FR3102887A1 - Couche N à taux de carbone contrôlé dans un dispositif photovoltaïque de type pérovskite - Google Patents
Couche N à taux de carbone contrôlé dans un dispositif photovoltaïque de type pérovskite Download PDFInfo
- Publication number
- FR3102887A1 FR3102887A1 FR1912397A FR1912397A FR3102887A1 FR 3102887 A1 FR3102887 A1 FR 3102887A1 FR 1912397 A FR1912397 A FR 1912397A FR 1912397 A FR1912397 A FR 1912397A FR 3102887 A1 FR3102887 A1 FR 3102887A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- type
- layer
- conductive layer
- nanoparticles
- equal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 58
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 54
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 45
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 33
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims abstract description 32
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 24
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 42
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 36
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims description 32
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 25
- 235000014692 zinc oxide Nutrition 0.000 claims description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 21
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 21
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 19
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 18
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 15
- 238000009281 ultraviolet germicidal irradiation Methods 0.000 claims description 15
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 14
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 10
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 claims description 8
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 claims description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 claims description 7
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 7
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 6
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 6
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 6
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000007833 carbon precursor Substances 0.000 claims description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 150000002892 organic cations Chemical class 0.000 claims description 5
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 5
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N Bromine atom Chemical compound [Br] WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N bromine Substances BrBr GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 claims description 4
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011630 iodine Substances 0.000 claims description 4
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 claims description 4
- SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);titanium(4+) Chemical class [O-2].[O-2].[Ti+4] SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims description 3
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 claims description 3
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 150000001457 metallic cations Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 2
- RNWHGQJWIACOKP-UHFFFAOYSA-N zinc;oxygen(2-) Chemical class [O-2].[Zn+2] RNWHGQJWIACOKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 8
- PNKUSGQVOMIXLU-UHFFFAOYSA-N Formamidine Chemical compound NC=N PNKUSGQVOMIXLU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 6
- 239000000976 ink Substances 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 229920001167 Poly(triaryl amine) Polymers 0.000 description 4
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 4
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 229920000301 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) polymer Polymers 0.000 description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XDXWNHPWWKGTKO-UHFFFAOYSA-N 207739-72-8 Chemical compound C1=CC(OC)=CC=C1N(C=1C=C2C3(C4=CC(=CC=C4C2=CC=1)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)C1=CC(=CC=C1C1=CC=C(C=C13)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)N(C=1C=CC(OC)=CC=1)C=1C=CC(OC)=CC=1)C1=CC=C(OC)C=C1 XDXWNHPWWKGTKO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical compound C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BAVYZALUXZFZLV-UHFFFAOYSA-O Methylammonium ion Chemical compound [NH3+]C BAVYZALUXZFZLV-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 2
- 125000005605 benzo group Chemical group 0.000 description 2
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 2
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 2
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 2
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 2
- 159000000002 lithium salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 2
- GNRRPWAPNLLDQN-UHFFFAOYSA-N 6-fluoro-4-[5-(5-hexylthiophen-2-yl)thiophen-2-yl]-2,1,3-benzothiadiazole Chemical compound S1C(CCCCCC)=CC=C1C1=CC=C(C=2C3=NSN=C3C=C(F)C=2)S1 GNRRPWAPNLLDQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000005964 Acibenzolar-S-methyl Substances 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LLQPHQFNMLZJMP-UHFFFAOYSA-N Fentrazamide Chemical compound N1=NN(C=2C(=CC=CC=2)Cl)C(=O)N1C(=O)N(CC)C1CCCCC1 LLQPHQFNMLZJMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 description 1
- MCEWYIDBDVPMES-UHFFFAOYSA-N [60]pcbm Chemical compound C123C(C4=C5C6=C7C8=C9C%10=C%11C%12=C%13C%14=C%15C%16=C%17C%18=C(C=%19C=%20C%18=C%18C%16=C%13C%13=C%11C9=C9C7=C(C=%20C9=C%13%18)C(C7=%19)=C96)C6=C%11C%17=C%15C%13=C%15C%14=C%12C%12=C%10C%10=C85)=C9C7=C6C2=C%11C%13=C2C%15=C%12C%10=C4C23C1(CCCC(=O)OC)C1=CC=CC=C1 MCEWYIDBDVPMES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 150000005215 alkyl ethers Chemical class 0.000 description 1
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 229910021398 atomic carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- WPYMKLBDIGXBTP-UHFFFAOYSA-N benzoic acid Chemical compound OC(=O)C1=CC=CC=C1 WPYMKLBDIGXBTP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000002915 carbonyl group Chemical group [*:2]C([*:1])=O 0.000 description 1
- 238000001246 colloidal dispersion Methods 0.000 description 1
- 229920000547 conjugated polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000001493 electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 1
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N ethylene glycol Natural products OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000007647 flexography Methods 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005525 hole transport Effects 0.000 description 1
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000003116 impacting effect Effects 0.000 description 1
