cesium (Cs), and X is a halide anion (I, Br, Cl). By modifying the anion and cation composition of the halide perovskites, the properties of the materials can be varied, allowing the absorption spectrum to be optimized over a wide range. The approach of mixing different cations and anions allowing the formation of complex perovskites has been widely used in the literature to optimize the material properties of halide perovskites [4]. However, organic cations in the perovskite structure have been identified as limiting perovskite stability. Thus volatile organic cations have only limited thermal stability and are liable to react with humidity. In contrast, fully inorganic perovskites, such as CsPbI3, have been shown to be much more stable [5]. Additionally, CsPbI3 has a band gap of around 1.73 eV, which is close to ideal for perovskite/silicon tandem applications. Despite many obvious advantages, the conversion efficiencies obtained with inorganic CsPbI3 perovskites remain lower than those of their hybrid counterparts. This fact is mainly related to the difficulties of synthesis of pure CsPbI3 perovskite. Indeed, according to Goldschmidt tolerance factor calculations, CsPbI3 is just at the limit of forming a stable perovskite phase, due to the relatively small size of Cs cations compared to MA or FA cations. Therefore, the concomitant formation of non-perovskite phases is commonly observed during the synthesis of CsPbI3 [6]. Additive strategies using medium-sized ammonium cations such as dimethylammonium iodide have recently been shown to enhance the formation of inorganic perovskites [7]. These additives are added into the precursor solution for synthesis and completely evaporate during the annealing step. This thesis aims to optimize the deposition by slot die coating of the inorganic perovskite CsPbI3 by following the latest results from the literature. New additives will then be identified and their influence on the formation of CsPbI3 will be studied. Detailed characterization (morphological, structural, optical) will be performed on the fabricated films to assess their purity and material quality and to determine the role of additives during perovskite formation. The results of the characterization will then allow further optimization of the protocol for the synthesis of inorganic perovskites, hoping to achieve efficiencies greater than 21% on laboratory devices.