Halide Perovskites

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Projets financés par l’ANR


Projet THESIS : Tandem à trois terminaux à HEtérojonction sur cellule solaire Silicium à contacts InterdigitéS en face arrière/Three terminal tandem HEterojunction on interdigitated back contacts SIlicon Solar cell
Type de projet : PRCE, CE05, Une énergie durable, propre, sûre et efficace

Coordination : Zakaria Djebbour (Email : zakaria.djebbour geeps.centralesupelec.fr), GeePs, Centrale Supélec
Partenaire 1 : Anne-Sophie Ozanne (Email : anne-sophie.ozanne cea.fr), INES, LITEN-CEA
Partenaire 2 : Erwann Fourmond (Email : erwann.fourmond insa-lyon.fr), INL, INSA-Lyon
Partenaire 3 : Jean Rousset (Email : jean.rousset edf.fr), EDF, EDF-Saclay

Date de commencement et durée : Novembre 2018, 42 mois

Résumé : Aujourd’hui, la technologie du silicium à une seule jonction domine le marché du photovoltaïque (PV), avec plus de 90% de part de marché. Cependant, le rendement de conversion de puissance des cellules solaires au silicium est maintenant proche de la limite théorique. En effet, le record a été poussé à 26,7%, ce qui est proche de la limite théorique de la simple jonction de silicium d’environ 29%, lorsque la recombinaison Auger, inévitable, est prise en compte. Pour augmenter le rendement des cellules solaires au-delà de 30% tout en conservant l’utilisation matériau de silicium qui est abondant, bon marché et stable, une solution consiste à coupler le silicium avec un autre semi-conducteur ayant une bande interdite plus importante dans une configuration en tandem. Actuellement, la technologie tandem basée sur le silicium suit deux voies : le tandem monolithique à deux bornes (2TT) où les sous-cellules supérieure et inférieure sont connectées électriquement et optiquement, et les tandem à quatre bornes (4TT) où les deux sous-cellules sont électriquement indépendantes . Cependant, l’architecture 2TT doit gérer l’adaptation photocourant et optimiser les mécanismes de transport des charges de jonction tunnel entre les sous-cellules supérieure et inférieure, tandis que le dispositif 4TT doit traiter les problèmes liés aux contacts enterrés, à l’ombrage et aux pertes induites par l’interconnexion adhésive. La proposition THESIS vise à développer une cellule solaire tandem originale à 3 bornes (3TT). L’approche est triple : - Proposer une nouvelle technologie de cellule solaire avec 3 terminaux. Cela nous permet de supprimer la contrainte d’adaptation du photo-courant pour les deux cellules constituant la cellule tandem. De plus, une cellule tandem à 3 bornes n’a pas besoin de jonction tunnel. - Faciliter l’accès aux différents contacts des cellules supérieure et inférieure sans nécessiter de gravure et sans avoir à aligner les grilles de contact enterrées, - Combiner les avantages de la technologie silicium fiable et maîtrisée avec ceux des technologies émergentes, permettant la création d’un empilement d’hétérojonctions avec le silicium. Cette nouvelle technologie de cellule tandem à trois terminaux que nous avons brevetée est rendue possible de manière innovante et simple en utilisant une cellule PV au silicium avec des contacts arrière interdigités en face arrière (Interdigitated Back Contacts : IBC) sur la face arrière comme sous-cellule inférieure et en déposant un semi-conducteur à large bande interdite à la face avant c-Si de la cellule IBC, avec une barrière sélective de discontinuités de bande (Band Offset Barrier : BOB) à l’interface afin de former un empilement à hétérojonction réalisant une sous-cellule hétérojonction supérieure. Cette barrière est choisie pour que l’hétérojonction permette une séparation du fonctionnement des deux cellules. Dans le projet THESIS, nous proposons de nous concentrer sur les perovskites émergentes en tant qu’absorbeur type p de la cellule supérieure. L’interface entre la pérovskite et le silicium sera activement étudiée dans le projet et nécessitera des investigations approfondies pour améliorer la qualité de l’interface et le fonctionnement du dispositif. Nous prévoyons d’utiliser également l’empilement p / i a-Si : H comme, formant une cellule à hétérojonction verticale (p) a-Si : H / (i) a-Si : H / (n) c-Si. Bien sûr, nous ne prévoyons pas les meilleures performances photovoltaïques avec cette sous-cellule en raison des propriétés de transport limitées de a-Si : H. Cependant, la croissance de la qualité du dispositif a-Si : H pour la sous-cellule supérieure et la technologie IBC c-Si sont déjà bien maîtrisées dans le consortium, ce qui nous permettra de fabriquer une preuve de concept pour cette architecture 3TT innovante. Ce sera une percée dans le monde PV, puisque l’architecture 3TT n’a jamais été démontrée jusqu’à présent.


