Ingénierie Chimique pour la Stabilisation de Couches Pérovskites de Cellules Solaires Très Performantes – ChemSta

Des films de PVK 3D sans méthylammonium (MA+) et sans Br seront préparés en utilisant des mélanges d’additifs chlorés agissant de manière synergique afin d’obtenir des films composés de grains de grande taille, bien cristallisés, de phase pure et exempts de défauts structuraux. Leur composition sera ajustée pour optimiser leur stabilité entropique. De plus, des traitements de surface seront effectués pour stabiliser davantage les systèmes. Des phases quasi-2D Ruddlesden-Popper et Dion-Jacobson à base de formamidinium seront aussi développées par une approche NS&A (non-stœchiométrie et additifs). Le rôle de la non-stœchiométrie sera étudié, de même que l’élimination complète du MA, un composé source d’instabilité. Les matériaux les plus stables seront identifiés et sélectionnés pour une étude en cellules solaires afin de discriminer ceux présentant le meilleur compromis performances/stabilité. Ces derniers seront alors choisis pour la réalisation de mini-modules photovoltaïques. Une double encapsulation sera mise au point pour limiter drastiquement la perméation d’oxygène et d’eau dans les dispositifs. Les meilleurs dispositifs encapsulés subiront des tests standardisés de vieillissement en éclairement continu et en chaleur humide, qui sont les plus critiques pour l’absorbeur de lumière solaire.
Trois partenaires travailleront en collaboration étroite pour mener à bien ce projet pluridisciplinaire. L’Institut de Recherche de Chimie-Paris (IRCP, Partenaire 1) développera la chimie des pérovskites, la préparation des films, ainsi que la caractérisation des films et des cellules solaires. L’Institut Photovoltaïque d’Île-de-France (IPVF, Partenaire 2) réalisera des caractérisations avancées complémentaires des films, l’étude du vieillissement des couches et réalisera l’analyse des changements chimiques survenant durant le vieillissement des cellules. L’Institut National de l'Énergie Solaire (INES CEA-LITEN, Partenaire 3) développera la réalisation des mini-modules, l’encapsulation et les tests standardisés des dispositifs photovoltaïques.

Preparation de couches stables de pérovskites 3D sans MA et sans Br et intégrant trois cations de métaux alcalins. Rendement satbilisé >22%.
Suppression de l'hystérèse dans les cellules quasi2D-RP.

Travail de fond sur 3 familles de PVK - Meilleur compréhension de la chimie/vieillissement de ces PVKs

Effets des additifs et de la non-stœchiométrie pour q2D.

Surmonter le verrou technologique de la stabilité des PSC- Passer/surpasser 2 items du test standard IEC61215:2016PV

Obtenir des démonstrateurs fiables et reproductibles de PSC à base de 3 familles de pérovskites. Montée en TRL

Avancer sur la voie à la commercialisation de cette technologie.

D. Zheng, T. Zhu, Y. Yan, Th. Pauporté, Controlling the formation process of methylammonium-free halide perovskite films for a homogeneous incorporation of alkali metal cations beneficial to solar cell performances. Adv. Energy Mater., (2022) 2103618. DOI:10.1002/aenm.202103618.

Brevet : «Synthèse de couches minces de pérovskites halogénées 2D/3D très stables« T. Pauporté, T. Zhu. Numéro d'enregistrement : FR 2107987 (Dépôt le 23/07/2021).

Les cellules solaires à pérovskites (PSCs) sont apparues récemment et sont particulièrement prometteuses pour atteindre des performances élevées à coût réduit. Leurs rendements de conversion photovoltaïque approchent actuellement ceux des cellules au silicium monocristallin. Cependant le verrou actuel pour une large diffusion de cette technologie est une stabilité insuffisante due à une sensibilité du matériau aux agents extérieurs, particulièrement l’humidité, l’oxygène et la chaleur. La préparation de cellules PSC très stables et performantes, qui passent les tests photovoltaïques standards de stabilité, reste l’enjeu majeur pour une large diffusion de cette technologie. Le projet ChemSta se propose de travailler sur l’élément essentiel de ces dispositifs, la couche de pérovskite. Une grande force des PSCs est que la couche de pérovskite (PVK) photo-absorbante est préparée à températures peu élevées (=160°C) à partir de solutions. La chimie des solutions de précurseurs de pérovskites (PPSs) est essentielle pour contrôler les propriétés finales des couches PVK. Celles-ci contiennent deux types de composants : (i) des éléments et composés qui forment le film et (ii) ceux qui sont éliminés durant la synthèse, principalement lors de l’étape de recuit final. En travaillant sur cette chimie et sur le contrôle de la cristallisation, nous visons à augmenter considérablement la stabilité du matériau et des couches correspondantes, ceci non seulement par stabilisation thermodynamique, mais aussi en augmentant la taille des grains, en augmentant la cristallinité, en supprimant la formation de défauts et en stabilisant les joints de grains de la PVK. Pour cela ChemSta va développer des approches avancées et nouvelles, découvertes par le coordinateur du projet et basées sur la synergie des additifs et la non-stœchiométrie des PPSs.
Des films de PVK 3D sans méthylammonium (MA+) et sans Br seront préparés en utilisant des mélanges d’additifs chlorés agissant de manière synergique afin d’obtenir des films composés de grains de grande taille, bien cristallisés, de phase pure et exempts de défauts structuraux. Leur composition sera ajustée pour optimiser leur stabilité entropique. De plus, des traitements de surface seront effectués pour stabiliser davantage les systèmes. Des phases quasi-2D Ruddlesden-Popper et Dion-Jacobson à base de formamidinium seront aussi développées par une approche NS&A (non-stœchiométrie et additifs). Le rôle de la non-stœchiométrie sera étudié, de même que l’élimination complète du MA, un composé source d’instabilité. Les matériaux les plus stables seront identifiés et sélectionnés pour une étude en cellules solaires afin de discriminer ceux présentant le meilleur compromis performances/stabilité. Ces derniers seront alors choisis pour la réalisation de mini-modules photovoltaïques. Une double encapsulation sera mise au point pour limiter drastiquement la perméation d’oxygène et d’eau dans les dispositifs. Les meilleurs dispositifs encapsulés subiront des tests standardisés de vieillissement en éclairement continu et en chaleur humide, qui sont les plus critiques pour l’absorbeur de lumière solaire.
Trois partenaires travailleront en collaboration étroite pour mener à bien ce projet pluridisciplinaire. L’Institut de Recherche de Chimie-Paris (IRCP, Partenaire 1) développera la chimie des pérovskites, la préparation des films, ainsi que la caractérisation des films et des cellules solaires. L’Institut Photovoltaïque d’Île-de-France (IPVF, Partenaire 2) réalisera des caractérisations avancées complémentaires des films, l’étude du vieillissement des couches et réalisera l’analyse des changements chimiques survenant durant le vieillissement des cellules. L’Institut National de l'Énergie Solaire (INES CEA-LITEN, Partenaire 3) développera la réalisation des mini-modules, l’encapsulation et les tests standardisés des dispositifs photovoltaïques.