Cellules Solaires à base de Matériaux Pérovskites

Systèmes les plus stables

Cellules solaires à base de MAPI

Après avoir atteint un rendement supérieur à 20%, les recherches sur les cellules solaires à base de pérovskite sont passées d’une course à l’efficacité à une course à la stabilité. Cependant, le terme « stabilité » est utilisé de manière très large et évalué de manières différentes, ce qui rend les résultats difficilement comparables entre les laboratoires de recherche. La Figure 27 montre les principaux résultats de stabilité des cellules à base de MAPI jusqu’à 2016. Le meilleur compris performance / stabilité était donné par l’une des équipes de Grätzel [3] qui a rapporté les cellules les plus efficaces (15%) ayant démontré une stabilité (> 90% du PCE initial) sous illumination en atmosphère inerte et à température ambiante pendant 1000 h. Ils ont utilisé des couches inorganiques hautement dopées pour une extraction rapide des porteurs de charge et une protection de la couche active. 48 Figure 27. Meilleurs résultats de performance et de stabilité des cellules solaires à base de pérovskite MAPI reportés dans la littérature de 2013 à 2016 [121]. Chen et al, ont trouvé qu’en modifiant les paramètres de procédé de dépôt, par la technique de « hot casting », l’épaisseur de la MAPI peut être modifiée, entre 300 et 850 nm. Cette méthode consiste à faire chauffer le substrat (verre/ITO/Couche N) ainsi que la solution de précurseurs pérovskite juste avant de son dépôt. La température optimale de chauffage (70°C) a permis d’atteindre un PCE de 19,54 % pour une architecture planaire de type P-I-N et de structure ITO / NiOx / MAPbI3 / PCBM / BCP / Ag [122]. Les dispositifs, préparés avec cette méthode, exposés à l’air pendant 30 jours ont montré une très bonne stabilité en présence de 50% d’humidité relative, comparés aux dispositifs réalisés avec la technique de dépôt classique (sans hot casting) qui montrent une diminution des PCE après exposition à l’air (HR=50%) et une formation importante de PbI2 pour ces mêmes conditions. En effet, le chauffage du substrat et de la solution précurseurs permet d’avoir des grains de MAPI plus grand ainsi qu’une épaisseur plus élevée ce qui retarderait la décomposition de la pérovskite et contribuerait à améliorer sa stabilité [123]. 49 Figure 28. (a) Evolution de l’intensité relative des pics de PbI2 (12,68 °) et de pérovskite (14,14°). (b) Evolution de la stabilité des cellules à base de MAPI non scellées stockées en boîte à gants (N2) ou à l’air avec une humidité relative de 50% [122] Une autre voie d’amélioration de la stabilité des cellules à base de MAPI a été l’ajout des liquides ioniques dans la solution précurseurs [124]. Wu et al, ont étudié l’ajout d’un liquide ionique de faible masse moléculaire, l’acétate de méthylammonium (MAAc), et un additif moléculaire, le thio-semicarbazide (TSC) à la place des additifs de masse moléculaire élevée [125]. Leurs résultats ont montré que l’ajout du MAAc (rapport molaire de 10 à 15%) engendrait de petits cristaux, de l’ordre de 300 nm, tandis que l’ajout du TSC (rapport molaire de 3 à 5%) ainsi que du MAAc avait favorisé une croissance plus importante des cristaux (Figure 29 (a) et (b)). En raison de ces améliorations de la qualité du film, le PCE de ces cellules à grande surface (> 1 cm2 ) ayant une architecture planaire P-I-N (NiO comme HTL et PCBM et oxyde de titane dopé comme ETL) affichait un PCE de 19,19% et une bonne stabilité thermique et sous illumination jusqu’à 1000 heures (Figure 29 (c)). 50 Figure 29. Images MEB des films MAPI fabriqués avec des additifs de MAAc (a), MAAc + TSC (b) dans une solution de précurseurs.(c) performances des dispositifs vieillis sous illumination continu AM 1,5 (température 25°C et humidité relative <25%) ou dans un four à une température de 85°C (HR <25%) .