- 229910003437 indium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N indium(iii) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[In+3].[In+3] PJXISJQVUVHSOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 150000002596 lactones Chemical class 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 1
- 239000002798 polar solvent Substances 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 239000011112 polyethylene naphthalate Substances 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 238000001314 profilometry Methods 0.000 description 1
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 description 1
- IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N rubidium atom Chemical compound [Rb] IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 238000007764 slot die coating Methods 0.000 description 1
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000009718 spray deposition Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
- ODHXBMXNKOYIBV-UHFFFAOYSA-N triphenylamine Chemical class C1=CC=CC=C1N(C=1C=CC=CC=1)C1=CC=CC=C1 ODHXBMXNKOYIBV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
- H10K85/50—Organic perovskites; Hybrid organic-inorganic perovskites [HOIP], e.g. CH3NH3PbI3
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/40—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising a p-i-n structure, e.g. having a perovskite absorber between p-type and n-type charge transport layers
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/10—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising heterojunctions between organic semiconductors and inorganic semiconductors
- H10K30/15—Sensitised wide-bandgap semiconductor devices, e.g. dye-sensitised TiO2
- H10K30/151—Sensitised wide-bandgap semiconductor devices, e.g. dye-sensitised TiO2 the wide bandgap semiconductor comprising titanium oxide, e.g. TiO2
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/10—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising heterojunctions between organic semiconductors and inorganic semiconductors
- H10K30/15—Sensitised wide-bandgap semiconductor devices, e.g. dye-sensitised TiO2
- H10K30/152—Sensitised wide-bandgap semiconductor devices, e.g. dye-sensitised TiO2 the wide bandgap semiconductor comprising zinc oxide, e.g. ZnO
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
- H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
- H10K30/50—Photovoltaic [PV] devices
- H10K30/57—Photovoltaic [PV] devices comprising multiple junctions, e.g. tandem PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/548—Amorphous silicon PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
- Y02E10/549—Organic PV cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Couche N à taux de carbone contrôlé dans un dispositif photovoltaïque de type pérovskite La présente invention se rapporte à un empilement multicouche utile pour former un dispositif photovoltaïque, ledit empilement comprenant au moins :- une couche conductrice de type N ;- une couche conductrice de type P ; et- une couche active de type pérovskite, intercalée entre lesdites couches conductrices de type N et de type P,dans lequel ladite couche conductrice de type N est à base de nanoparticules individualisées d’oxyde(s) métallique(s) de type N et présente un taux de carbone inférieur ou égal à 20 % atomique. Elle concerne également un procédé de préparation d’un tel empilement multicouche.
Description
La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs photovoltaïques, en particulier des cellules photovoltaïques de type pérovskite. Elle vise plus particulièrement à proposer la formulation d’une nouvelle couche conductrice de type N dans les empilements multicouches utiles pour former ces dispositifs photovoltaïques, permettant d’atteindre des performances améliorées en termes de rendement de conversion photovoltaïque.
Les dispositifs photovoltaïques, et en particulier les cellules photovoltaïques, comprennent un empilement multicouche comportant une couche photo-active, dite couche « active ». Cette couche active est au contact de part et d’autre avec une couche conductrice de type N et une couche conductrice de type P. Ce type d’ensemble multicouche, comprenant la superposition de la couche active et des deux couches de type P et de type N décrites ci-dessus est classiquement dénommé « NIP » ou « PIN » suivant l’ordre d’empilement des différentes couches sur le substrat. Dans les cellules photovoltaïques dites de type pérovskite, la couche active est constituée d’un matériau de type pérovskite halogénée, pouvant être hybride organique-inorganique ou purement inorganique.
Par exemple, une cellule photovoltaïque de type pérovskite de structure NIP comporte une structure multicouche comprenant typiquement, dans cet ordre d’empilement, un substrat transparent, une première électrode transparente également appelée électrode inférieure, une couche conductrice de type N, une couche active de type pérovskite, une couche conductrice de type P et une seconde électrode, également appelée électrode supérieure en métal par exemple en argent ou en or.
Dans ce type de cellule photovoltaïque pérovskite, la couche conductrice de type N est généralement constituée d’un oxyde semi-conducteur de type N, par exemple ZnO, AZO (oxyde de zinc dopé à l’aluminium), SnO2ou TiOx(x<2). Cette couche peut être sous forme dite mésoporeuse ou planaire. La couche conductrice de type P est quant à elle constituée, dans la majorité des cas, d’un matériau organique semi-conducteur qui peut être un polymère π-conjugué, à l’image par exemple du poly(3-hexylthiophène) ou P3HT, ou encore une petite molécule comme le Spiro-MeOTAD (2,2',7,7'-Tetrakis[N,N-di(4-methoxyphenyl)amino]-9,9'-spirobifluorene).
A l’heure actuelle, les meilleures performances photovoltaïques sont obtenues avec des dispositifs pour lesquels une couche conductrice dense à base d’oxyde(s) métallique(s) de type N est obtenue à l’issue d’un traitement thermique à haute température, typiquement à des températures strictement supérieures à 200 °C. De tels traitements thermiques à haute température, en particulier à une température supérieure à 400 °C, sont par exemple mis en œuvre pour la préparation de cellules photovoltaïques où la couche N est formée à partir d’un oxyde de titane sous forme mésoporeuse. C’est également le cas pour la réalisation de couches de type N par voie sol-gel, notamment à base d’oxyde d’étain (SnO2) généré à partir d’un précurseur SnCl2.
La mise en œuvre de ces traitements thermiques à haute température n’est malheureusement pas envisageable pour la réalisation de couches N en surface de structures ne résistant pas à ces températures élevées, par exemple pour des substrats plastiques tels que le polyéthylène téréphtalate (PET) mis en œuvre pour des dispositifs photovoltaïques souples, ou encore pour des cellules silicium à hétérojonction pour des dispositifs photovoltaïques de type « tandem ».
