DS0202 - Captage des énergies renouvelables et récupération des énergies de l’environnement

Cellule Solaire Utilisant des Pérovskites Hybrides Sans Plomb – SuperSansPlomb

Cellule Solaire Utilisant des Pérovskites Hybrides Sans Plomb

L’objectif principale de ce projet et de développer des matériaux absorbeurs de type pérovskites sans plomb et de les intégrer dans les dispositifs photovoltaïques efficaces et stables.

Enjeux et objectifs

Actuellement les cellules solaires à base de pérovskites sont presque exclusivement basées sur des composés toxiques contenant du plomb. L’utilisation de tels matériaux est strictement régulée par le gouvernement à cause de leurs effets néfastes sur la santé humaine et animale ainsi que sur l’environnement. L’objectif principale de ce projet et de développer des matériaux absorbeurs de type pérovskites sans plomb et de les intégrer dans les dispositifs photovoltaïques efficaces et stables. <br /> <br />1. Identification des matériaux de type pérovskites sans plomb pour des cellules efficaces. L’interaction entre l’approche théorique (modélisation de type first principles) et des méthodes expérimentales pour fabriquer et tester des matériaux sera essentiel pour le progrès rapide de cette tache. <br /> <br />2. Développement de nouveaux matériaux transporteurs de trous. Nous développerons une nouvelle classe de molécules pi-conjuguées à base des unités de triangulène et triphénilamine. <br /> <br />3. Caractérisation des matériaux et cellules solaires par des techniques spectroscopiques et électrochimiques. <br /> <br />4. Investigation et amélioration de la stabilité des cellules à pérovskites vis-à-vis de le température, humidité, UV et irradiation long-terme dans les chambres de vieillissement. Le RPE pulsé sera également utilisé pour identifier des mécanismes de dégradation des cellules. <br /> <br />5. Fabrication, caractérisation et simulation des cellules solaires. Des architectures variées seront explorées (planaires ou nanostructurées). Des dispositifs de référence seront également préparés. La simulation de dispositifs sera effectuée par le code SILVACO et complétée par des études DFT et un modèle optique obtenus par le logiciel FDTD.

Objectif 1: approche combiné théorique/expérimentale. Simulations «first-principles« avec DFT pour estimer la structure, les band-gaps et constants diélectriques des pérovskites matériaux sans plomb. Fabrication de films et nanocristaux de pérovskites sans plomb (alliages et autres) par des méthodes chimiques. Caractérisation par diffraction DRX et diffusion de neutrons.

Objectif 2. Les matériaux HTMs à base de triangulène et triphénylamine seront préparés en utilisant la synthèse organique classique.

Objectif 3. Les processus de transfert de charge seront étudiés par des techniques de spectroscopie photostationnaire et résolu en temps. Les dispositifs seront étudiés par les techniques de photovoltage et photocourant résolu en temps et par l'impédance électrochimique.

Objectif 4. Un suivi de dégradation de cellules (courbes I-V, IPCE) sera effectué dans un bâti de vieillissement accéléré en fonction de nombreux paramètres : humidité, température, irradiation. Les techniques de RPE seront utilisées pour identifier des mécanismes de dégradation.

Objectif 5. Des dispositifs des architectures variées seront préparés et testés. En parallèle, ils seront simulés par des codes SILVACO et modélisations structurales DFT et optique de type FDTD.

