Nouveaux matériaux pour cellules
solaires pérovskites, propriétés
structurales et électroniques
LEMOH (Laboratoire d’Electronique Moléculaire, Organique et Hybride)
CEA Grenoble, INAC, UMR5819 SPrAM (CEA – CNRS – Université Grenoble-Alpes)
http://www.spram-solar.fr
Dmitry Aldakov, Renaud Demadrille, David Djurado, Jérôme Faure-Vincent, Peter Reiss
([email protected])
Contexte : photovoltaïque au LEMOH
02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 …
PV organique
collab.
nanofibres P3HT
η = 3,9% sur substrat
flexible
PV hybride (polymères conjugués & nanocristaux semi-conducteurs
PV hybride (DSSCs, QDSSCs)
Structure (tomogr. électronique)
Transport (ToF, photo-CELIV)
Tranfert de charge (LESR)
Σ ≈70 articles (www.spram-solar.fr)
PV pérovskite
1ère Journée Pérovskites hybrides – 3 mars 2015 – LEMOH
2
Contexte : DSSCs – nouveaux colorants organiques
I-V plot of RK1-1T5MC1R-240413-spot06 from 24.04.2013
8
Surface active 0.36cm²
I-V
7
Jsc = 19.503 mA/cm²
Voc = 0.713 V
FF = 0.719
η = 10 %
6
Current [mA]
Courant mA
5
4
3
2
RK1
1
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Voltage [V]
Tension (V)
Scientific Reports, 2014
Parmi les meilleurs colorants sans ruthénium
combinant efficacité et stabilité
Brevet CEA-INAC, commercialisé par ERAS Labo
Distribution par Solaronix
Fabrication de modules applicables dans le bâtiment => EPFL solar façade
1ère Journée Pérovskites hybrides – 3 mars 2015 – LEMOH
3
Contexte : cellules solaires à base de pérovskites
Chimie
de pérovskites
Méthode de dépôt
de pérovskites
Transporteur
de trous
Stabilité
matériaux sans Pb
Transporteur
d’électrons
Interface
pérovskites/électrode
Nouvelles
architectures
1ère Journée Pérovskites hybrides – 3 mars 2015 – LEMOH
4
Etudes en cours
1ère Journée Pérovskites hybrides – 3 mars 2015 – LEMOH
5
Fabrication de cellules “standard” (dépôt en 2 étapes)
ETL: TiO2 - mesoporous
Current density [mA cm-2]
20
Spiro-OMeTAD
CH3NH3PbI3 +
TiO2 -mp
TiO2 -BL
FTO
SEM cross-section
mask (0.075 cm²)
no mask (0.28 cm²)
10
0
dark
light
-10
-0,5
0,0
0,5
Voltage [V]
1,0
Device
Active Area
(cm2)
Voc (V)
Jsc (mA/
cm2)
FF
Eff (%)
TiO2-mp/
perovskite
0,28
0,93
16,79
0,52
8,30
TiO2-mp/
perovskite
0,075
0,87
19,11
0,64
10,80
no hysteresis observed
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6
Plate-forme Hybrid-EN : déposition sous atmosphère contrôlée
Fabrication et caractérisation de cellules solaires
New facility:
250m²
AAA solar simulator, integrated evaporator, ageing
chambers, IPCE (from 300 nm to 1.8 µm)
Mise en service fin 2014
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Nouveaux matériaux organiques transporteurs de trous
LUMO
CB
S*
Inconvénients du spiro-OMeTAD
-1.00
- Mauvaise stabilité thermique
-0.75
- Faible stabilité à l’air après dopage par des sels
de lithium
Potential vs. SCE (V)
-0.50
-0.25
- Mobilité des trous assez faible
0.00
Au
0.25
HOMO
0.50
0.75
µ= 10-4 cm2 V-1 s-1
TiO2
S
HTM
Perovskite
2.25
VB
Nos objectifs
Identifier de nouveaux transporteurs de trous, moléculaires ou polymères
-processables par voie liquide
-stable photochimiquement et thermiquement
-présentant des mobilités supérieures au Spiro-OMeTAD
1ère Journée Pérovskites hybrides – 3 mars 2015 – LEMOH
8
Nouveaux matériaux organiques transporteurs de trous
- Synthèse de molécules « Triangulenes » basées sur un cœur triarylamine
Mise en œuvre dans des conditions identique au Spiro-OMeTAD
Tests préliminaires ayant conduit à des performances de 2.9%
-Synthèse de copolymères alternés régioréguliers à base de quinoxaline
OFET mobilité en trous : µ(h)= 0,09 cm2 V-1 s-1
Coll. ICube (Strasbourg)
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Nanofils de ZnO : nouveaux conducteurs d’électrons