Projet MORELESS : MORE stable and LESS lead containing Perovskite Solar Cells / Cellules solaires pérovskite plus stables et à teneur réduite en plomb
Type de projet : PRC, CE05, Une énergie durable, propre, sûre et efficace

Coordination : Nicolas Mercier (Email : nicolas.mercier univ-angers.fr), MOLTECH-Anjou UMR 6200 Université d’Angers
Partenaire 1 : Thierry Pauporté (Email : thierry.pauporte chimieparistech.psl.eu), Chimie ParisTech, IRCP CNRS
Partenaire 2 : Claudine Katan (Email : claudine.katan univ-rennes1.fr), ISCR Rennes UMR6226 CNRS
Partenaire 3 : Jens Dittmer (Email : jens.dittmer univ-lemans.fr), IMMM Le Mans Université UMR6283 CNRS

Date de commencement et durée : Janvier 2019, 42 mois

Résumé : Used as sensitizer materials in solar cell devices (PSCs), the 3D hybrid perovskites (HPs) of ABX3 type have recently revolutionized the field of photovoltaic, giving power conversion efficiencies over 22%. However, these 3D HPs have major disadvantages. The objective of the MORELESS project is to synthesize new hybrid perovskites, to address the issues of instability to moisture (MORE stable materials) and toxicity (LESS lead content) raised by MAPI and related perovskites in the context of advanced solar cell technologies. The project involves a consortium of four partners having complementary skills for the design, synthesis and characterization of new perovskites (X-ray diffraction, solid state NMR etc.), thin film engineering, preparation and characterization of PSCs as well as first-principle calculations. Chemistry is the key point of this project : MORELESS will rely on two strategies : d-MAPI materials, a new family of HPs that we discovered recently, and iodobismuthate hybrids.


Projet InHyMat-PV : Interfaces and Hybrid Materials for Photovoltaics
Type de projet : "MOPGA" (Make Our Planet Great Again) - ANR-17-MPGA-0012

Coordination : Philip SCHULZ (Email : philip.schulz cnrs.fr), IPVF, CNRS

Date de commencement et durée : Avril 2018, 60 mois

Résumé : Our future energy supply will be dependent on our ability to access renewable energy sources. The way we generate, manage and consume this supply has become one of the primary challenges for our modern-day society and defines key decision points for future generations. The French government has set ambitious goals for a transformational process that will change our energy infrastructure over the coming decades. Achieving the goals of a sustainable energy mix poses important questions throughout all layers of society from education and economy to the research community. In this framework, we identify research on photovoltaic power generation as crucial for maintaining such a reliable and sustainable energy supply. For photovoltaics to reach terawatt levels as is required for the massive decarbonization of the energy economy, research roadmaps have been drafted, comprising highly efficient, low-cost modules to be realized on an aggressive time scale. This goal can be reached by the implementation of novel materials that go beyond the physical limits of our current silicon-based technology.
The InHyMat-PV project, conducted through the Centre National de la Recherche (CNRS) at the Institut Photovoltaïque d’Île de France (IPVF), seeks to explore the fundamental properties of energy materials that can be manufactured inexpensively at high volume, and that are highly efficient and stable. Absorber materials based on the emerging class of hybrid organic metal halide perovskites (HaPs) are on a route to fulfill these needs. Yet, main performance loss mechanisms are linked to improperly designed interfaces in the device. Our research activities are centered on unravelling the effect of interface design on device functionality by a dedicated and integrated film processing and characterization approach. The Young Investigator Group titled “Interfaces and Hybrid Materials for Photovoltaics” aims at transitioning fundamental research to viable, applied high-impact technology with focus on HaPs for their disruptive success in the research field of solar cell applications.


Projet IPER-Nano2 : Inorganic PERovskite NANOcrustals for NANOpnotonics
Type de projet : PRC, CES30- Physique de la matière condensée et de la matière diluée.

