Primary Defects in Halide Perovskites : Effect on Stability and Performance for Photovoltaic Applications

Défauts primaires dans les perovskites halogénées : effet sur la stabilité et le fonctionnement pour les applications photovoltaïques Ces onze dernières années ont vu apparaitre les pérovskites organiques inorganiques hybrides (HOIPs) comme un passionnant domaine de recherche pour leur application potentielle dans les technologies du photovoltaïque (PV) en raison de leurs exceptionnelles propriétés optoélectroniques et de leur facilité de mise en oeuvre. Cependant, les matériaux HOIPs ont plusieurs inconvénients dont leur manque de stabilité en conditions opérationnelles. Améliorer celle-ci est l'un des plus grands défis à relever avant commercialisation. La formule générale est (A1,A2,A3,A4)Pb(X1,X2)3, où les sites A occupés par une distribution de 1 à 4 cations métalliques/organiques et les sites X par celle d’anions halogénures. Les défauts lacunaires natifs sont considérés comme une cause possible de dégradation des cellules solaires HOIPs. L'objectif de ce travail est de comprendre le rôle des défauts dans la stabilité à long terme des matériaux PV HOIPs. A cette fin, des défauts primaires ont été introduits de manière contrôlée par irradiation avec des électrons de haute énergie (1MeV) dans des lots de couches et cellules solaires (SCs) à base de divers composés HOIPs. Il s'agit notamment du prototype PV HOIPs, MAPbI3 (A1PbX13), et de nouveaux composés mixtes d’halogénures à triple ou quadruple cations, (CsMAFA)Pb(I1-xBrx)3 (A3PbX23) ou (GACsMAFA)Pb(I1-yBry)3 (A4PbX23). Les couches sont fabriquées selon la même procédure que les couches actives SCs et, ensuite, traitées dans des conditions similaires. Pour A1PbX13/A3PbX23, la structure SC est de type p-i-n avec des couches organiques pour le transport des trous et des électrons (HTL/ETL). Les couches sont déposées sur le substrat verre/ITO/HTL (PEDOT:PSS) sans ou avec couche supérieure ETL (PCBM). Pour A4PbX23, la structure SC est de type n-i-p avec des couches ETL inorganiques (TiO2) et HTL organiques (Spiro-OMeTAD). Les couches sont directement déposées sur du verre.La spectroscopie d'annihilation de positons donne une évidence directe de l'existence de défauts lacunaires natifs et induits par irradiation dans chaque composé. Les spectres d’absorbance en fonction de l’énergie montrent que le vieillissement naturel et après irradiation génère différentes populations de défauts dans chaque composé. De plus, celles-ci pour A1PbX13 et A3PbX23 diffèrent selon l'absence ou la présence de la couche supérieure ETL. Les populations de défauts évoluent pendant au moins 3 mois. Le vieillissement modifie (i) la bande interdite, (ii) les queues de bande de conduction/valence et (iii) l'absorption optique via des niveaux électroniques profonds. Les effets d’illumination sous laser varient aussi en fonction du vieillissement. L’asymétrie des pics de photoluminescence (PL) dans chaque composé sous illumination laser continue reflète une superposition de raies d’émission gaussiennes à énergie, FWHM et hauteur évoluant avec le temps d'illumination. Les transitions d'émission impliquent des niveaux électroniques localisés peu profonds dans A3PbX23/A4PbX23 et résonnants dans A1PbX13. De tels effets durent au moins 3 mois dans A4PbX23. Ces niveaux électroniques sont attribués à des populations de défauts spécifiquement induits par illumination. Le vieillissement naturel et après irradiation donne des spectres PL à décroissance temporelle résolue en une ou deux exponentielles. Le nombre et la durée de vie sont fortement influencés par l’irradiation initiale et la composition. Une amélioration frappante du fonctionnement PV pour le type SC p-i-n est induite par le vieillissement dû à l'irradiation. Le rendement quantique externe et les performances PVs ont des valeurs plus élevées pour l’état irradié que de référence durant 6 à 12 mois de vieillissement. Cela prouve que l'ingénierie des défauts par irradiation d'électrons à haute énergie a le potentiel de fournir des voies de traitement innovantes pour améliorer la stabilité à long terme des performances photovoltaïques HOIPs.