Photovoltaïque à base de ferroélectriques – FERROPV

Nous visons à synthétiser des matériaux ferroélectriques qui absorbent une large partie du spectre solaire avec des largeurs de bande interdite réduites. Nous explorons plusieurs types de matériaux aux propriétés prometteuses : BiMnO3, Bi2FeCrO6, KBiFe2O6 et TbMnO3. Des dopages de Bi2FeCrO6 sont envisagés. Pour ces matériaux, le projet consiste en la croissance de couches minces et l’évaluation de leurs propriétés structurales, optiques et électriques afin de mieux comprendre ces matériaux. Ensuite, les matériaux les plus prometteurs sont intégrés dans des cellules solaires tout oxyde et leur potentiel pour le photovoltaïque est évalué.

Nous avons réalisé trois publications sur les oxydes pour le photovoltaïque. Une communication invitée à laconférence Materials Research Society (MRS) est prévue pour fin novembre 2018. Nous nous sommes particulièrement penchés sur Bi2FeCrO6 qui est une double perovskite prometteuse. Nous avons réalisé des dépôts par ablation laser de ce composé, épitaxiés sur SrTiO3 (001) et Nb-SrTiO3 (001). Nous avons démontré qu'il est possible de moduler le bandgap de ces couches de 2.6 à 1.9 eV, en modifiant le taux de répétition du laser. Un taux de répétition faible induit un meilleur ordre Fe/Cr dans la double perovskite, ce qui réduit le bandgap du matériau. Des calculs de structure de bande ab initio confortent ce schéma car ils montrent que la présence de défauts d'antisite conduit à une augmentation du bandgap de 0.25 eV par rapport à la structure idéale. Au niveau des dispositifs, nous avons mis en évidence un effet hystérétique de l'effet photovoltaïque en fonction du champ électrique et de l'historique de poling de l'échantillon. Nous avons également montré que la lumière peut dépolariser électriquement les films ce qui a été observé en PFM (piezoresponse force microscopy). Les travaux sur deux autres matériaux, KBiFe2O5 et TbMnO3, sont toujours en cours avec des verrous à lever concernant l'obtention de la bonne phase de ces matériaux.

Un bâti d'ablation laser a été mis en place dans le cadre de ce projet ANR afin d'élaborer des oxydes en couche mince. Trois publications ont été réalisées durant la période, sur les oxydes pour le photovoltaïque. Un livre est en cours d'édition chez Elsevier, portant sur les matériaux et concepts avancés pour le photovoltaïque. Nous avons obtenu une cellule solaire à base de Bi2FeCrO6 commandable en tension, mais dont le rendement de conversion reste à améliorer. Des mesures synchrotron à l'ESRF ont été réalisées afin d'évaluer le taux d'ordre Fe/Cr dans les couches de Bi2FeCrO6 avec différents bandgaps.

