Halide Perovskites

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Projets financés par l’ANR


Projet PROCES : Mécanismes de dégradation dans les dispositifs photovoltaïques à base de matériaux organiques, nanocristaux et hybrides
Type de projet : PRCI ANR/DFG, Défi 2 Energie

Coordination française : Zhuoying Chen (Email : zhuoying.chen espci.fr), Laboratoire de Physique et d’Etude des Matériaux (LPEM, CNRS-UMR 8213), ESPCI Paris
Coordination allemande : Yana Vaynzof (Email : vaynzof uni-heidelberg.de), Kirchhoff Institute for Physics, Heidelberg University

Date de commencement et durée : Septembre 2018, 36 mois

Résumé : Nous visons à (1) identifier les causes fondamentales de la dégradation dans les cellules solaires à base de matériaux organiques, de nanocristaux et de pérovskite hybrides ; (2) comprendre l’origine physique de la dégradation, et notamment la formation des produits de dégradation ; (3) corréler les changements dans les caractéristiques des cellules solaires aux mécanismes identifiés de détérioration ; et (4) élaborer des stratégies pour améliorer la stabilité des matériaux et des dispositifs. Ce projet ANR-DFG d’une durée de 3 ans sera réalisé en étroite collaboration entre deux équipes de recherche, respectivement l’Université de Heidelberg et le LPEM (Laboratoire de Physique et d’Etude des Matériaux, unité mixte CNRS / ESPCI-ParisTech / Sorbonne Université). Ce projet multidisciplinaire pourra s’appuyer sur l’expérience, la complémentarité et l’expertise de ces deux équipes.


Projet ESPOIR2 : Matériaux transporteurs de trous pour les cellules solaires à base de pérovskites : de l’ingénierie moléculaire à leur intégration au dispositif
Type de projet : ANR Jeunes Chercheurs, Défi 2 Energie

Coordination : Thanh-Tuân Bui (Email : tbui u-cergy.fr), Laboratoire de Physicochimie des Polymères et des Interfaces (LPPI, Cergy-Pontoise)

Date de commencement et durée : Janvier 2018, 48 mois

Résumé : Au cours des dix dernières années, la principale évolution dans le domaine photovoltaïque fut l’extraordinaire développement des performances des cellules solaires à base de pérovskite. Leur rendement de conversion est passé de 2% en 2006 à plus de 22% à la mi-2016 et elles sont en train de devenir une technologie émergente prometteuse. Dans ce contexte, le coût de production, la stabilité et la durabilité des dispositifs sont considérées comme les principaux paramètres à optimiser. En effet, les pérovskites sont très sensibles à la corrosion et à l’humidité, ce qui, à long terme ralentie leur développement commercial. Comme solution à ce problème, le projet ESPOIR2 propose le développement de nanographenes comme nouveaux matériaux de transport de trou, fonctionnant sans additif. ESPOIR2 couvre tous les aspects concernant le développement de matériaux : de la simulation théorique, l’ingénierie moléculaire, la synthèse, la caractérisation à l’intégration de nouveaux matériaux dans les cellules solaires hybrides.


Projet POPEYE : Pérovskite hybride en cristaux photoniques pour les dispositifs à polaritons
Type de projet : ANR Jeunes Chercheurs

Coordination : Hai Son Nguyen (Email : hai-son.nguyen ec-lyon.fr),INL (Institut des Nanotechnologies de Lyon, INL/CNRS)

Date de commencement et durée : Octobre 2017, 48 mois

Résumé : Les polaritons de cavité sont des quasi-particules issus du couplage fort entre excitons de puits quantiques et photons de microcavités. Grâce à leur nature hybride lumière/matière, les polaritons se propagent balistiquement comme des photons et entrent en interaction entre eux via leur composant excitonique. Ils promissent donc plusieurs avantages par rapport aux systèmes purement photoniques pour la photonique intégrée. Jusqu’à présent, tous les dispositifs à polaritons n’étaient démontrés qu’à température cryogénique. Le projet POPEYE vise à développer une nouvelle plateforme de dispositifs tout-optique à polaritons à température ambiante, en combinant les propriétés excitoniques remarquables des pérovskites hybrides avec les designs de cristaux photoniques originaux.


