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Theses Year : 2020

Hybrid perovskites and interface engineering for the improvement of optoelectronic devices

Pérovskites hybrides et ingénierie d'interface pour l'amélioration des dispositifs optoélectroniques

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Abstract

The serious energy shortage and environmental pollution problems urge the development for renewable energies. Photovoltaic technologies as one of the most promising strategy have attracted extensive attention since middle of 20 century. Nowadays, perovskite solar cells lead the next-generation photovoltaic devices due to their superior photovoltaic properties. The certified record efficiencies for a single junction PSC and a 2-terminal OIHP/Si tandem solar cell have already reached 25.2% and 29.1% nowadays.In this thesis, we have investigated OIHP solar cells in terms of interface control and composition engineering. An introduction of our research background is written in Chapter I. Basic semiconductor knowledges, working principle of photovoltaic devices and a bibliographic review are given in this chapter. Besides, we also provided a brief introduction about ultra-violet (UV) photodetectors (PDs) and explained several important parameters for UV PDs.In Chapter II, we have first studied the effect of modifying TiO2 layers by various organic acid molecules with a dipole moment varying in a large range. The acid modifiers adsorption has been then thoroughly investigated by a combined experimental and theoretical approach. We have then designed and fabricated a solid-state nanostructured UV-A photodetector based on the TiO2/Spiro-OMeTAD p-n heterojunction. Reliable study of the effect of interfacial acid modifiers on the PD response was provided in this Chapter.In Chapter III, we have demonstrated that the engineering of the interface between perovskite and titania is important to get highly efficient perovskite solar cells. We have shown that in high efficiency triple cation PSCs, the chloride-functionalized benzoic acid molecule provides a significant beneficial effect. Our experimental and theoretical investigations emphasize that CBA SAMs at the oxide/perovskite interface is beneficial for the structural continuity, the trap state reduction and for the global quality of the perovskite.In Chapter IV, we have developed the use of methyl ammonium chloride as an additive in rather low concentration mixed organic cation precursor solutions. MACl is shown to mediate the growth of the layers. The resulting films were uniform, compact, with no pinholes and made of remarkably large size perovskite crystal grains. To further increase the PCE of the solar cells, a treatment with a PEAI solution has been implemented. This treatment, without any thermal annealing step, leads to the spontaneous formation of (PEA)2PbI4 perovskite at the surface. This buffer layer has been shown to favor a fast transfer of the holes towards the HTL and to reduce the recombination at the perovskite/HTL interface. Overall, the optimized devices had a PCE higher than 22.1%.In Chapter V, BEI based mixed-dimensional (MD) OIHPs were employed as a light absorber layer due to their excellent stability against moisture. We have systematically studied the properties of the so-called MD-OIHP solar cells. A series of perovskite films with molecular formula of BE2FAn-1PbnI3n+1 (n = 1, 2, 3, 5, 9, and ∞) were fabricated. The optimized solar cell kept the black phase for 104 days in ambient environment, while the stable Cs8FAMA cell just kept it for 1 day.
La grave pénurie d'énergie et les problèmes de pollution de l'environnement incitent au développement des énergies renouvelables. Les technologies photovoltaïques, qui constituent l'une des stratégies les plus prometteuses, ont suscité un vif intérêt depuis le milieu du 20e siècle. Aujourd'hui, les cellules solaires pérovskites sont en tête des dispositifs photovoltaïques de la prochaine génération en raison de leurs propriétés photovoltaïques supérieures. Les rendements records certifiés pour une cellule solaire à jonction unique PSC et une cellule solaire tandem OIHP/Si à deux bornes ont déjà atteint 25,2 % et 29,1 % à l'heure actuelle.Dans cette thèse, nous avons étudié les cellules solaires de l'OIHP en termes de contrôle d'interface et d'ingénierie de la composition. Une introduction de notre contexte de recherche est écrite dans le chapitre I. Les connaissances de base des semi-conducteurs, le principe de fonctionnement des dispositifs photovoltaïques et une revue bibliographique sont donnés dans ce chapitre. En outre, nous avons également fourni une brève introduction sur les photodétecteurs (PD) ultraviolets (UV) et expliqué plusieurs paramètres importants pour les PD UV.Dans le chapitre II, nous avons d'abord étudié l'effet de la modification des couches de TiO2 par diverses molécules d'acide organique avec un moment dipolaire variant dans une large gamme. L'adsorption des modificateurs acides a ensuite été étudiée en profondeur par une approche expérimentale et théorique combinée. Nous avons ensuite conçu et fabriqué un photodétecteur UV-A nanostructuré à l'état solide basé sur l'hétérojonction p-n TiO2/Spiro-OMeTAD. Une étude fiable de l'effet des modificateurs d'acides interfaciaux sur la réponse de la DP a été fournie dans ce chapitre.Dans le chapitre III, nous avons démontré que l'ingénierie de l'interface entre la pérovskite et le titane est importante pour obtenir des cellules solaires à pérovskite hautement efficaces. Nous avons montré que dans les PSC à triple cation à haut rendement, la molécule d'acide benzoïque fonctionnalisée au chlorure a un effet bénéfique important. Nos recherches expérimentales et théoriques soulignent que la MAS de l'ACB à l'interface oxyde/pérovskite est bénéfique pour la continuité structurelle, la réduction de l'état de piégeage et la qualité globale de la pérovskite.Au chapitre IV, nous avons développé l'utilisation du chlorure de méthyl ammonium comme additif dans des solutions de précurseurs de cations organiques mixtes à assez faible concentration. Il est démontré que le MACl sert de médiateur pour la croissance des couches. Les films résultants étaient uniformes, compacts, sans trous d'épingle et constitués de grains de cristaux de pérovskite de taille remarquablement grande. Pour augmenter encore le PCE des cellules solaires, un traitement avec une solution de PEAI a été mis en œuvre. Ce traitement, sans aucune étape de recuit thermique, conduit à la formation spontanée de perovskite (PEA)2PbI4 à la surface. Il a été démontré que cette couche tampon favorise un transfert rapide des trous vers le HTL et réduit la recombinaison à l'interface pérovskite/HTL. Dans l'ensemble, les dispositifs optimisés avaient un PCE supérieur à 22,1 %.Au chapitre V, des PSC à dimensions mixtes (MD) basés sur la BEI ont été utilisés comme couche d'absorption de la lumière en raison de leur excellente stabilité à l'humidité. Nous avons systématiquement étudié les propriétés des cellules solaires dites MD-OIHP. Une série de films de pérovskite de formule moléculaire BE2FAn-1PbnI3n+1 (n = 1, 2, 3, 5, 9 et ∞) a été fabriquée. La cellule solaire optimisée a conservé la phase noire pendant 104 jours dans l'environnement ambiant, tandis que la cellule stable Cs8FAMA l'a conservée pendant 1 jour seulement.
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tel-03551362 , version 1 (01-02-2022)

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  • HAL Id : tel-03551362 , version 1

Cite

Tao Zhu. Pérovskites hybrides et ingénierie d'interface pour l'amélioration des dispositifs optoélectroniques. Chimie analytique. Université Paris sciences et lettres, 2020. Français. ⟨NNT : 2020UPSLC020⟩. ⟨tel-03551362⟩
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