DS02 - Energie, propre, sûre et efficace

Mécanismes de dégradation dans les dispositifs photovoltaïques à base de matériaux organiques, nanocristaux, et hybrides – PROCES

Cellules solaires colloïdales et cellules solaires à pérovskite : quels facteurs contrôlent leur stabilité ?

Les cellules solaires de «troisième génération« à base de nanocristaux colloïdaux et de pérovskites sont des technologies émergentes. Alors que leur efficacité s'améliore, le talon d'Achille réside dans leur instabilité. Une compréhension fondamentale de leur dégradation est indispensable pour leur développement futur.

Comprendre et atténuer les problèmes de stabilité dans les cellules solaires colloïdales à points quantiques (QD) et les cellules solaires à pérovskite

Les cellules solaires à base de nanocristaux colloïdaux QDs et de pérovskite hybride ont montré des progrès remarquables en termes d'efficacité de conversion d'énergie au cours de la dernière décennie. Pourtant, le talon d'Achille de ces dispositifs réside dans leur instabilité environnementale. Ce projet vise ainsi à développer une compréhension fondamentale des processus physico-chimiques conduisant à leur dégradation. Différents aspects fondamentaux et techniques liés à leur stabilité ont été étudiés : (i) La relation entre la dégradation des électrodes induite par la migration des ions et la stabilité opérationnelle des cellules solaires à pérovskite à base de MAPbI3 ; (ii) Sur les cellules solaires à pérovskite à trois cations, l'impact de l'excès de PbI2 à l'interface sur la stabilité des cellules solaires. (iii) Sur les cellules solaires à base de PbS QDs, les origines de la dégradation dans des environnements oxygénés. (iv) Sur les cellules solaires à pérovskite à trois cations, l'ingénierie des couches de transport d'électrons (ETL) de nanocolonnes de TiO2 pour des améliorations de stabilité/performance. Ce projet a fortement stimulé la collaboration franco-allemande entre le LPEM et la TU-Dresde en établissant une plateforme de recherche pour relever les défis complexes et multi-domaines afin de maximiser la stabilité des cellules solaires colloïdales et pérovskites. Les résultats obtenus ont fourni les connaissances fondamentales nécessaires au développement futur de ces technologies.

L'obtention des résultats dans ce projet s'est basée sur les différentes méthodes regroupées dans les deux domaines suivants : (1) Synthèse, modification et propriétés physiques des matériaux ; et (2) Fabrication de dispositifs photovoltaïques et dégradation contrôlée. Plus précisément, (1) comprend la synthèse colloïdale, la synthèse de différents précurseurs de pérovskite, l'optimisation des méthodes d'échange de ligands QD, la fabrication de films minces d'épaisseur réglable à partir de la solution, l'application de traitements chimiques pour modifier les interfaces et les caractérisations détaillées sur la structure, optique, thermique et spectroscopique. (2) comprend la fabrication de cellules solaires colloïdales et pérovskites, les expériences de différentes architectures de dispositifs, l'exploration de l'ingénierie de la couche de transport de charge, l'application de différentes conditions de dégradation des cellules solaires, l'examen des paramètres et des rendements photovoltaïques, la corrélation entre ces paramètres et résultats de la spectroscopie d'impédance, et l'examen du film mince et des cellules solaires dégradés par différentes techniques structurelles, optiques et spectroscopiques pour révéler les processus physiques au cours de la dégradation et l'efficacité d'une approche spécifique contre la dégradation.