-[soumise] Thickness dependence and strain effects in ferroelectric Bi2FeCrO6 thin films, M. V. Rastei, F. Gellé, G. Schmerber, A. Quattropani, T. Fix, A. Dinia, A. Slaoui, and S. Colis
-Investigation of KBiFe2O5 as a photovoltaic absorber, T. Fix, G. Schmerber, H. Wang, J.-L. Rehspringer, C. Leuvrey, S. Roques, M. Lenertz, D. Muller, H. Wang, A. Slaoui, ACS Applied Energy Materials, accepted
-Tuning photovoltaic response in Bi2FeCrO6 films by ferroelectric poling, A. Quattropani, A. Makhort, M. V. Rastei, G. Versini, G. Schmerber, S. Barre, A. Dinia, A. Slaoui, J.-L. Rehspringer, T. Fix, S. Colis and B. Kundys, Nanoscale 10, 13761 (2018)
-Investigation of LaVO3 based compounds as a photovoltaic absorber, M. Jellite, J.-L. Rehspringer, M. A. Fazio, D. Muller, G. Schmerber, G. Ferblantier, S. Colis, A. Dinia, M. Sugiyama, A. Slaoui, D. Cavalcoli, T. Fix, Solar Energy 162, 1 (2018)
-Band-gap tuning in ferroelectric Bi2FeCrO6 double perovskite thin films, A. Quattropani, D. Stoeffler, T. Fix, G. Schmerber, M. Lenertz, G. Versini, J. L. Rehspringer, A. Slaoui, A. Dinia and S. Colis, Journal of Physical Chemistry C 122, 1070 (2018)
De plus, cinq communications orales dans des conférences internationales ont été présentées, dont trois invitées ; ainsi qu’une communication dans une conférence nationale.
Enfin, un livre a été édité par le coordinateur scientifique, contenant un chapitre sur les cellules solaires oxydes :
Book editor: Advanced micro- and nanomaterials for photovoltaics, edited by D. Ginley and T. Fix, Elsevier 2019, ISBN: 978-0-12-814501-2
Oxide and Ferroelectric Solar Cells, T. Fix, in Advanced micro- and nanomaterials for photovoltaics, Elsevier 2019, ISBN: 978-0-12-814501-2

Le photovoltaïque (PV) en couches minces inorganiques est principalement basé sur le CdTe, le Si amorphe ou le CIGS. Très récemment, les perovskites hybrides ont émergé avec un rendement maximum de 20.1%. Cependant, ces matériaux présentent des problèmes de stabilité, fiabilité, de toxicité et d’échelle (taille des cellules). Bien sûr, la recherche dans ce domaine s’attache à résoudre ces défis, mais le succès n’est pas garanti. Une voie alternative, les oxydes inorganiques, pourrait présenter des avantages significatifs.
La largeur de bande interdite idéale pour une couche active photovoltaïque pour le spectre solaire est d’environ 1,3 eV. Cependant les oxydes avec de telles valeurs sont rares. L’un des oxydes les plus étudiés à ce jour comme couche active photovoltaïque est l’oxyde cuivreux Cu2O. Sa largeur de bande interdite est d’environ 2,1 eV et n’est donc pas idéale pour le spectre solaire. Les rendements de conversion n’excèdent généralement pas les 4%.

Dans ce projet nous proposons d’étudier un type de cellule solaire émergent qui est basé sur la ferroélectricité. Dans ce type de cellule solaire, une jonction p-n n’est pas forcément nécessaire, à l’opposé des cellules solaires conventionnelles. Des rendements de conversion intéressants commencent à être obtenus avec ce type de cellule (jusqu’à 8,1% en 2015), cependant les mécanismes ne sont toujours pas bien compris et plusieurs défis au niveau matériau et au niveau ingénierie doivent être relevés.

L’objectif de ce projet est d’initier une technologie photovoltaïque novatrice basée sur de nouveaux matériaux oxydes inorganiques et multifonctionnels avec des largeurs de bande interdite adaptées. Ces oxydes sont stables, non toxiques, abondants et manipulables avec un éventail important de méthodes et à grande échelle (taille des cellules). L’amélioration de leurs performances est possible en leur ajoutant un degré de multifonctionnalité. Cinq tâches sont proposées dans ce projet, très structurées, qui mises ensemble permettront de maximiser les chances de succès.

Nous visons à synthétiser des matériaux ferroélectriques qui absorbent une large partie du spectre solaire avec des largeurs de bande interdite réduites. Nous explorerons quatre types de matériaux aux propriétés prometteuses : BiMnO3, BiFeO3 dopé, Bi2FeCrO6, et TbMnO3 dopé. Pour ces matériaux, le projet consistera en la croissance de couches minces et l’évaluation de leurs propriétés structurales, optiques et électriques afin de mieux comprendre ces matériaux. Ensuite, les matériaux les plus prometteurs seront intégrés dans des cellules solaires tout oxyde et leur potentiel pour le photovoltaïque sera évalué.