Coordination : Maria Chamarro (Email : maria.chamarro insp.jussieu.fr), Institut de Nanosciences de Paris (INSP) UMR7588, Sorbonne Université
Partenaire 1 : Alberto Bramati (Email : alberto.bramati lkb.upmc.fr), Laboratoire Kastler Brossel (LKB) UMR8552, Sorbonne Université
Partenaire 2 : Carole Diederichs (Email : carole.diederichs lpa.ens.fr), Laboratoire Pierre Aigrain (LPA) UMR8551, Ecole Normale Supérieure Paris

Date de commencement et durée : Octobre 2018, 48 mois

Résumé : IPER-Nano2 has two main objectives : (i) to investigate the optical and electronic properties of new solid-state quantum emitters, the all-inorganic perovskite nanocrystals (p-NC). The substitution of halogen atom and the variation of the confinement (ie, the size) allow tuning the emission wavelength from the ultraviolet to near-infrared. The bright room temperature luminescence with reduced blinking and high efficiency up to 90% without surface shelling make these systems very promising for nanophotonics. (ii) to couple single p-NCs to original nanophotonics devices (tapered optical nanofibers, Bragg-grating nanofibers, or fibered microcavities) in order to enhance, redirect and engineer their emission. The long-term perspectives are : to obtain an efficient single photon source based on p-NCs integrated in innovate photonics structures which could ultimately operate at room temperature ; and to build the basis of future studies on the light-matter interaction in strong coupling regime.


Projet EMIPERO : Electrically pumped hybrid perovskites based light-emitting devices
Type de projet : PRC, CE24, Micro et nanotechnologies pour le traitement de l’information et la communication.

Coordination : Emmanuelle Deleporte (Email : Emmanuelle.Deleporte ens-paris-saclay.fr), Laboratoire Aimé Cotton (LAC) UMR 9188, Etablissement : ENS Paris-Saclay
Partenaire 1 : Christian Seassal (Email : christian.seassal ec-lyon.fr), Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL), UMR 5270, établissement : Ecole Centrale de Lyon
Partenaire 2 : Rémi Antony (Email : remi.antony unilim.fr), XLIM, UMR 7252, établissement : Université de Limoges

Date de commencement et durée : Octobre 2018, 42 mois

Résumé : The aim of the consortium is to realize electrically pumped hybrid perovskites based light-emitting devices, such as electroluminescent diodes (LED) and laser diodes (LD). The project proposes a complete study since the fundamental properties of the material in a view of its optimization for the laser effect until the performance characterizations of the devices in a transmission line. The framework of this project is related to applications such as the Visible Light Communication (VLC). The achievement of the devices relies on the skills of three complementary teams : a specialist of hybrid perovskites, a specialist of nanophotonics for light emission, and a third multidisciplinary entity, specialist of organic semiconductors and more recently hybrid perovskites based optoelectronic devices, specialist of VLC and of propagation modeling, specialist of thermal modelling.


Projet HYPERSOL : Interfaces management of HYbrid PERovskite based SOlar cell
Type de projet : PRC, CE05, Une énergie durable, propre, sûre et efficace

Coordination : Lionel Hirsch (Email : Lionel.hirsch ims-bordeaux.fr), Laboratoire IMS CNRS UMR 5218 , Etablissement : Université de Bordeaux, CNRS
Partenaire 1 : Dario Bassani (Email : dario.bassani u-bordeaux.fr), Laboratoire ISM CNRS UMR 5255, Etablissement : Université de Bordeaux, CNRS
Partenaire 2 : Emmanuelle Deleporte (Email : emmanuelle.deleporte ens-cachan.fr), Laboratoire LAC, Etablissement : ENS Cachan, Université Paris Saclay
Partenaire 3 : Raphaël Clerc (Email : raphael.clerc institutoptique.fr), Laboratoire LabHC, Etablissement : Univ. Jean Monnet & Institut d’Optique Graduate School

Date de commencement et durée : Novembre 2018, 48 mois

Résumé : Malgré l’effort de recherche remarquable sur les cellules solaires à base de pérovskites hybrides, nombre de phénomènes physiques demeurent encore inexpliqués, notamment au niveau des interfaces. Le projet HYPERSOL propose des solutions originales pour bloquer les quasi-niveaux de Fermi à Ec et Ev de façon à augmenter la tension de circuit ouvert pour atteindre la limite thermodynamique pour une jonction unique. Un contrôle du dopage et des interfaces par greffage de molécules auto-assemblées est proposé. Les propriétés optoélectroniques seront étudiées par des caractérisations avancées et permettront de mettre en place un modèle permettant de prévoir le comportement des cellules avant leur fabrication.


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.