Ce projet de collaboration ANR-DFG France Allemagne de 42 mois a été mené en étroite collaboration entre deux partenaires de l'Université d'Heidelberg/TU Dresde (Allemagne) et du LPEM (Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux, unité de recherche du CNRS/ ESPCI-ParisTech/Sorbonne Université/Université PSL). Il s'est construit sur la force et l'expertise de ces deux équipes pour permettre une enquête pluridisciplinaire. Différentes connaissances fondamentales et approches techniques liées à la stabilité des cellules solaires à base de nanocristaux colloïdaux et de cellules solaires à pérovskite ont été obtenues/explorées : (i) L'étude de la dégradation des électrodes induite par la migration des ions sur la stabilité opérationnelle des cellules solaires à pérovskite à base de MAPbI3. Nous avons constaté que le blocage de la migration des ions vers l'électrode n'améliorait pas nécessairement la stabilité de l'appareil de manière significative dans des conditions opérationnelles, ce qui suggère que d'autres mécanismes physiques (que la migration des ions vers l'électrode) sont à l'origine de la dégradation ; (ii) Sur des cellules solaires pérovskite à trois cations, nous avons démontré différentes voies de traitement chimique de surface pour éliminer l'excès de PbI2 à l'interface conduisant à un amélioration significative de la stabilité des cellules solaires sous un éclairage continu. (iii) Sur les cellules solaires à base de PbS QDs, nous avons démontré que les processus de dégradation des PbS QDs exposés à des environnements oxygénés sont étroitement liés au choix des ligands. (iv) Sur des cellules solaires à pérovskite à trois cations, nous avons exploré l'application d'une série d'ETL photoniques à nanocolonne de TiO2. L'application de la nanocolonne ETL de TiO2 a permis d'améliorer à la fois l'efficacité de conversion de puissance des cellules solaires en pérovskite et une durée de conservation prolongée des cellules solaires. Les principaux résultats ont été publiés dans 18 revues internationales à comité de lecture et 11 présentations lors de conférences et d'ateliers. Ce projet a fortement renforcé la capacité de recherche de chaque équipe en établissant une plateforme de recherche pour relever les défis complexes et multi-domaines afin de maximiser la stabilité environnementale des cellules solaires à base de nanocristaux inorganiques colloïdaux et d'halogénures de pérovskite hybrides. Ces résultats obtenus ont fourni les connaissances fondamentales nécessaires à la conception future de cellules solaires colloïdales et de cellules solaires à pérovskite plus performantes et plus stables.

Diverses questions ouvertes sur différents aspects sont soulevées à la fin de ce projet : Par exemple, comme le coupable des cellules solaires colloïdales à base de PbS QDs a été identifié comme étant les PbS QDs coiffés avec les ligands d'EDT (ethanedithiol), peut-on trouver un remplacement efficace et robuste, avec des niveaux énergétiques et une propriété de transport des trous appropriée, pour obtenir des cellules solaires colloïdales sans dégradation ? Sur les cellules solaires à pérovskite, nous avons constaté que la dégradation des cellules n'était pas associée à la dégradation des électrodes par migration d'ions, mais plutôt à la diffusion de produits volatils hors de la couche active de pérovskite et dans la couche PCBM ([6,6]-phényl-C61-butanoate de méthyle). Existe-t-il une architecture de cellule solaire et/ou des couches de transport de charges adaptées où la diffusion de tels produits volatils peut être bloquée ? Nous avons constaté que l'excès de PbI2 à l'interface pérovskite/HTL (couche de transport de trous) est préjudiciable à la stabilité du dispositif sous éclairage continu. Qu'en est-il de l'excès de PbI2 à l'intérieur du film de pérovskite (non interfacial) ? Peut-on obtenir un compromis entre performance (qui nécessite un léger excès de PbI2) et stabilité (où l'excès de PbI2 est préjudiciable) ? Les approches d'ingénierie développées dans ce projet (par exemple, l'élimination du PbI2 interfacial par des traitements de solutions de sels organiques, l'application d'ETL à réseau de nanocolonnes photoniques) peuvent-elles être appliquées à d'autres formes de cellules solaires, par ex. cellules solaires pérovskite semi-transparentes ou cellules solaires tandem pérovskite/Si ? Sur ce dernier point, pour faire suite à ce projet PROCES, nous avons déposé un nouveau projet collaboratif («TESSERAE«, appel ANR-DFG 2022) pour consolider notre collaboration avec l'équipe TU-Dresde.

Ce projet PROCES a produit 18 publications dans des revues internationales à comité de lecture. Parmi ces 18 publications, il y a 4 publications co-écrites par le partenaire français (LPEM) et le partenaire allemand (TU Dresden), 6 publications mono-partenaires par l'équipe française (LPEM), et 8 publications mono-partenaires par l'équipe allemande ( TU Dresde). La liste détaillée des publications dans des revues internationales se trouve ci-dessous :

