Stratégies matérielles pour des cellules solaires à pérovskite plus stables et Hautement Efficaces

Les cellules solaires à pérovskite (PSCs), exploitant des matériaux organo-métalliques halogénés, représentent une avancée majeure en photovoltaïque grâce à leur efficacité record (>27%) et leur compatibilité avec des procédés de fabrication peu coûteux, mais leur commercialisation est entravée par la fragilité intrinsèque de leur structure cristalline, particulièrement sensible aux facteurs environnementaux comme l'humidité, la chaleur et les rayonnements UV. Face à ces problèmes d'instabilité, nous étudions différentes approches ascendantes (bottom-up) et nous efforçons de comprendre la chimie et la physique des matériaux derrière ces approches. En utilisant des modificateurs de surface et d'interface qui assurent également la passivation des défauts de la couche de pérovskite, nous visons à améliorer simultanément la stabilité et l'efficacité des dispositifs. Le contenu détaillé de cette thèse et ses résultats sont les suivants :Chapitre 1 : Ce chapitre présente une synthèse des PSCs, incluant leur développement, avantages, structure, principes de fonctionnement et évaluation des performances, ainsi que les facteurs influençant leur stabilité et les stratégies pour y remédier.Chapitre 2 : Ce chapitre détaille les protocoles expérimentaux : matériaux, fabrication des PSCs, ainsi que les outils de caractérisation et leurs paramètres instrumentaux.Chapitre 3 : Dans ce chapitre, nous démontrons une nouvelle approche basée sur l'application de points quantiques de carbone (CQDs) synthétisés par voie colloïdale ascendante pour améliorer la stabilité des PSCs contre les photons UV, sans sacrifier l'efficacité du dispositif. Des optimisations approfondies ont été réalisées en termes de quantités de CQDs et de leurs positions/interfaces dans les cellules solaires. Les CQDs déposés sur la face avant externe de la cellule solaire ont amélioré significativement la stabilité contre l'illumination UV, mais avec une réduction du courant de court-circuit (Jsc) et donc de la PCE en raison des pertes optiques. Les CQDs insérés à l'interface ETL/absorbeur ont amélioré les propriétés interfaciales, conduisant à une couche de pérovskite plus cristalline avec des tailles de grains plus grandes, ce qui a augmenté la PCE et réduit la recombinaison des charges. Cependant, l'amélioration de la stabilité contre les UV était modeste en raison de la quantité limitée de CQDs pouvant être insérée avant la détérioration de l'extraction des charges. Enfin, une application synergique des CQDs combinant les conditions optimisées des deux configurations a permis d'obtenir des PSCs à la fois efficaces et robustes. Notre étude offre de nouvelles perspectives sur l'utilisation maximale des CQDs pour améliorer l'efficacité et la stabilité des PSCs.Chapitre 4 : Nous révélons ici la nature tridimensionnelle des SAMs (Self-Assembled Monolayers) à base de silanol perfluoriné appliqués sur des films de pérovskite et leur impact sur les performances photovoltaïques et la stabilité des PSCs. Grâce à la spectrométrie de masse secondaire nanométrique tridimensionnelle (nanoSIMS), nous montrons que ces SAMs ne se limitent pas à la surface des pérovskites mais pénètrent également et s'ancrent sélectivement aux joints de grains déficients en iode, sur une profondeur d'environ 100 nm. Cette passivation double (surface et volume) modifie le paysage des défauts dans les films minces de pérovskite, réduisant la recombinaison non radiative, améliorant l'alignement des niveaux d'énergie, augmentant les performances photovoltaïques et renforçant la stabilité environnementale. Nos résultats repositionnent les SAMs comme des modificateurs chimiques volumétriques, ouvrant de nouvelles opportunités pour l'ingénierie moléculaire dans l'optoélectronique des pérovskites.Chapitre 5 : Nous concluons cette thèse par un résumé général et des perspectives pour le développement de PSCs à la fois hautement efficaces et plus stables.