Pour pallier cet inconvénient, il a déjà été proposé des méthodes alternatives procédant à la préparation de la couche N à basse température, typiquement à des températures inférieures à 150 °C. Par exemple, une alternative pour préparer une couche conductrice de type N à basse température pour une cellule photovoltaïque en structure NIP, sans impacter sur le rendement photovoltaïque de la cellule, consiste à ajouter une couche de fullerène, par exemple en PCBM, entre l’oxyde métallique de type N et la couche active sus-jacente en pérovskite, afin de faciliter l’extraction des charges. Toutefois, une telle méthode est complexe à mettre en œuvre, notamment au regard du fait que l’épaisseur de la couche de fullerène déposée doit être extrêmement faible, typiquement de l’ordre de quelques nanomètres.
Il a également été proposé, pour préparer une couche conductrice de type N dans des conditions de basse température, de réaliser des dépôtsviades techniques sous vide, par exemple par un procédé de dépôt de couches minces atomiques ALD (pour « Atomic Layer Deposition » en terminologie anglo-saxonne) ou encore par évaporation sous faisceau d’électrons. Ces techniques demeurent néanmoins plus complexes à mettre en œuvre.
Par conséquent, il demeure un besoin de pouvoir disposer d’une méthode aisée de préparation d’une couche conductrice de type N, dans des conditions de basse température et permettant d’atteindre des rendements photovoltaïques élevés.
La présente invention vise précisément à proposer une nouvelle méthode de préparation, à basse température, d’une couche conductrice à base d’oxyde(s) conducteur(s) de type N dans un empilement multicouche utile pour des dispositifs photovoltaïques de type pérovskite, permettant d’atteindre d’excellentes performances, en termes notamment de rendement photovoltaïque.
De manière inattendue, les inventeurs ont constaté qu’il est possible de réaliser des dispositifs photovoltaïques, notamment des cellules photovoltaïques de type pérovskite, présentant d’excellentes performances, à partir d’un empilement multicouche intégrant une couche à base d’oxyde(s) métallique(s) de type N, préparée à basse température, sous réserve de contrôler la concentration atomique de carbone dans ladite couche N.
Plus précisément, la présente invention concerne, selon un premier de ses aspects, un empilement multicouche utile pour former un dispositif photovoltaïque, ledit empilement comportant au moins :
- une couche conductrice de type N, dite encore « couche de transport d’électrons » ;
- une couche conductrice de type P, dite encore « couche de transport de trous » ; et
- une couche active du point de vue photovoltaïque, dite « couche photo-active » ou « couche active », de type pérovskite, intercalée entre lesdites couches conductrices de type N et de type P,
dans lequel ladite couche conductrice de type N est à base de nanoparticules individualisées d’oxyde(s) métallique(s) de type N, et présente un taux de carbone inférieur ou égal à 20 % atomique.
- une couche conductrice de type N, dite encore « couche de transport d’électrons » ;
- une couche conductrice de type P, dite encore « couche de transport de trous » ; et
- une couche active du point de vue photovoltaïque, dite « couche photo-active » ou « couche active », de type pérovskite, intercalée entre lesdites couches conductrices de type N et de type P,
dans lequel ladite couche conductrice de type N est à base de nanoparticules individualisées d’oxyde(s) métallique(s) de type N, et présente un taux de carbone inférieur ou égal à 20 % atomique.
Comme détaillé dans la suite du texte, un empilement multicouche selon l’invention peut être de structure NIP ou PIN, de préférence de structure NIP. Un tel empilement multicouche de structure NIP selon l’invention peut comprendre plus particulièrement, dans cet ordre de superposition, au moins :
- un substrat, en particulier transparent, souple ou rigide, tel qu’un substrat en verre ou en matière plastique, par exemple en PET ;
- une première électrode, dite électrode inférieure, en particulier formée d’une couche transparente conductrice, notamment en oxyde(s) conducteur(s) transparent(s) ;
- une couche conductrice de type N telle que définie précédemment, dans le cas d’une structure NIP, ou une couche conductrice de type P dans le cas d’une structure PIN ;
- une couche active de type pérovskite ;
- une couche conductrice de type P dans le cas d’une structure NIP, ou une couche conductrice de type N telle que définie précédemment, dans le cas d’une structure PIN ; et
- une deuxième électrode, dite électrode supérieure.
- un substrat, en particulier transparent, souple ou rigide, tel qu’un substrat en verre ou en matière plastique, par exemple en PET ;
- une première électrode, dite électrode inférieure, en particulier formée d’une couche transparente conductrice, notamment en oxyde(s) conducteur(s) transparent(s) ;
- une couche conductrice de type N telle que définie précédemment, dans le cas d’une structure NIP, ou une couche conductrice de type P dans le cas d’une structure PIN ;
- une couche active de type pérovskite ;
- une couche conductrice de type P dans le cas d’une structure NIP, ou une couche conductrice de type N telle que définie précédemment, dans le cas d’une structure PIN ; et
- une deuxième électrode, dite électrode supérieure.
L’invention concerne encore un procédé de préparation d’un tel empilement multicouche, comprenant au moins une étape de formation de ladite couche conductrice de type N, à partir d’une dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) de type N dans un milieu solvant, à une température inférieure ou égale à 150°C, et dans des conditions opératoires ajustées pour obtenir le taux de carbone souhaité dans ladite couche N.