ZnO nanowires : •  High conduc4vity •  Easy fabrica4on and processing •  Possibility of surface func4onnalisa4on 385 nm
Device
Voc
(V)
Jsc (mA/
cm2)
FF
Eff (%)
ZnOnws/perovskite
0,62
16,3
0,36
3,69
Deposi4on of graphene sheets on ZnO nanowires Improvement of charge injection on the
interface perovskite/ZnO due to :
•  Excellent conductivity and transparency of
graphene
•  Possibility of its doping or functionalisation
•  ZnO surface passivation
•  Compatible energy levels of graphene and
ZnO nws
1ère Journée Pérovskites hybrides – 3 mars 2015 – LEMOH
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Graphène : optimisation de l’injection dans photo-électrode
Hummers oxidation
method
ZnO nw
Sonication
Sonication
nanosheets
C1s 1
55
1
XPS
C 1s
x 10
50
C-C
45
CPS
ZnOnw/GO
Reduction
in situ
C-OH
40
35
C(O)
O
30
25
CO
20
15
296
ZnOnw/rGO
1ère Journée Pérovskites hybrides – 3 mars 2015 – LEMOH
292
288
Bindi ng E nergy (eV)
284
ZnOnw/GO
11
280
Perspectives
1ère Journée Pérovskites hybrides – 3 mars 2015 – LEMOH
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Physique du transport
Matériau pérovskite
Mesures de conductivité en fonction de la température (3K à 450K)
-  Corrélation structure/transport
-  Influence des grains/joints de grains
-  Influence de la stœchiométrie
Matériau transporteur de trous
Mesures de mobilité en fonction de la température (100K à 500K)
Etude des mécanismes de recombinaison
(Temps de Vol ou photo-CELIV)
Cellules solaires
Mesures (Voc…) en fonction de la température (100K à 500K)
Time of Flight
photo-CELIV
1ère Journée Pérovskites hybrides – 3 mars 2015 – LEMOH
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Etudes structurales approfondies
Etude de la dynamique locale du cation organique par diffusion incohérente inélastique
et quasi-élastique des neutrons
Etude du cation hydrogéné, partiellement et totalement deutéré.
Densité d’états vibrationnels par diffusion incohérente inélastique des neutrons – IN1L-ILL
Pas de règles de sélection avec les neutrons – Deutération et liaisons hydrogène – Interactions
avec la matrice. Evolution des modes pertinents en fonction de la température
Dynamique du CH3 et NH3 et diffusion locale de l’ensemble de la molécule en fonction de la
température sondées par diffusion incohérente quasi-élastique des neutrons.
Accès à la géométrie du mouvement diffusif et des temps caractéristiques entre 10-9 et 10-13 s
Mesures sur spectro à rétrodiffusion IN16B et sur spectro temps de vol IN5.
Manips programmées en Mai 2015 à l’ILL.
1ère Journée Pérovskites hybrides – 3 mars 2015 – LEMOH
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Nouveaux matériaux, architectures
•  Cellules inversées
•  Cellules tandems pérovskite/Si
•  Matériaux absorbeurs sans plomb
•  Stabilité / dégradation (=> RPE : B. Pépin-Donat, C. Lombard)
•  Photovoltage de surface, études locales (=> nc-AFM, SKPM : B. Grévin)
Imaging the Carrier PhotoGeneration in Nanoscale Phase
Segregated Organic
Heterojunctions by
Kelvin Probe Force Microscopy
under UHV
Nano Letters 21, 2422, (2010)
Visualisation de la zone de formation des charges en KPFM
1ère Journée Pérovskites hybrides – 3 mars 2015 – LEMOH
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L’équipe « pérovskites »
Dmitry Aldakov
QDSSCs, PV pérovskite,
synthèse, XPS-UPS
David Djurado
Rayons X, neutrons,
grands instruments,
physique du transport
Renaud Demadrille
OPV, DSSCs, HTMs
conception/synthèse
Jérôme Faure-Vincent
Physique du transport;
plate-forme Hybrid-EN
mesures ToF, CELIV
Maria Mendez Malaga
post-doc 2014-16
Mathilde Bouchard
Thèse 2014-17
Peter Reiss
Responsable d’équipe
QDSSCs, PV pérovskite,
synthèse, TEM
http://www.spram-solar.fr
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