Pourquoi les déclins déclinent ? Étude des dynamiques de transport et de recombinaison dans les cellules solaires par imagerie de photoluminescence résolue en temps : application aux pérovskites hybrides.

Abstract

Perovskites are a family of material that recently gathered interest for their potential application as an absorbing layer for photovoltaics. They are both easily deposited (thus industrialized) and show high performance for solar energy conversion – with a record power conversion efficiency of 25.7%. The radiative properties of perovskite are excellent but the nature and density of their defects are still debated – as are their transport properties. Inhomogeneities of transport, recombination or even composition could be expected even within one sample. The aim of this thesis is to characterize and image transport and recombination inhomogeneities of perovskites at the scale of the hundreds of microns. To do so, a technique of time resolved photoluminescence imaging technique is used. This thesis introduces and applies a series of new image-applicable-methods to analyze photoluminescence decays. These methods are discussed in the first part of this manuscript. In a second part, this thesis tackles the phenomenological study of decays. Even if the phenomenological approach is well suited for imaging analysis, it is shown that the interpretation does not always succeed in attributing inhomogeneities of decay time to local differences of defect densities. In a third part, this thesis discusses non radiative recombination imaging. A new method is introduced, based on the slope of decays as a function of laser excitation fluence. This technique allows for imaging non radiative recombination as well as the estimation of radiative recombination coefficient for a triple cation perovskite sample. In a forth part, the question of localizing defect in the material’s thickness is tackled. Two methods are proposed: one based on the initial slope of the decays observed as a function of laser wavelength, the other on the comparison between long and short time.Finally, the impact of the extracting layers on decays is studied. A method of layer by layer analysis is proposed but needs to be improved. The impact of mobile ion is also evidenced, as a possible perspective of this work.Les pérovskites forment une famille de matériaux qui ont récemment suscité un intérêt pour leur application en tant que couche absorbante de lumière pour le photovoltaïque. Ils sont à la fois très faciles à déposer (et à industrialiser) et très performants pour la conversion de la lumière solaire en électricité. Les propriétés radiatives des pérovskites sont excellentes mais la nature et la densité des défauts qu’elles contiennent sont encore sujets à débat, tout comme leurs propriétés de transport. Au sein d’un unique échantillon on peut s’attendre à observer des inhomogénéités de transport, de recombinaison voire de composition. Le but de cette thèse est de caractériser et d’imager les inhomogénéités de transport et de recombinaison des pérovskites à l’échelle de la centaine de microns. Pour ce faire, une technique d’imagerie de photoluminescence résolue en temps est utilisée. Cette thèse propose et applique une série de nouvelles méthodes pour l’analyse des déclins de photoluminescence applicables à l’imagerie. Ces méthodes sont présentées dans la première partie de ce manuscrit. Dans une seconde partie, cette thèse aborde l’étude phénoménologique des déclins. Bien qu’applicable facilement aux images, il est notamment montré que les approches phénoménologiques ne suffisent pas toujours à attribuer les inhomogénéités de temps de vie observées à des différences locales de recombinaisons non radiatives. Dans un troisième temps, cette thèse discute l’imagerie des recombinaisons non radiatives. Une méthode liée à la pente initiale des déclins de luminescence en fonction de la fluence du laser d’excitation est proposée. Elle aboutit à la mesure d’une cartographie de recombinaisons non radiative ainsi qu’à l’estimation du coefficient de recombinaisons radiatives. Dans un quatrième temps, la question de la localisation en profondeur des défauts est abordée. Pour y répondre, deux méthodes sont proposées : l’une basée sur la pente initiale des déclins en fonction de la longueur d’onde du laser d’excitation, et l’autre sur la comparaison entre temps courts et temps long. Enfin, l’impact des couches d’extraction sur l’imagerie de déclins de photoluminescence est abordé. Une méthode d’analyse des échantillons couche par couche conduit à de premiers résultats prometteurs mais ceux-ci restent à consolider. L’impact des ions mobiles est aussi mis en évidence comme ouverture des travaux présentés