Comme illustré dans les exemples qui suivent, le contrôle du taux de carbone dans la couche de type N, formée dans des conditions de basse température, permet d’accéder à des dispositifs présentant d’excellentes performances photovoltaïques, en particulier en termes de rendement de conversion photovoltaïque.
Comme détaillé dans la suite du texte, selon une première alternative de réalisation, le taux de carbone dans la couche de type N formée selon l’invention peut être ajusté en mettant en œuvre une dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) présentant une teneur en composés précurseurs de carbone réduite, telle qu’elle permette de conduire au taux de carbone souhaité, inférieur ou égal à 20 % atomique, dans la couche N formée. De telles dispersions de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) sont par exemple des dispersions stabiliséesviale potentiel de surface des nanoparticules et présentant une teneur réduite en agents compatibilisants.
Selon une autre alternative de réalisation, le taux de carbone dans la couche de type N formée selon l’invention peut être ajusté en soumettant, après dépôt de ladite dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) et préalablement au dépôt de la couche sus-jacente, la couche de type N à un traitement d’élimination du carbone, en particulier par traitement par irradiation UV, par UV-ozone, à l’ozone et/ou par plasma, en particulier oxydant.
Par ailleurs, de manière avantageuse, les conditions de basse température, de préférence inférieure ou égale à 120°C, avantageusement inférieure ou égale à 100°C, en particulier inférieure ou égale à 80 °C et plus particulièrement inférieure ou égale à 50°C, autorisent la formation de la couche N dans des empilements de nature diverse, en particulier en surface de structures sensibles à des hautes températures, par exemple des structures intégrant des substrats plastiques tels que le PET.
En particulier, le procédé de préparation d’une couche N selon l’invention à basse température permet d’envisager sa formation en surface d’une couche active de type pérovskite dans le cas d’un empilement en structure PIN.
Comme détaillé dans la suite du texte, un empilement multicouche selon l’invention peut être destiné à des dispositifs photovoltaïques pérovskites, notamment des cellules photovoltaïques simple jonction, en structure dite de type « PIN » ou « NIP », ou encore des cellules photovoltaïques de type multijonction, en particulier de type tandem.
L’invention concerne ainsi, selon un autre de ses aspects, un dispositif photovoltaïque, en particulier une cellule photovoltaïque de type pérovskite, comportant un empilement multicouche tel que défini précédemment ou obtenu par un procédé tel que défini précédemment.
D’autres caractéristiques, variantes et avantages d’un empilement multicouche selon l’invention, et de sa préparation, ressortiront mieux à la lecture de la description, des exemples et figures qui vont suivre, donnés à titre illustratif et non limitatif de l’invention.
Il convient de noter que, pour des raisons de clarté, les différents éléments en figure 1 sont représentés en échelle libre, les dimensions réelles des différentes parties n’étant pas respectées.
Dans la suite du texte, les expressions « compris entre … et … » et « allant de … à … » et « variant de … à … » sont équivalentes et entendent signifier que les bornes sont incluses, sauf mention contraire.
Description détaillée
Empilement multicouche
Comme indiqué précédemment, l’invention concerne, selon un premier de ses aspects, un empilement multicouche, utile pour former un dispositif photovoltaïque, ledit empilement comportant au moins :
- une couche conductrice de type N ;
- une couche conductrice de type P ; et
- une couche active photovoltaïque, dite « couche active », de type pérovskite, intercalée entre lesdites couches conductrices de type N et de type P,
dans lequel ladite couche conductrice de type N est à base de nanoparticules individualisées d’oxyde(s) métallique(s) de type N, et présente un taux de carbone inférieur ou égal à 20 % atomique.
- une couche conductrice de type N ;
- une couche conductrice de type P ; et
- une couche active photovoltaïque, dite « couche active », de type pérovskite, intercalée entre lesdites couches conductrices de type N et de type P,
dans lequel ladite couche conductrice de type N est à base de nanoparticules individualisées d’oxyde(s) métallique(s) de type N, et présente un taux de carbone inférieur ou égal à 20 % atomique.
Couche conductrice de type N
Une couche conductrice de type N selon l’invention est plus simplement désignée dans la suite du texte sous l’appellation « couche N ».
Un matériau « de type N » désigne un matériau qui permet le transport des électrons (e-).
La couche N selon l’invention peut être plus particulièrement formée de nanoparticules individualisées d’oxyde(s) métallique(s) de type N.
Les nanoparticules d’oxydes métalliques de type N peuvent être notamment choisies parmi des nanoparticules d’oxyde de zinc ZnO, d’oxydes de titane TiOxavec x compris entre 1 et 2, d’oxyde d’étain (SnO2), d’oxydes de zinc dopés, par exemple d’oxyde de zinc dopé à l’aluminium (AZO), d’oxyde de zinc dopé à l’indium (IZO), d’oxyde de zinc dopé au gallium (GZO), d’oxydes de titane dopés, par exemple d’oxyde de titane dopé à l’azote, au phosphore, au fer, au tungstène ou au manganèse et leurs mélanges.
En particulier, la couche conductrice de type N selon l’invention peut être formée de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) choisies parmi des nanoparticules d’oxyde d’étain (SnO2), des nanoparticules d’oxyde de zinc dopé, en particulier d’oxyde de zinc dopé à l’aluminium (AZO) et leurs mélanges.
