Interface Design for Halide Perovskite Solar Cells
Traitement et design des interfaces au sein des cellules solaires à base de pérovskites
Résumé
Perovskite (HaP) solar cells are one of the emerging technologies of the last decade thanks to their expedient optoelectrical properties, low-cost materials, and a large range of applications, reaching 25.8% of PCE in 2023 However, PSCs suffer significantly from their instability caused mainly by the interface mismatch as the device is a heterojunction solar cell coupled with ion migration and subject to extrinsic factors like humidity or temperature. The main focus of my thesis was the interface design of the halide perovskite solar cell in NIP configuration through interface passivation. The main objective of my PhD thesis follows my work during my internship, which was to improve the stability of PSCs by protecting the sensitive layers in the device against humidity, and to increase the performance by reducing charge recombination at the interfaces. I attacked this objective from several angles during my thesis, from device fabrication to their full characterization. In my first project, we worked with adamantane and its derivatives, 1-adamantanamine and 1-adamantanamine hydrochloride. These molecules are hydrophobic. We wanted to produce a protective layer against humidity and possible favorable passivation. We successfully deposit a protective layer at the interface HaP/HTL, preserving HaP for a short-term period with 1ADAHCl. We did not observe an improvement in performance with as TiO2 an ETL. My second project was pursued in collaboration with ITODYS to develop aminocarboxylic acids and amidinocarboxylics acids as SAMs to improve the interface ETL/HaP. In the end, the SAM 4'- amidino -[1,1'-biphenyl]-4-carboxylic acid hydroiodide presented the highest performances compared to the other molecules as its specific docking groups help to promote perovskite film deposition. I pursued my third project with an intern, that I supervised, with the introduction of bilayer passivation of PSCs using the organic molecular layers PMMA and PCBM. The PMMA-only solution is optimized at 5 mg/mL at the interface HaP/HTL, whereas PMMA:PCBM was used at the interface ETL/HaP. In the end, surprisingly, the PMMA:PCBM did not play a favorable role in our configuration as it acted as a blocking layer.
Les cellules solaires à pérovskite (HaPSC) sont l'une des technologies émergentes de la dernière décennie grâce à leurs propriétés optoélectriques opportunes, leurs matériaux à faible coût et une large gamme d'applications, atteignant 25,8% en 2023. Cependant, les PSC souffrent considérablement de leur instabilité dû a des facterus externes, comme l’humidité ou la température, et internes, comme les défauts d’interface conséquence du dispositif en hétérojuntion. L'objectif principal de ma thèse était d'améliorer la stabilité des PSC en protégeant les couches sensibles du dispositif contre l'humidité, et d'augmenter les performances en réduisant la recombinaison de charge aux interfaces. J'ai abordé cet objectif sous plusieurs angles au cours de ma thèse, de la fabrication des dispositifs à leur caractérisation complète. Dans mon premier projet, j’ai travaillé avec l'adamantane et ses dérivés, la 1-adamantanamine et l’1-adamantanamine hydrochlorydrate. Ces molécules étant hydrophobes, je voulais réaliser une couche protectrice contre humidité et éventuellement passivante, déposée à l’interface pérovskite (HaP)/HTL. Une préservation de la HaP est obtenu pendant une courte période avec 1ADAHCl. Nous n'avons pas observé d'amélioration des performances avec comme TiO2 un ETL. Mon deuxième projet était en collaboration avec ITODYSsur le développement d'acides aminocarboxyliques et d'acides amidinocarboxyliques comme couche de molécules auto-assemblées (SAM), afin d’améliorer l’interface ETL/HaP. Au final, sur 7 SAMs, l'iodhydrate d'acide 4'-amidino-[1,1'-biphényl]-4-carboxylique a présenté les performances les plus élevées grâce à ses groupes d'amarrage spécifiques favorisant le dépôt du film de pérovskite. J'ai poursuivi mon troisième projet avec mon stagiaire, avec l'introduction de la passivation en sandwich en utilisant du PMMA et PCBM. La solution PMMA est optimisée à 5 mg/mL à l'interface HaP/HTL, alors que PMMA:PCBM a été utilisé à l'interface ETL/HaP. Au final, nous constatons qu'étonnamment le PMMA:PCBM n'a pas joué un rôle favorable dans notre configuration car il agissait comme une couche bloquante à l’interface.
Origine : Version validée par le jury (STAR)