Projet PERSIL : Cellules solaires tandem Perovskite-Silicium nanocristallin
Type de projet : ANR, PRC, Défi Energie

Coordination : Bernard GEFFROY (Email : bernard.geffroy polytechnique.edu), IRAMIS/NIMBE Laboratoire d’Innovation en Chimie des Surfaces et Nanosciences (LICSEN)

Partenaires :

  • IRAMIS / NIMBE Laboratoire d’Innovation en Chimie des Surfaces et Nanosciences (LICSEN)
  • LPICM Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces
  • INAC/SPrAM Institut Nanoscience et Cryogénie

Date de commencement et durée : Octobre 2016, 42 mois

Résumé : Une augmentation significative de l’efficacité de conversion photovoltaïque peut être obtenue par la combinaison de différentes cellules solaires possédant des plages d’absorption complémentaires. Le défi est de produire ces cellules tandems à faible coût afin de maintenir un avantage compétitif par rapport aux cellules plus efficaces mais technologiquement plus onéreuses. Récemment une nouvelle classe de cellules solaires à base de matériaux pérovskites hybrides avec une efficacité dépassant les 21% en laboratoire est apparue. Ces matériaux pérovskites sont des candidats idéaux pour réaliser des cellules solaires tandems en combinaison avec le silicium car ils peuvent être fabriqués à bas coût et leur gap peut être avantageusement ajusté. Le projet PERSIL vise à fabriquer des cellules tandem silicium nanocristallin /pérovskite. Le silicium nanocristallin (nc-Si) est obtenu par PECVD basse température à plus faible coût que le silicium cristallin classique. Les principaux objectifs du projet PERSIL sont 1) la mise au point de cellules pérovskites compatibles avec leur incorporation dans des cellules tandems nc-Si, 2) l’étude de cellules tandems nc-Si/pérovskite avec comme objectif d’obtenir une efficacité d’environ 25%, 3) l’étude de la stabilité et de la faisabilité industrielle des cellules tandems.


Projet TRANSHYPERO : Vers une compréhension des propriétés de transport électronique des cellules solaires basées sur les pérovskites
Type de projet : ANR Jeunes Chercheurs, Défi 2 Energie

Coordination : Mikaël Kepenekian (Email : mikael.kepenekian univ-rennes1.fr), ISCR Institut des Sciences Chimiques de Rennes