Les particules individualisées d’oxyde(s) métallique(s) de type N de la couche conductrice de type N dans un empilement multicouche selon l’invention peuvent présenter une taille particulaire moyenne comprise entre 2 à 100 nm, en particulier comprise entre 5 à 50 nm, notamment comprise entre 5 et 20 nm et plus particulièrement entre 8 et 15 nm.
La taille particulaire peut être évaluée par microscopie électronique à transmission.
Dans le cas de particules de forme sphérique ou globalement sphérique, la taille particulaire moyenne se rapporte au diamètre de la particule. Si les particules sont de forme irrégulière, la taille particulaire se rapporte au diamètre équivalent de la particule. Par diamètre équivalent, on entend le diamètre d’une particule sphérique qui présente la même propriété physique lors de la détermination de la taille de la particule que la particule de forme irrégulière mesurée.
Les nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) de type N peuvent être en particulier de forme sphérique. Par « particule sphérique », on entend désigner des particules ayant la forme ou sensiblement la forme d’une sphère.
En particulier, des particules sphériques ont un coefficient de sphéricité supérieur ou égal à 0,75, en particulier supérieur ou égal à 0,8, notamment supérieur ou égal à 0,9 et plus particulièrement supérieur ou égal à 0,95.
Le coefficient de sphéricité d’une particule est le rapport du plus petit diamètre de la particule au plus grand diamètre de celle-ci. Pour une sphère parfaite, ce rapport est égal à 1.
Par nanoparticules « individualisées », on entend signifier que les particules conservent leur état de particules individuelles au sein de la couche N de l’empilement multicouche selon l’invention, en particulier qu’elles ne sont pas fusionnées.
En particulier, moins de 10 % des nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) de type N dans ladite couche N sont fusionnées, de préférence moins de 5 %, voire moins de 1 %.
Ceci peut être clairement visualisé par exemple par observation de la couche N par microscopie électronique.
Une couche N à base de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) de type N individualisées se distingue en particulier de couches frittées, dans lesquelles les particules ont fusionné les unes aux autres. Une couche N selon l’invention est ainsi une couche non frittée.
La structuration de la couche de type N dans un empilement selon l’invention témoigne en particulier du fait que sa préparation, comme détaillé dans la suite du texte, ne fait intervenir aucune étape de traitement thermique à haute température, typiquement à une température strictement supérieure à 150 °C, en particulièrement supérieure à 200°C.
La présence de particules d’oxyde(s) métallique(s) de type N individualisées, autrement dit non fusionnées, au niveau de la couche de type N selon l’invention peut encore se manifester par une rugosité de surface de ladite couche de type N, mesurée avant formation de la couche sus-jacente, supérieure à celle obtenue par exemple pour une couche frittée.
En particulier, une couche N selon l’invention peut présenter une valeur moyenne de rugosité RMS supérieure ou égale à 3 nm, en particulier comprise entre 5 et 10 nm.
La rugosité de surface peut être mesurée par profilométrie mécanique.
Une couche conductrice de type N selon l’invention est par ailleurs caractérisée par un faible taux de carbone (concentration atomique en carbone), en particulier inférieur ou égal à 20 % atomique.
De préférence, une couche N selon l’invention présente un taux de carbone inférieur ou égal à 17 % atomique, de préférence inférieur ou égal à 15 % atomique, en particulier compris entre 0 et 15 % atomique.
Le taux en carbone d’une couche N selon l’invention peut être déterminé par spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS pour « X-Ray photoelectron spectrometry » en langue anglaise).
Une couche conductrice de type N selon l’invention peut présenter une épaisseur comprise entre 10 et 80 nm, en particulier entre 30 et 50 nm.
L’épaisseur peut être mesurée avec un profilomètre, par exemple de dénomination commerciale KLA Tencor ou encore avec un microscope à force atomique AFM, par exemple de dénomination commerciale VEECO/INNOVA.
Autres couches de l’empilement multicouche
Couche
active de type
pérovskite
Comme indiqué précédemment, un empilement multicouche selon l’invention comprend au moins une couche active photovoltaïque de type pérovskite.
Cette couche active est formée d’un matériau pérovskite, et plus particulièrement un matériau de formule générale ABX3, avec :
. A représentant un cation ou une combinaison de cations métalliques ou organiques ;
. B représentant un ou plusieurs éléments métalliques, tels que le plomb (Pb), l’étain (Sn), le bismuth (Bi) et l’antimoine (Sb) ; et
. X représentant un ou plusieurs anions, en particulier un ou plusieurs halogènes, et plus particulièrement choisis parmi le chlore, le brome, l’iode et leurs mélanges.
. A représentant un cation ou une combinaison de cations métalliques ou organiques ;
. B représentant un ou plusieurs éléments métalliques, tels que le plomb (Pb), l’étain (Sn), le bismuth (Bi) et l’antimoine (Sb) ; et
. X représentant un ou plusieurs anions, en particulier un ou plusieurs halogènes, et plus particulièrement choisis parmi le chlore, le brome, l’iode et leurs mélanges.
De tels matériaux pérovskites sont notamment décrits dans le document WO 2015/080990.
A titre d’exemple de matériaux pérovskites, on peut en particulier citer les pérovskites hybrides organiques-inorganiques. Ces matériaux pérovskites hybrides peuvent être plus particulièrement de formule ABX3précitée, dans laquelle A comprend un ou plusieurs cations organiques ou non.