Cellules à base de Pérovskites mixtes

Malgré le grand progrès en termes d’efficacité et de stabilité des cellules à base de MAPI, les problèmes liés à la dégradation du MA à long terme reste un obstacle pour cette pérovskite. Pour cette raison, les cellules à base de pérovskite multi cations ont suscité l’intérêt des chercheurs surtout après avoir montré un grand potentiel au niveau des performances et stabilités. Le groupe de Snaith a étudié le dopage de la couche HTL et ETL sur la stabilité des dispositifs d’architecture planaire N-I-P de structure verre / FTO / SnO2 / FA0.83Cs0.17Pb(I0.6Br0.4)3/ Spiro-OMeTAD / Au. Avant dépôt de la couche Pérovskite, le dihydro-1H-benzo-imidazol-2-yl (N-DPBI) et le fullerène C60 sont dissout dans du dichlorobenzène et déposé sur le substrat verre /FTO/SnO2. Pour activer le dopage, les films sont recuits thermiquement pendant 12 h à 80°C pour initier la réaction entre le C60 et le dopant N-DPBI. La couche HTL de Spiro-OMeTAD est dopé avec du tert-butylpyridine (t-BP) et du lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (Li-TFSI) [126]. Ces dispositifs ayant des couches ETL et HTL dopés ont montré une stabilité supérieure à 600 h sous éclairement continu à l’air (Irradiance = 760 W.m-2 ) sans encapsulation et sans filtre UV, 51 et une stabilité de plus de 3420 h pour les dispositifs encapsulés (Figure 30). Les dopants stables à l’air améliorent la conductivité de la couche N ainsi que l’interface couche N / Pérovskite. Les 3423 h sous 760 W.m-2 d’éclairement continu est équivalent à un rayonnement solaire absorbé par la cellule solaire après 17 343 h, ou une exposition de 2 ans à l’illumination en conditions réelles dans un lieu géographique où l’irradiance solaire est de 150 W.m-2 . Figure 30. Comparaison de la stabilité des dispositifs de pérovskite MAPbxI3-x (référence) et FA0.83Cs0.17Pb (I0.6Br0.4) avec des couches de transport d’électrons C60 (contrôlé) et avec 1% de N-DPBI. La configuration du dispositif est FTO / SnO2 / C60 avec 1% N-DPBI / pérovskite / spiro-OMeTAD (dopée au Li-TFSI et au tBP) / Au. Les dispositifs ont été vieillis (a) sous illumination AM 1,5 à 76 mW, à l’air, sans filtre UV et (b) sous illumination AM 1,5 à 76 mW sous atmospère inerte [126] Saliba et al, ont montré l’effet d’addition du Rb dans la solution de précurseur pérovskite FACs. Les dispositifs à base de pérovskite Rb5Cs10FAPbI3 ont montré un PCE supérieur à 20% et une stabilisation de plus de 92 % du PCE initial après exposition à une température de 85°C et humidité relative de 85% pendant 1000 heures [51]. Récemment, une étude récente a montré que l’ajout du chlore sous forme de FACl avec la solution de précurseurs améliore la couvrance de la couche Pérovskite (FAPbI3)0.87(MAPbBr3)0.13 et augmente la taille des grains jusqu’à 1 µm [127]. Un traitement de surface en utilisant 52 l’adamantane à base de Cl (ADAHC) a été testé pour la passivation de surface de la pérovskite et l’amélioration de l’interface Pérovskite / HTL. Les dispositifs traités au Cl montrent un PCE de 21,2%, une Voc de 1152 mV et une hystérésis négligeable. Leur perte de PCE après 700 h sous illumination continue est de 12 % seulement, comparé à une perte de 34 % pour les dispositifs non traités avec du Cl (Figure 31).

Dispositif photovoltaïque à base de Pérovskite

Architecture N-I-P

Les dispositifs photovoltaïques étudiés dans ce travail ont été réalisés avec l’architecture N-IP, dite directe. La structure des cellules est la suivante : Verre / Oxyde d’indium et d’étain (ITO) / Couche de transport d’électrons (couche N) / Couche active (la Pérovskite) / Couche de transport de trous (couche P) / Electrode métallique. L’architecture de la cellule est représentée à la Figure 32, ainsi qu’une photo des cellules de tests sur substrats de taille 17 x 25 mm. Figure 32. (a) L’architecture des cellules avec un empilement N-I-P. (b) Une photo d’un substrat avec deux cellules préparées au laboratoire 2.1.2 Réalisation des cellules : Matériaux et procédé de préparation Les matériaux utilisés pour la fabrication des couches minces, les préparations de solution et les méthodes de dépôt des différentes couches seront présentés dans cette partie. 2.1.2.1 Substrat Verre/ITO Les substrats de verre utilisés pour la fabrication des cellules solaires sont fournis par la société Visiontek (Royaume-Uni). Ces substrats de 25 mm x 17 mm sont recouverts entièrement d’ITO et affichent des résistances carrées de 7 Ω/sq. Leur épaisseur totale est de 1100 μm dont 250 nm d’ITO. Afin de retirer l’oxyde transparent conducteur, les substrats subissent une gravure au laser pour retirer l’ITO sur environ un tiers de la surface du substrat. Ensuite, ces substrats subissent des lavages successifs dans un bain à ultrasons dans l’ordre suivant : 2 x 5 min dans de l’acétone, 2 x 5 min dans de l’isopropanol et enfin 3 x 5 min dans de l’eau déionisée. Après 58 les lavages, les substrats sont séchés d’abord sous air comprimé puis séchés à l’étuve à 100°C et à humidité ambiante pendant 30 minutes minimum. La reprise des contacts est assurée par l’évaporation sous vide de deux métaux ; le chrome (10 nm) et l’or (40 nm) à l’aide d’un bâti Riber sous un vide inférieur à 10−5 mbar. Le format de ces contacts est délimité à l’aide d’un masque, comme le montre la Figure 33. Enfin, un traitement UV-ozone de 30 min est appliqué aux substrats afin d’améliorer la mouillabilité de la première couche déposée sur Verre/ITO. Figure 33. Schéma représentant un substrat verre / ITO gravé au laser et après déposition des contacts chrome-or par évaporation.

Couche N

Dans ce travail, différentes couches N ont été étudiées et sont regroupées dans le Tableau 2. Toutes les couches N sont obtenues par dépôt de solution filtrée de nanoparticules stockée en boite à gants en atmosphère inerte, par spin-coating en boite à gants à l’aide d’un spin-coater SCS P6700 (Putten, Pays-Bas). Tous les dépôts par spin-coating ont été réalisés avec ce même spin-coater. Pour les différentes couches N utilisées, les conditions de filtration, de dépôt et de recuit sont regroupées dans le tableau ci-dessous. Une description plus détaillée des couches N est faite en début du chapitre 6, cependant il faut noter que les caractéristiques données de ces différentes couches, sont celles sur lesquelles on peut communiquer pour des raisons de confidentialité. L’épaisseur des couches N est comprise entre 40 et 60 nm.