Date de commencement et durée : Novembre 2015, 36 mois

Résumé : TRANSHYPERO vise à l’inspection théorique des propriétés diélectriques ainsi que de transport des électrons et trous dans les cellules solaires basées sur des pérovskites hybrides organique/inorganique (HOP).
Bien que les HOP soient connues depuis plusieurs décennies, ce n’est que récemment que leurs performances dans le photovoltaïque (PV) ont été découvertes. Ainsi, les rendements de conversion de l’énergie solaire en électricité sont passés de 3,8% en 2009 à plus de 20% en 2015. De plus, ces matériaux sont aisément produits (à basse température et en solution) et présentent donc de bas coûts de production qui permettraient d’amener l’énergie solaire à la parité tarifaire dans les 5 années, suivant le scénario le plus favorable de l’European photovoltaic industry association (EPIA). Néanmoins, un tel développement ne sera possible que si deux problèmes majeurs sont résolus. D’abord la durée de vie des HOP en fonctionnement est bien trop faible à comparer aux 35 années de durée de vie attendues. De plus, les cellules HOP actuelles les plus efficaces contiennent du plomb, et donc un risque non nul dans le cas de fuites. Afin de dépasser ces verrous technologiques, il est nécessaire d’avoir une meilleure compréhension des surprenantes performances de ces nouvelles cellules solaires. En effet, les HOP présentent non seulement une absorption large et efficace sur le spectre solaire mais aussi une mobilité de charges très importante.
Trois objectifs à atteindre sont définis ici. Le premier objectif vise à résoudre les structures et structures électroniques d’interfaces multiples de HOP avec des couches et/ou des contacts sélectifs. La sélection de matériaux adaptés profitera de notre collaboration en cours avec les expérimentateurs du Los Alamos National Laboratory (LANL), qui développent des cellules, ainsi que de l’expérience acquise sur les HOP à Rennes entre l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes et le laboratoire FOTON (INSA Rennes). Puis, les propriétés diélectriques des HOP et de structures incluant des HOP seront simulées. Enfin les propriétés de transport seront calculées pour les cellules complètes grâce à l’expérience du coordinateur dans la simulation du transport électronique. Nos collaborateurs du LANL apporteront également leur expertise complémentaire sur le traitement théorique des phénomènes hors-équilibre.
Ce projet ambitieux exige une implication importante du coordinateur recruté récemment, mais aussi l’expertise de C. Katan dans le domaine des HOP. De plus, afin de venir à bout de ce défi, des moyens humains sont indispensables (postdoctorant), ainsi que le support financier pour entretenir la collaboration avec le LANL. TRANSHYPERO nait de la conjonction de l’expertise rennaise établie dans la physique des HOP et de l’arrivée d’un jeune chimiste théoricien spécialiste des simulations de transport dans les semiconducteurs et répond donc aux ambitions du programme JCJC qui encourage l’émergence de projets indépendants portés par de jeunes chercheurs au sein de l’équipe à laquelle il appartient.
Les retombées attendues pour TRANSHYPERO profiteront bien entendu à la communauté du PV et des HOP. L’approche développée vise à être transposable à tout type de semiconducteurs et devrait également avoir des répercussions sur la chimie et la physique de l’état solide. De plus, c’est l’occasion de former les futurs chimistes théoriciens à des approches intégrant la réalité des dispositifs et donc de les préparer au mieux à répondre aux défis sociétaux.


Projet SuperSansPlomb : Cellule Solaire Utilisant des Pérovskites Hybrides Sans Plomb
Type de projet : ANR, PRC, Défi 2 Energie

Coordination : Dmitry Aldakov (Email : dmitry.aldakov cea.fr), Laboratoire « Synthèse, Structure et Propriétés de Matériaux Fonctionnels »INAC/SyMMES (CEA Grenoble)

Partenaires :

  • Laboratoire « Synthèse, Structure et Propriétés de Matériaux Fonctionnels »INAC/SyMMES (CEA Grenoble)
  • FOTON Laboratoire des Fonctions Optiques pour les Technologies de l’information (INSA Rennes)
  • XLIM, Limoges

Date de commencement et durée : Octobre 2015, 36 mois

Résumé : Les pérovskites hybrides organique/inorganique sont apparues récemment comme une nouvelle famille très prometteuse de matériaux pour le photovoltaïque (PV). Les cellules solaires pérovskites combinent une grande efficacité (>20%) avec une fabrication à très bas coût via des dépôts par voie liquide à basse température. Elles présentent un fort potentiel pour le PV intégré dans le bâtiment (par exemples dans les fenêtres, baies vitrées). Cependant pour que la découverte scientifique devienne une vraie technologie PV plusieurs verrous doivent être levés : a) la présence du plomb, incompatible avec les normes Européennes ; b) la compréhension limitée des processus physiques comme l’hystérésis, donnant lieu à une surestimation des efficacités ; c) la faible stabilité. SuperSansPlomb traite les points clés suivants : i) Conception et synthèse de nouveaux matériaux pérovskite sans plomb par une approche combinée simulation/expérience ; ii) intégration en cellule solaire et étude des processus fondamentaux de génération et de transfert de charges ; iii) développement de contacts et couches de blocage sélectifs donnant accès à des performances et stabilités optimisées.