Le cation organique peut être choisi parmi les cations organo-ammonium tels que :
- les cations alkyl-ammonium de formule générale R1R2R3R4N+, avec R1,R2,R3 et R4étant indépendamment l’un de l’autre un atome d’hydrogène ou un radical alkyle en C1-C5, comme par exemple un cation de type méthyl-ammonium (MA) et
- les cations formamidinium (FA) de formule [R1NCHNR1]+, avec R1pouvant représenter un atome d’hydrogène ou un radical alkyle en C1-C5.
- les cations alkyl-ammonium de formule générale R1R2R3R4N+, avec R1,R2,R3 et R4étant indépendamment l’un de l’autre un atome d’hydrogène ou un radical alkyle en C1-C5, comme par exemple un cation de type méthyl-ammonium (MA) et
- les cations formamidinium (FA) de formule [R1NCHNR1]+, avec R1pouvant représenter un atome d’hydrogène ou un radical alkyle en C1-C5.
Le ou les cations organiques du matériau pérovskite hybride peuvent être éventuellement associés à un ou plusieurs cations métalliques, par exemple du césium et/ou du rubidium.
A titre d’exemples de matériaux pérovskites hybrides, on peut plus particulièrement citer les pérovskites de formule ABX3, avec :
- A représentant un cation organo-ammonium par exemple de type méthylammonium (MA), un cation formamidinium (FA) ou un mélange de ces deux cations, éventuellement associé à du césium ;
- B étant choisi parmi le plomb, l’étain, le bismuth, l’antimoine et leurs mélanges ; et
- X étant choisi parmi le chlore, le brome, l’iode et leurs mélanges.
- A représentant un cation organo-ammonium par exemple de type méthylammonium (MA), un cation formamidinium (FA) ou un mélange de ces deux cations, éventuellement associé à du césium ;
- B étant choisi parmi le plomb, l’étain, le bismuth, l’antimoine et leurs mélanges ; et
- X étant choisi parmi le chlore, le brome, l’iode et leurs mélanges.
Le matériau pérovskite peut être en particulier CH3NH3PbI3, dit encore PK avec le plomb pouvant être remplacé par l’étain ou le germanium et l’iode pouvant être remplacé par le chlore ou le brome.
Le matériau pérovskite peut également être un composé de formule CsxFA1-xPb(I1-yBry)3avec x < 0,17 ; 0 < y < 1 et FA symbolisant le cation formamidinium.
Couche conductrice de type P
Un matériau « de type P » désigne un matériau permettant le transport des trous (h+).
Le matériau de type P peut être par exemple choisi parmi le Nafion, WO3, MoO3, V2O5et NiO, les polymères semi-conducteurs π-conjugués, éventuellement dopés, et leurs mélanges.
A titre illustratif des polymères semi-conducteurs π-conjugués, éventuellement dopés, peuvent notamment être cités le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT), de préférence le PEDOT :PSS ; le poly(3-hexylthiophène) ou P3HT, le poly[N-9’-heptadécanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4,7-di-2-thiényl-2’,1’,3’-benzothiadiazole ou PCDTBT, le poly[2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl[4,4-bis(2-éthylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b’]dithiophène-2,6-diyl]] ou PCPDTBT, le poly(benzo[1,2-b:4,5-b’]dithiophène–alt–thiéno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione) ou PBDTTPD, poly[[4,8-bis[(2-éthylhexyl)oxy] benzo [1,2-b:4,5-b’]dithiophène-2,6-diyl][3-fluoro-2-[(2-éthylhexyl) carbonyl]thiéno[3,4-b]thiophènediyl]] ou PTB7, le poly[bis(4-phényl)(2,4,6-triméthylphényl)amine] ou PTAA.
Un matériau de type P préféré est un mélange de PEDOT et de PSS, ou encore le PTAA, éventuellement dopé avec un sel de lithium.
Le matériau de type P peut encore être choisi parmi les molécules semi-conductrices de type P telles que :
- la porphyrine ;
- les : 7,7’-(4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-silolo[3,2-b:4,5-b 2]dithiophene-2,6-diyl)bis(6-fluoro-4-(5’-hexyl-[2,2’-bithiophen]-5-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole) : p-DTS(FBTTh2)2 ;
- les bore-dipyrométhènes (BODIPY) ;
- les molécules à noyau triphénylamine (TPA).
- la porphyrine ;
- les : 7,7’-(4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-silolo[3,2-b:4,5-b 2]dithiophene-2,6-diyl)bis(6-fluoro-4-(5’-hexyl-[2,2’-bithiophen]-5-yl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole) : p-DTS(FBTTh2)2 ;
- les bore-dipyrométhènes (BODIPY) ;
- les molécules à noyau triphénylamine (TPA).
Comme indiqué précédemment, un empilement multicouche selon l’invention peut être destiné à un dispositif photovoltaïque, notamment une cellule photovoltaïque pérovskite, en structure de type PIN ou NIP, ou encore de type tandem.
La structure « NIP » ou « PIN » traduit l’ordre de superposition des différentes couches dans l’empilement multicouche.
De préférence, l’empilement multicouche selon l’invention est en structure dite NIP. Un tel empilement comprend, dans cet ordre de superposition :
- une couche conductrice de type N telle que définie ci-dessus,
- une couche active de type pérovskite, et
- une couche conductrice de type P.