(i) B. Rivkin et al., ACS Omega, 3, 10042-10047 (2018);
(ii) M. Schoenauer Sebag et al., ACS Appl. Energy Mater., 1, 3537-3543 (2018);
(iii) D. Becker-Koch et al., Journal of Physics: Condensed Matter, 31 124001 (2019);
(iv) A. Weu et al., ACS Appl. Energy Mater. 2 (3), 1943 (2019);
(v) D. Becker-Koch et al., Sustainable Energy & Fuels, 4, 108 (2020);
(vi) Z. Hu et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 49, 54824-54832 (2020);
(vii) L. Kuai et al., ACS Energy Lett., 5, 1, 8-16 (2020);
(viii) Y. J. Hofstetter et al., Front. Chem. 66 (2020);
(ix) A. Weu et al., Adv. Funct. Mater. 30 (5), 1907432 (2020);
(x) L. M. Falk et al., Energy Tech. 8 (4), 1900737 (2020);
(xi) Z. Hu et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 5, 5979-5989 (2020);
(xii) Z. Hu et al., Journal of Applied Physics, 127, 125113 (2020);
(xiii) C. Xin et al., Materials Today Energy, 22, 100859 (2021);
(xiv) M. Albaladejo-Siguan et al., Adv. Energy Mater. 11 (12), 2003457 (2021);
(xv) D. Becker-Koch et al., ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 16, 18750–18757 (2021);
(xvi) Z. Hu et al., Nanoscale Advances, 4, 7, 1786-1792 (2022);
(xvii) D. Becker-Koch et al., Nanoscale 14, 3020-3030 (2022);
(xviii) O. Telschow et al., J. Mater. Chem. A, 2022, Advance Article (https://doi.org/10.1039/D1TA10566C).

Face à la consommation croissante d'énergie dans le monde, nous avons besoin de toute urgence d'augmenter la proportion d'électricité produite à partir d'une source d'énergie propre et renouvelable. Pour atteindre cet objectif, les matériaux organiques conjugués, les nanocristaux colloïdaux (boîtes quantiques ou QDs) et les matériaux hybrides à pérovskites sont des candidats très prometteurs pour les cellules solaires de «troisième génération». Leurs caractéristiques uniques peuvent permettre de mettre point des cellules solaires qui sont légères, souples, économiques et de haute performance. Grace à un intense effort de recherche, l'efficacité des cellules solaires organiques, colloïdaux et hybrides est constamment améliorée. Cependant un problème important encore non résolu demeure l’instabilité de ces dispositifs lorsqu’ils sont dans leur environnement. Jusqu'à présent, l’effort de recherche concernant les causes et les mécanismes conduisant à l’instabilité de ces dispositifs est resté très limité. Comprendre les processus physico-chimiques de la dégradation aiderait énormément à développer ces dispositifs à l’échelle industrielle et permettrait aussi un bon en avant au niveau du développement et de la durabilité des matériaux hybrides utilisés.

C’est dans ce contexte que nous soumettons le projet "PROCES". Nous visons à (1) identifier les causes fondamentales de la dégradation dans les cellules solaires à base de matériaux organiques, de nanocristaux et de pérovskite hybrides; (2) comprendre l'origine physique de la dégradation, et notamment la formation des produits de dégradation; (3) corréler les changements dans les caractéristiques des cellules solaires aux mécanismes identifiés de détérioration; et (4) élaborer des stratégies pour améliorer la stabilité des matériaux et des dispositifs. Nous espérons que, grâce à cette étude, nous allons comprendre comment le choix des différents matériaux (organiques, nanocristaux, et hybrides), l’étude de leur synthèse et leur chimie de surface, ainsi que le choix des architectures des dispositifs ont une influence les mécanismes de dégradation. La compréhension de tous ces aspects conduira non seulement à augmenter la durée de vie des cellules solaires organiques et hybrides, mais aussi à offrir de nouvelles lignes directrices de conception sur les matériaux et les dispositifs liés au développement de cellules solaires de troisième génération.

Ce projet ANR-DFG d’une durée de 3 ans sera réalisé en étroite collaboration entre deux équipes de recherche, respectivement l'Université de Heidelberg et le LPEM (Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux, unité mixte CNRS / ESPCI-ParisTech / Université Pierre de recherche et Marie Curie). Ce projet multidisciplinaire pourra s’appuyer sur l’expérience, la complémentarité et l’expertise de ces deux équipes. Les résultats de cette collaboration contribueront aussi à stimuler chaque équipe au-delà de leur niveau actuel, et de façon plus générale, à créer une plateforme idéale pour relever les défis multidisciplinaires complexes liés à la stabilité des composants à base de matériaux organiques, nanocristaux et pérovskites hybrides.

Coordination du projet

Zhuoying CHEN (Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LPEM Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux
Heidelberg University Kirchhof Institute for Physics, Heidelberg University

Aide de l'ANR 170 314 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2018 - 36 Mois

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