Nous avons développé de nouveaux matériaux moléculaires comportant des motifs triphénylamines fusionnées : trois matériaux originaux ont été obtenus en moins de 5 étapes et caractérises. Une série de nanocristaux de type CsPb1-xMx(IyBr1-y)3 (x = 0.25-1, y = 0-1, M : métaux) avec une concentration de plomb diminuée a été fabriquée et caractérisée. Des films des composés sans plomb de type MA3Bi2Br9 de bonne qualité ont été fabriqués et testés en cellules solaires montrant des résultats prometteurs.
Des études structurales effectuées en utilisant le synchrotron ESRF sur des pérovskites classiques ont démontré qu'elles s’orientent en fonction de présence du chlore et la nature du substrat. Des études de diffusion de neutrons faites à l’ILL ont permis de mettre en avant le rôle de cations (MA, FA, Cs, Rb) dans la stabilisation de la structure pérovskites.
Un modèle de type drift-diffusion a été développé pour les cellules solaires pérovskites en se basant sur l’implémentation au sein du logiciel Silvaco en adaptant les modèles connus pour les semiconducteurs III-V en modélisant les caractéristiques I(V) et C(V) et à intégrant les paramètres physiques disponibles. Un accord raisonnable avec la littérature a été obtenu et ce travail initial a fait l’objet d’un article.
Une revue complète de la littérature et un screening exhaustif des composés purs possibles obtenus par substitution métallique, a permis de dégager des propositions que le partenaire SyMMES a mise en œuvre expérimentalement sous forme d’alliages.Une cellule de référence présente un rendement maximal de 15%.
Une couche d’interface bloqueuse de trous à base de WO3, imprimable à basse température, a permis la démonstration de performances à l’état de l’art. Ces dispositifs ont été électriquement caractérisés à XLIM et par le FOTON (mesure de capacité) afin d’initier la modélisation à l’échelle des dispositifs.

- Fabriquer des pérovskites doubles sans plomb en utilisant Ag, Bi et autre combinaisons.
- Fabriquer des cellules solaires avec des pérovskites sans plomb
- Simuler par DFT prévues des alliages de pérovskites
- Choisir et caractériser des couches de ETL pour les meilleures cellules
- Réaliser une modélisation de dispositif sans plomb complet

1. A. Gheno,* T. T. T. Pham, C. Di Bin, J. Bouclé, B. Ratier, and S. Vedraine,* “Printable WO3 Electron Transporting Layer for Perovskite Solar Cells: Influence on Device Performance and Stability”, Solar Energy Materials & Solar Cells 161 (2017) 347-354
2. Bouchard, M.; Hilhorst, J.; Pouget, S.; Alam, F.; Méndez, M.; Djurado, D.; Aldakov, D.; Schulli, T. U.; Reiss, P. “Direct Evidence of Chlorine Induced Preferential Crystalline Orientation in Methylammonium Lead Iodide Perovskites Grown on TiO2” J. Phys. Chem. C 2017, 121 (14), 7596.
3. Yong Huang, S. Aharon, Alain Rolland, Laurent Pedesseau, Olivier Durand, et al.. « Influence of Schottky contact on the C-V and J-V characteristics of HTM-free perovskite solar cells” EPJ Photovoltaics, EDP sciences, 2017, 8, pp.85501. <hal-01495026>

Les pérovskites hybrides organique/inorganique sont apparues récemment comme une nouvelle famille très prometteuse de matériaux pour le photovoltaïque (PV). Les cellules solaires pérovskites combinent une grande efficacité (>20%) avec une fabrication à très bas coût via des dépôts par voie liquide à basse température. Elles présentent un fort potentiel pour le PV intégré dans le bâtiment (par exemples dans les fenêtres, baies vitrées). Cependant pour que la découverte scientifique devienne une vraie technologie PV plusieurs verrous doivent être levés : a) la présence du plomb, incompatible avec les normes Européennes ; b) la compréhension limitée des processus physiques comme l’hystérésis, donnant lieu à une surestimation des efficacités ; c) la faible stabilité. SuperSansPlomb traite les points clés suivants : i) Conception et synthèse de nouveaux matériaux pérovskite sans plomb par une approche combinée simulation/expérience ; ii) intégration en cellule solaire et étude des processus fondamentaux de génération et de transfert de charges ; iii) développement de contacts et couches de blocage sélectifs donnant accès à des performances et stabilités optimisées.

Coordinateur du projet

Monsieur Dmitry Aldakov (Structure et Propriétés des Architectures Moléculaires)

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

XLIM XLIM
SPrAM Structure et Propriétés des Architectures Moléculaires
FOTON Laboratoire des Fonctions Optiques pour les Technologies de l’information

Aide de l'ANR 301 447 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2015 - 36 Mois

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