- une couche conductrice de type N telle que définie ci-dessus,
- une couche active de type pérovskite, et
- une couche conductrice de type P.
Alternativement, dans les cas d’une structure dite PIN, un empilement multicouche selon l’invention comprend, dans cet ordre de superposition, les couches suivantes :
- une couche conductrice de type P,
- une couche active de type pérovskite, et
- une couche conductrice de type N telle que définie ci-dessus.
- une couche conductrice de type P,
- une couche active de type pérovskite, et
- une couche conductrice de type N telle que définie ci-dessus.
Un empilement selon l’invention, en particulier destiné à une cellule photovoltaïque, de type pérovskite, en structure NIP ou PIN, peut comporter plus particulièrement, comme représenté en figure 1, dans cet ordre de superposition au moins :
- un substrat 11, en particulier transparent, souple ou rigide, tel qu’un substrat en verre ou en matière plastique, notamment en PET ;
- une première électrode, dite électrode inférieure 12 ;
- une couche conductrice de type N 13 dans le cas d’une structure NIP ou de type P 15 dans le cas d’une structure PIN ;
- une couche active de type pérovskite 14 ;
- une couche conductrice de type P 15 dans le cas d’une structure NIP ou de type N 13 dans le cas d’une structure PIN ; et
- une deuxième électrode, dite électrode supérieure 16 ;
lesdites couches de type N, de type P, et ladite couche active de type pérovskite étant en particulier telles que décrites précédemment.
- un substrat 11, en particulier transparent, souple ou rigide, tel qu’un substrat en verre ou en matière plastique, notamment en PET ;
- une première électrode, dite électrode inférieure 12 ;
- une couche conductrice de type N 13 dans le cas d’une structure NIP ou de type P 15 dans le cas d’une structure PIN ;
- une couche active de type pérovskite 14 ;
- une couche conductrice de type P 15 dans le cas d’une structure NIP ou de type N 13 dans le cas d’une structure PIN ; et
- une deuxième électrode, dite électrode supérieure 16 ;
lesdites couches de type N, de type P, et ladite couche active de type pérovskite étant en particulier telles que décrites précédemment.
De préférence, un empilement multicouche selon l’invention est destiné à un dispositif photovoltaïque, en particulier une cellule photovoltaïque, de type pérovskite en structure NIP.
Une telle structure multicouche est représentée de façon schématique en figure 1.
Un empilement multicouche en structure NIP selon l’invention 21 comporte plus particulièrement, dans cet ordre de superposition, au moins :
- un substrat 11, en particulier transparent ;
- une électrode inférieure 12 ;
- une couche conductrice de type N selon l’invention telle que définie précédemment 13 ;
- une couche active de type pérovskite 14 ;
- une couche conductrice de type P 15 ; et
- une électrode supérieure 16.
- un substrat 11, en particulier transparent ;
- une électrode inférieure 12 ;
- une couche conductrice de type N selon l’invention telle que définie précédemment 13 ;
- une couche active de type pérovskite 14 ;
- une couche conductrice de type P 15 ; et
- une électrode supérieure 16.
Selon encore une autre variante de réalisation, un empilement multicouche selon l’invention peut être destiné à une cellule photovoltaïque de type multijonction, et en particulier de type « tandem » ou à double jonction, dont l’une au moins des couches actives est en matériau pérovskite.
De telles cellules de type tandem comportent deux ensembles multicouches empilés l’un sur l’autre, et dont les couches actives respectives présentent généralement des spectres d’absorption de la lumière différents. Dans ces cellules de type tandem, les photons non absorbés par la première couche active peuvent l’être par la seconde. La quantité de photons récupérée par l’ensemble des couches actives de la cellule est ainsi augmentée et le rendement électrique de cette dernière, amélioré.
Un dispositif photovoltaïque de type tandem selon l’invention peut comporter un empilement selon l’invention, en structure NIP ou PIN, de préférence en structure NIP, tel que décrit précédemment.
Il peut s’agir par exemple d’une cellule tandem silicium pérovskite.
Le substrat 11 mis en œuvre dans un empilement multicouche selon l’invention tel que décrit précédemment, par exemple, pour une cellule photovoltaïque de type pérovskite, fait référence à une structure de base solide, sur une des faces de laquelle est formée l’électrode inférieure. Il peut se présenter sous la forme d’une plaque. Il peut être souple (flexible) ou rigide.
Il peut être de diverses natures, par exemple en verre ou en matière plastique, en particulier en polyester, de préférence en polyéthylène téréphtalate (PET), polyéthylène naphtalate (PEN) ou en polycarbonates.
Il peut notamment s’agir d’une plaque en verre.
L’électrode inférieure 12, au contact du support, peut être formée d’une couche transparente conductrice, par exemple en oxyde(s) conducteur(s) transparent(s) (TCO) tels que l’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), l’oxyde de zinc dopé à l’aluminium (AZO), l’oxyde de zinc dopé au gallium (GZO), l’oxyde de zinc dopé à l’indium (IZO) et leurs mélanges, ou encore être formée d’un ensemble multicouche, par exemple AZO/Ag/AZO.
Elle peut également être formée par un réseau de nanofils, notamment en argent.
L’électrode supérieure 16 peut être par exemple formée par une couche en or, en argent, ou par un réseau de nanofils, de préférence en argent. Elle peut également être en aluminium ou en oxyde conducteur transparent.
