Dépôt numérique
RECHERCHER

Ambient-Processed Halide Perovskites for Photovoltaic and Optoelectronic Devices.

Téléchargements

Téléchargements par mois depuis la dernière année

Plus de statistiques...

Asuo, Ivy Mawusi (2021). Ambient-Processed Halide Perovskites for Photovoltaic and Optoelectronic Devices. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 182 p.

[thumbnail of Asuo, Ivy Mawusi.pdf]
Prévisualisation
PDF
Télécharger (10MB) | Prévisualisation

Résumé

Alors que la consommation mondiale d'énergie devrait augmenter de 50 % et que des stratégies pour une réduction des émissions de CO₂ proche de zéro vers 2050 sont élaborés, nous devons absolument explorer d'autres technologies et d’autres ressources renouvelables et durables pour relever le défi. L'avènement des matériaux pérovskite hybrides organiques-inorganiques à base d’halogénure a permis des avancées technologiques incroyables au cours des dernières années en raison des performances, de la flexibilité, de la légèreté et de la vaste gamme d'applications des dispositifs fabriqués à base de ces nouveaux matériaux. L'efficacité, la stabilité et le coût sont les trois qualités essentielles requises pour qu'une technologie soit commercialement viable. Les cellules solaires à base de pérovskite ont enregistré une augmentation fulgurante de leur efficacité dépassant les 25 % après seulement dix ans de recherche et développement. Cependant, elles sont susceptibles de se dégrader en présence d'humidité, de rayonnement ultraviolet et de variations de température. En raison de la nature hygroscopique des pérovskites hybrides, elles ont été principalement synthétisées et traitées dans des environnements inertes tels que les boîtes à gants, ce qui augmente les coûts de fabrication et empêche leur production à grande échelle. L'objectif de cette thèse était de développer une technologie basée sur une solution abordable pour fabriquer des couches minces de pérovskites d’halogénure de haute qualité et les intégrer dans des dispositifs photovoltaïques avec une bonne efficacité de conversion et une stabilité à long terme (approchant les standards internationaux), tout cela dans les conditions ambiantes. Comme la méthode de synthèse des couches minces a un impact significatif sur la morphologie de celles-ci, le contrôle de la technique de fabrication s'avère être une voie essentielle pour maximiser les performances des dispositifs photovoltaïques. Ainsi, bien que critique, cela n'est pas suffisant dans notre cas. Pour obtenir des dispositifs à base de pérovskites d’halogénure performants, la stœchiométrie, la morphologie, l'architecture du dispositif et la stabilité du matériau pérovskite doivent être optimisées, ce que nous avons également pu réaliser, et cela entièrement dans les conditions ambiantes. De plus, notre recherche souligne la contribution essentielle des anions mixtes et le rôle de l'humidité dans la fabrication des couches de pérovskite ainsi que leurs performances prometteuses lorsqu'elles sont intégrées à des cellules solaires. Dans la recherche présentée ici, une approche de synthèse pour produire des couches minces pérovskites d’halogénure stables et reproductibles dans des conditions ambiantes a été établie, en adaptant leurs propriétés microstructurales via des additifs de thiocyanate de plomb, d'eau et d'éthanol. Les effets synergiques des solvants et des additifs solides sur la morphologie des couches minces de pérovskite sont également étudiés. Divers outils de caractérisation sont utilisés pour étudier le mécanisme de dégradation à la fois des couches de pérovskite et des dispositifs dans lesquels elles sont intégrées, tous entièrement fabriqués et stockés dans des conditions ambiantes. L'optimisation de la couche de pérovskite cristallisée afin d'atteindre une efficacité et une très bonne stabilité des cellules solaires est étudiée en amont en utilisant un traitement solvant-antisolvant sur des précurseurs à cations multiples de pérovskite d’halogénure. Des cellules solaires ont été fabriquées, et la dynamique du transport des charges photogénérées, ainsi que la stabilité des dispositifs sont étudiées. Cette approche permet d'obtenir des cellules solaires reproductibles et hautement efficaces avec une très grande stabilité de plus de dix mois dans les conditions ambiantes (c.-à-d., 25-55% HR). De plus, des photodétecteurs basés sur des réseaux de nanofils de pérovskites d’halogénure ont été fabriqués. Une méthode facile et peu coûteuse de synthèse de tels réseaux de nanofils de pérovskites via un revêtement par enduction centrifuge sur des substrats rigides et des substrats flexibles préalablement structurés est présentée. Les propriétés microstructurales et électriques de ces nouveaux dispositifs optoélectroniques à base de nanofils de pérovskite d’halogénure organiques-inorganiques à base d’halogénure, y compris leur photo-réactivité, leur détectivité, leur temps de réponse et leur stabilité, sont étudiées et présentées.

