Déposition par « slot-die coating » : une méthode industrielle pertinente pour la passivation des interfaces et la croissance de couches de transport de charges stables dans les modules solaires à base de pérovskite.

Slot-die coating as an industrially relevant tool for interfaces passivation and growth of stable charge extracting layers in perovskite solar modules

• Auteur / Autrice : Elise Becker
• Direction : Emmanuelle Deleporte
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 02/12/2024
• 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

Cellules solaires

Pérovskites halogénées

Interfaces

Passivation

Halide perovskites

Passivation

Solar cells

Interfaces

Résumé

Depuis environ 10 ans, les cellules solaires à pérovskite (PSC) sont apparues comme une technologie photovoltaïque (PV) très prometteuse avec des rendements proches de ceux des cellules solaires en silicium monocristallin [1]. Les PSC peuvent être fabriquées à partir de matériaux abondants sur terre en utilisant des techniques de dépôt liquide à faible coût. De plus, en raison de leur bande interdite réglable, les PSC peuvent être utilisées dans des cellules solaires tandems pérovskite-silicium, ce qui permet d'augmenter l'efficacité des technologies PV existantes avec de faibles coûts de production supplémentaires. Jusqu'à présent, la plupart des recherches sur les pérovskites sont effectuées sur un échantillon relativement petit en utilisant le « spin-coating » (dépôt par centrifugation) comme méthode de dépôt. Cependant, la commercialisation des PSC nécessite le développement de techniques de dépôt pertinentes sur le plan industriel. A l'IPVF, l'accent est mis sur le développement par « slot-die coating » pour le dépôt grande surface de pérovskite. Alors que de nombreux efforts concernent l'optimisation de la couche de pérovskite, peu de recherches sont menées pour améliorer les processus de passivation et les couches d'extraction de charge. Les couches de passivation sont importantes pour réduire les défauts dans les films minces semiconducteurs. La passivation améliore ainsi non seulement l'efficacité du dispositif final, mais empêche également la dégradation induite par les défauts, améliorant ainsi la stabilité globale de la cellule solaire. Les couches de passivation sont généralement utilisées aux interfaces entre la pérovskite et les couches d'extraction de charge. Selon que la passivation est utilisée directement sur la couche de pérovskite ou sur la couche d'extraction elle-même, différentes approches de passivation peuvent être utilisées. Une grande variété de stratégies de passivation pour les films de pérovskite peut être trouvée dans la littérature. Ainsi, les matériaux de passivation sont des petites molécules organiques, des ligands volumineux à longue chaîne, des polymères et des pérovskites 2D. L'utilisation de différents groupes d'ancrage se liant à la couche de pérovskite détermine ainsi la passivation de la pérovskite. De plus, l'utilisation de groupes fonctionnels peut également modifier les propriétés de surface telles que le mouillage de surface et potentiellement augmenter la résistance de la couche de pérovskite à l'humidité ou à d'autres pénétrations de solvants. Les couches d'extraction de charges (HTL : Hole Transport Layer), d'autre part, peuvent être passivées par des sels inorganiques tels que KCl, NaCl, KOH, ... ou par des molécules organiques fonctionnelles qui peuvent se greffer sur la surface d'oxyde métallique du HTL. Typiquement, de telles couches de passivation sont utilisées pour le dépôt par « spin-coating » du matériau de passivation sur le film de pérovskite. L'objectif de cette thèse est de sélectionner les molécules de passivation les plus prometteuses et de développer leur dépôt en utilisant le « slot-die coating ». Un autre objectif est de développer le dépôt liquide de couches d'extraction de trous telles que CuSCN, CsI ou des matériaux similaires qui ont été évalués comme pertinents industriellement. Le CuSCN est un HTL inorganique qui présente une stabilité thermique élevée et peut être déposé sur la couche de pérovskite par des techniques de dépôt par voie liquide. Le CuSCN est un matériau à large bande interdite avec une transparence élevée dans la région spectrale UV-Vis et NIR, ce qui le rend également adapté aux applications en tandem silicium-pérovskite. De plus, ce HTL présente un alignement de bande d'énergie idéal avec la pérovskite pour l'extraction de trous, ainsi qu'une mobilité et une conductivité intrinsèques élevées des trous. L'objectif est de déposer des HTL en utilisant le « slot-die coating » pour les architectures de dispositifs NIP et PIN.

Over the last decade perovskite solar cells (PSCs) have emerged as a highly promising alternative photovoltaic (PV) technology with efficiencies already approaching the ones of mono-crystalline silicon solar cells [1]. PSCs can be fabricated from earth abundant materials using low-cost liquid-based deposition techniques. Furthermore, due to their tunable band gap PSCs can be employed in perovskite-silicon tandems allowing to boost efficiencies of existing PV technologies with low additional production costs. Up to date most of the perovskite research is performed on a relatively small sample size using spin-coating as the preferred deposition method. However, commercializing PSCs requires the development of industrially relevant deposition techniques. Different fabrication methods have been explored for upscaling PSC including liquid based deposition (blade coating, slot-die coating, inkjet printing), vacuum deposition (thermal evaporation) as well as combinations of the two (sequential perovskite deposition). At IPVF the focus lies in developing slot-die coating as a scalable tool for the perovskite deposition. While many efforts are directed towards optimization of the perovskite layer, little research is done upscaling the passivation processes and the charge extracting layers. Passivation layers are important in reducing the defects in the semiconducting thin films in a PSC. Passivation thereby not only improves the efficiency of the final device but also prevents defect induced degradation, improving the overall solar cell stability. The passivation layers are generally employed at the interfaces between the perovskite and the adjunct charge extracting layers. Depending if the passivation is employed directly on the perovskite layer or on the extracting layer itself, different passivation approaches can be used. A vast variety of passivation strategies for perovskite films can be found in the literature. Thereby the passivating materials range from small organic molecules, bulky long chain ligands, polymers, and 2D perovskites. The use of different anchoring groups binding to the perovskite layer thereby determines the perovskite passivation. Furthermore, the use of functional groups may also change the surface properties such as the surface wetting and potentially increase the resistance of the perovskite layer towards humidity or other solvent ingress. Charge extraction layers on the other hand can be passivated by inorganic salts such as KCl, NaCl, KOH, ... or by functional organic molecules that can graft onto the metal oxide surface of the HTL (Hole Transport Layer). Typically, such passivation layers are employed spin-coating of the passivating material onto the perovskite film. The goal of this PhD thesis is to select the most promising passivation molecules and to develop their deposition using slot-die coating or other industrially viable deposition techniques. Another objective in the scope of this PhD thesis is to develop the liquid-based deposition of hole extraction layers such as CuSCN, CsI or similar materials that have been evaluated as industrially scalable. CuSCN is an inorganic HTL that shows high thermal stability and can be deposited onto the perovskite layer by wet deposition techniques. CuSCN is a large band gap material with a high transparency in the UV-Vis and NIR spectral region making it suitable as well for silicon-perovskite tandem applications. Furthermore, this HTL has an ideal energy band alignment with the perovskite for hole extraction, and a high intrinsic hole mobility and conductivity. The goal is to deposit HTLs using slot-die coating both for pin and nip device architectures.