Study of 2D/3D perovskites heterostructures for solar cells

Cette thèse est le fruit d'une collaboration entre le groupe de recherche dirigé par E. Deleporte au laboratoire LuMIn, qui étudie les propriétés optiques des pérovskites 2D, et le programme de l'IPVF spécialisé dans les cellules solaires tandem pérovskite-silicium.Les cellules solaires à base de pérovskite ont atteint en seulement une décennie des rendements similaire à la technologie silicium. Plusieurs problèmes doivent être résolus pour que les pérovskites puissent pénétrer le marché photovoltaïque. Parmi ces défis, la stabilité des dispositifs est cruciale. A cet égard, les pérovskites 2D, présentant une meilleure stabilité que leurs homologues 3D, se sont distinguées. Leur application la plus populaire consiste à les combiner aux pérovskites 3D pour former des hétérostructures de pérovskites 2D/3D via la synthèse d'une couche unique composée de phases pérovskites 2D et 3D mélangées, ou via la formation d'une fine couche de pérovskite 2D à la surface d'une pérovskite 3D.Le principal objectif de cette thèse était l'étude des hétérostructures 2D/3D afin de les intégrer dans un procédé de synthèse de cellules solaires à base de pérovskite développé à l'IPVF. Nous nous sommes concentrés sur la structure 2D/3D en traitement de surface, la plus prometteuse, et avons choisi l'iodure de phenylethylammonium fluoré (4-FPEAI) comme cation espaceur pour former la structure 2D/3D. Ce travail s'est attelé à caractériser l'effet de la structure 2D/3D sur l'efficacité et la stabilité des dispositifs de cellules solaires, ainsi que sur les propriétés du matériau pérovskite. Pour cela, différentes techniques ont été utilisées, telles que la photoluminescence, la diffraction des rayons X, la spectrométrie photoélectronique X, ou encore la microscopie électronique à balayage.Le but premier de cette étude était la compréhension de notre matériau 2D/3D. Nous avons établi qu'une couche de pérovskite 2D de seulement quelques nanomètres d'épaisseur était formée sur la pérovskite 3D par la réaction de notre cation espaceur avec l'excès d'iodure plomb présent dans la pérovskite 3D. La concentration de la solution du précurseur 4-FPEAI s'est révélée cruciale pour modifier l'épaisseur de la couche 2D formée, pouvant l'augmenter de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres. Le traitement au 4-FPEAI a considérablement amélioré la stabilité des dispositifs, tout en améliorant leur efficacité, et nous avons obtenu une efficacité prometteuse de 20,48 % sur des cellules de taille standard (0,09 cm²). Des dispositifs de 4 cm² ont également été réalisés, et ont atteint une excellente efficacité proche de 18%, confirmant la pertinence des hétérostructures 2D/3D dans les cellules solaires.En raison d'un décalage vers le bleu des propriétés optiques de la couche 2D du matériau 2D/3D, nous avons révélé la présence de brome dans la couche 2D. Le mécanisme de formation le plus commun ne pouvant pas expliquer la présence de brome dans la couche 2D, nous avons émis l'hypothèse que le 4-FPEAI réagit avec la pérovskite 3D et substitue ses cations du site A pour former une couche 2D contenant du brome. Nous avons ensuite révélé que ces deux mécanismes se produisent simultanément pour former la couche 2D. Nous ainsi apporté une compréhension plus approfondie des mécanismes de formation des hétérostructures 2D/3D.Enfin, nous avons utilisé ces connaissances pour étudier la formation d'une structure 2D/3D avec un autre cation espaceur, le n-octylammonium (OAI). Cette étude a révélé la formation d'une couche 2D constituée de phases légèrement différentes. Cependant, les cellules solaires utilisant cette structure 2D/3D ont montré des propriétés similaires à celles utilisant du 4-FPEAI, suggérant que le cation espaceur influe peu sur les effets apportés par la couche 2D. La présence de brome dans ces phases a également été montrée, cependant, une étude plus approfondie est nécessaire afin de confirmer les mécanismes impliqués pour ce cation espaceur.