Piégeage des positons et des porteurs de charge dans les pérovskites halogénées – TRAPPER

Une nouveauté de TRAPPER est l'accent mis sur les défauts de type lacunaire dans les composés HOIPs avec détection directe de leur volume libre et détermination de leur charge et de leur nature par spectroscopie d'annihilation de positrons (PAS). Celle-ci est utilisée pour les couches HOIPs dans le mode de profilage en profondeur près de la surface (0= z(µm) = 1). TRAPPER développe une approche systématique pour comparer les caractéristiques de l'annihilation des positrons dans des cristaux, des couches et des dispositifs photovoltaïques HOIPs frais et traités et pour examiner la relation entre comportement des positrons - à l'intérieur des couches et à la surface/interface(s) des couches - et performance photovoltaïque. Un point original est que le comportement des positrons à la surface de couches HOIPs sera corrélé à celui des photo-porteurs dérivés des données SPV, trSPV. Une approche unique que propose TRAPPER est d’utiliser l'irradiation par des électrons de haute énergie pour contrôler les défauts dans les composés HOIPs. La question est si, suivant l'histoire des composés HOIPs (préparation, vieillissement, illumination, fonctionnement PV), les défauts introduits affectent la capture des positons, le transport/la recombinaison des porteurs photo-excités° et la migration des ions* : 2D-trSPV(10^-7-10^-2s°/>10^-1s*) ; ns-trPL (10-^7-10-^2s)°. Un autre aspect unique est la caractérisation et le traitement systématique de lots de couches servant de référence aux couches actives préparées en même temps pour des cellules solaires (CSs). L'étroite corrélation entre les performances des dispositifs photovoltaïques et les processus fondamentaux liés à la capture des positrons, celle des photo-porteurs et ceux liés au transport des ions dans les couches actives (CSs) ou leur références est l'un des points forts de TRAPPER. Cette compréhension est essentielle pour guider efficacement la fabrication de dispositifs CS avec une stabilité accrue.

Les données PAS 2020-2021 permettent de conclure que la capture et l'annihilation des positrons dans les matériaux HOIPs présentent un aspect intriguant et unique. La dynamique de recombinaison des porteurs de charge pour les couches HOIPs, telle que dérivée des données trSPV 2020-2021, est cohérente avec les données de photoluminescence à résolution temporelle rapportées dans la littérature.

L'une des perspectives futures de TRAPPER est de mettre en place différents types de profils de profondeur in-situ PAS afin de suivre les processus physiques qui contrôlent le comportement des positrons pour divers traitements HOIPs pertinents pour le fonctionnement photovoltaïque. Une autre perspective est de développer un nouveau mode d'acquisition en SPV adapté aux caractéristiques observées dans les premières données SPV de TRAPPER.

B. Grévin – invited – Implementation of pump-probe KPFM under UHV and application to third generation solar cells – Zurich Inst. SPM user meeting (virtual event) May 20th 2021
JPH2021 6ème Journées Pérovskites Halogénées - Sciencesconf.org;
jph2021.sciencesconf.org/data/Book_of_abstracts_JPH2021.pdf P. Aversa, M. Kim, V. Léger, H. Lee, D. Tondelier, O. Plantevin, J. Botsoa, P. Desgardin, J.E Bourrée, L. Liszkay, M. Dickmann, W. Egger, M.F. Barthe, B. Geffroy, C. Corbel; jph2021.sciencesconf.org/data/JPH2021_Programme_detaille_26032021.pdf C. Corbel

TRAPPER a pour but de comprendre la nature structurale/chimique des défauts dans des perosvkites hydrides organiques- inorganiques (HOIPs:APbX3 ) et leur rôle sur la dégradation de cellules photovoltaïques (PV) pour trouver comment augmenter stabilité et rendement PV. Il est crucial pour l’application PV que les porteurs photoexcités aient ne durée de vie suffisamment longue pour leur transport aux électrodes de collection (n/p) dans les cellules solaires (SCs). Un aspect phare est une approche expérimentale & théorique combinant des spectroscopies à l’état de l’art international et uniques au niveau national – PAS / fs°-tr2PPE/ns°-s*-2D-trSPV/in-situ ns°-trPL- pour caractériser les défauts, les mécanismes de transport/recombinaison des photoporteurs°, et les processus de migration ionique*. Les calculs DFT fourniront une information sur la structure électronique des défauts, la stabilité de leurs configurations, leur cinétique de migration et des valeurs de signature à comparer à celles obtenues expérimentalement, e.g. énergie de migration, signature PAS.
TRAPPER se focalisera sur des composés mixtes APbX3 prometteurs (ex. nA/nX éléments: 4/=2). Pour appréhender les mécanismes de contrôle des propriétés PV, TRAPPER corrélera l’évolution PV à celle des défauts, des porteurs et des ions en fonction des conditions de croissance, vieillissement, irradiation aux électrons (e-) : noir, illumination, polarisation, atmosphère, T(K). Cette méthodologie ambitieuse est réaliste. Son potentiel est démontré par des résultats récents des partenaires TRAPPER sur des composés prototypes CH3NH3PbI3 (MAPI) et 3/4APbX3.
La corrélation entre propriétés des défauts et des porteurs sera conduite pour des composés APbX3 avec des rendements de puissance SCs dans une large gamme 8-20% et, pour des couches (i) actives dans des structures p-i-n/n-i-p SCs (ii) obtenues à différents stades de fabrication des structures SCs, des cristaux, dans des états vierges/traités.
Les partenaires ont récemment démontré que des ions migrent dans MAPI (i) sous champ électrique dans l’obscurité ou (ii) sous lumière (2D_trSPV). Pour (i), ils ont directement identifié qu’il s’agit d’iodures. Avec la spectroscopie d’annihilation de positons (PAS), ils ont directement détecté que les populations de défauts de type lacunaires dans les composés HOIPs dépendent de leur histoire. Cela soulève des questions sur le rôle des lacunes natives sur la migration ionique et leur impact sur la stabilité des performances PV. Pour une composition APbX3, PAS a aussi l’avantage d’indiquer si les signatures PAS aux interfaces évoluent suivant préparation/traitement. Ainsi, PAS discrimine quel traitement affecte les interfaces et si des défauts sont spécifiquement générés au voisinage de l’interface.

Un aspect novateur de TRAPPER est l’attention portée aux défauts lacunaires et la détection directe de leur nature et états de charge par PAS qui, malgré son potentiel, est négligée à ce jour dans les composés HOIPs. Un autre est que TRAPPER met en place un couplage expérimental original à ce jour pour contrôler les défauts par e- irradiation et montrer si, suivant l’histoire –préparation, vieillissement, illumination, e- irradiation, PV fonctionnement- les défauts identifiés^ affectent transport°/recombinaison° des porteurs photoexcités, migration ionique* -PAS^ ;fs°-tr2PPE (10-13-10-9s); ns°-s*-2D-trSPV(10-7-10-2s°/>10-1s*); in-situ ns°-trPL(10-7-10-2s). Un point fort est aussi la caractérisation systématique de couches préparées dans les lots pour SCs. Cette méthodologie est un atout clé pour élucider les mécanismes et la nature des défauts à rôle prépondérant sur la stabilité des performances PV et guider efficacement leur fabrication avec une stabilité améliorée à long terme.

Compte tenu du défi économique mondial des cellules solaires à base HOIPs, l’amélioration de leur stabilité constituera une percée pour la technologie PV. Le succès de TRAPPER aura un fort impact international.