Abstract

As the world energy consumption is expected to rise by 50% and plans for a drop in CO₂ emissions to net-zero around 2050 are made, we absolutely need to explore other renewable and sustainable energy resources and technologies to meet the challenge. The advent of halide perovskite materials has promoted incredible technological advances in the past years based on their device performance, flexibility, lightweight, and a vast range of device applications. Efficiency, stability, and cost are the three essential requirements for any technology to be commercially viable. Perovskite solar cells recorded a meteoric rise in efficiency to over 25% within only ten years of research and development. However, they are susceptible to degradation in the presence of moisture, ultraviolet light, and temperature. Due to the hygroscopic nature of the perovskite, they have been mostly processed in inert environments such as glove box which eventually increases fabrication costs and impedes their large-scale production. This thesis objective aimed to develop an affordable solution-based technology to fabricate high-quality perovskite thin-film with good efficiency and long-term stability under ambient conditions. Since the film fabrication method has a significant impact on the morphology of the film, its control proves to be an essential pathway in maximizing the performance of the devices. While critical, however, this is not sufficient. To obtain high-performing perovskite devices, the perovskite material stoichiometry, morphology, device architecture, and stability need to be optimized, which we were able to achieve entirely at the ambient conditions. We also highlighted the essential contribution of mixed-anions and moisture/humidity in the fabrication of perovskite films and their promising performance when integrated into solar cells. The research presented here establishes a synthesis route for stable and reproducible halide perovskites by tailoring their microstructural properties via lead thiocyanate and solvent additives. Synergistic effects of solvent and solid additives on the morphology of the perovskite thin-film are also investigated. Various characterization tools are used to study the degradation mechanism of both the perovskite thin films and the related devices in which they are integrated, all fabricated and stored entirely under ambient conditions (25-55%RH). The optimization of the crystallized perovskite layer to achieve superior solar cells efficiency and stability is further investigated using solvent-antisolvent treatment of mixed-cation halide perovskite precursor materials during their deposition process. Solar cells have been fabricated, and the charge dynamics and the stability of the devices are studied. This approach results in reproducible, highly efficient solar cells with incredible stability in the ambient environment (25- 55%RH) for more than ten months. Furthermore, we explored other device applications of the perovskite by fabricating nanowires network-based photodetectors. A facile and low-cost method of preparing perovskite nanowires network via spin-coating atop both rigid and flexible pre-patterned substrates is presented. The microstructural and electrical properties of these novel nanowires-based optoelectronic devices, including photo-responsivity, detectivity, response time, and stability, are investigated.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Pignolet, Alain
Co-directeurs de mémoire/thèse: Cloutier, Sylvain G.; Nechache, Riad
Mots-clés libres: cellules solaires pérovskite; photodétecteurs; stabilité; traitement ambiant; thiocyanate de plomb; pseudohalogénure; dégradation; nanofils; densité de piège; additifs; : perovskite solar cells; photodetectors; stability; ambient processing; lead thiocyanate; pseudohalide; degradation; nanowires; trap density; additives
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 04 mars 2022 16:50
Dernière modification: 04 mars 2022 16:50
URI: https://espace.inrs.ca/id/eprint/12468

Actions (Identification requise)

Modifier la notice Modifier la notice