PROCEDE DE PREPARATION D’UN EMPILEMENT SELON L’INVENTION
Comme indiqué précédemment, le procédé de préparation d’un empilement selon l’invention comprend au moins une étape de formation d’une couche conductrice de type N selon l’invention, à basse température, en particulier à une température inférieure ou égale à 150°C, de préférence inférieure ou égale à 100°C et plus préférentiellement inférieure ou égale à 80°C, à partir d’une dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) de type N dans un milieu solvant et dans des conditions opératoires ajustées pour obtenir le taux de carbone réduit souhaité dans la couche N formée.
Ladite couche conductrice de type N peut être avantageusement formée dans des conditions de température inférieure ou égale à 120°C, en particulier inférieure ou égale à 100°C, notamment inférieure ou égale à 80°C, de préférence inférieure ou égale à 50°C, et plus particulièrement à température ambiante
Il est entendu que, selon la structure NIP ou PIN de l’empilement multicouche selon l’invention, la couche de type N selon l’invention est formée en surface de l’électrode inférieure ou, alternativement, en surface d’une couche active de type pérovskite, telles que décrites précédemment.
Dans le cas de la formation d’une couche de type N selon l’invention dans un empilement multicouche de structure de type NIP selon l’invention, le procédé selon l’invention peut comprendre plus particulièrement au moins les étapes consistant à :
(a) disposer d’une première électrode 12, dite électrode inférieure, supportée par un substrat 11 ;
(b) former, en surface de ladite électrode inférieure 12, une couche 13 conductrice de type N selon l’invention, à une température inférieure ou égale à 150°C, de préférence inférieure ou égale à 100°C et plus préférentiellement inférieure ou égale à 80°C, à partir d’une dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) de type N dans un milieu solvant, dans des conditions opératoires ajustées pour obtenir un taux de carbone dans la couche N inférieur ou égal à 20 % atomique ; et
(c) former successivement, à la surface de ladite couche 13 conductrice de type N formée à l’issue de l’étape (b), dans cet ordre de superposition : une couche active 14 de type pérovskite, une couche conductrice 15 de type P et une deuxième électrode 16, dite électrode supérieure, en particulier telles que définies précédemment.
(a) disposer d’une première électrode 12, dite électrode inférieure, supportée par un substrat 11 ;
(b) former, en surface de ladite électrode inférieure 12, une couche 13 conductrice de type N selon l’invention, à une température inférieure ou égale à 150°C, de préférence inférieure ou égale à 100°C et plus préférentiellement inférieure ou égale à 80°C, à partir d’une dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) de type N dans un milieu solvant, dans des conditions opératoires ajustées pour obtenir un taux de carbone dans la couche N inférieur ou égal à 20 % atomique ; et
(c) former successivement, à la surface de ladite couche 13 conductrice de type N formée à l’issue de l’étape (b), dans cet ordre de superposition : une couche active 14 de type pérovskite, une couche conductrice 15 de type P et une deuxième électrode 16, dite électrode supérieure, en particulier telles que définies précédemment.
Plus particulièrement, la formation de ladite couche de type N par voie solvant selon l’invention met en œuvre le dépôt de ladite dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s), suivi de l’élimination du ou desdits solvants.
Le dépôt de la dispersion peut être réalisé au moyen de toute technique connue de l’homme du métier, par exemple choisie parmi le dépôt à la tournette ou enduction centrifuge (« spin-coating » en langue anglaise), le dépôt au racloir, le couchage à lame (« blade-coating » en langue anglaise), le dépôt par spray ultrasonique, l’enduction par filière à fente (« slot-die » en langue anglaise), l’impression jet d’encre, l’héliogravure, la flexographie et la sérigraphie.
De préférence, le dépôt est réalisé par spin-coating.
Le milieu solvant de ladite dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) peut comprendre un ou plusieurs solvants choisis parmi des solvants polaires, tels que de l’eau et/ou des alcools, ou encore de type éthers (par exemple les éthers d’alkyles et les éthers de glycol) ou esters (acétate, benzoate ou lactones par exemple). Il peut être par exemple constitué d’eau et/ou d’un alcool, tel que le butanol.
Bien entendu, la nature du ou des solvants est choisie au regard de la nature de la couche sous-jacente à la surface de laquelle est formée ladite couche conductrice de type N.
Il est entendu que l’élimination du ou desdits solvants est opérée dans des conditions de température inférieure ou égale à 150 °C, en particulier inférieure ou égale à 120 °C, de préférence inférieure ou égale à 100°C et plus préférentiellement inférieure ou égale à 80°C. Le séchage de la couche N peut être par exemple opéré à température ambiante. Par « température ambiante », on entend une température de 20°C± 5 °C.
Selon une première variante de réalisation, le taux de carbone dans la couche conductrice de type N est ajusté en contrôlant la teneur en composés précurseurs de carbone de la dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) mise en œuvre.
Autrement dit, la couche de type N selon l’invention peut être formée par dépôt d’une dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) présentant une teneur en composés précurseurs de carbone telle que la couche N résultante présente le taux de carbone résiduel souhaité, inférieur à 20 % atomique.
Les dispersions de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) présentant une teneur réduite en composés précurseurs de carbone sont notamment des dispersions présentant une faible teneur en agents compatibilisants. De telles dispersions comprennent plus particulièrement moins de 5 % massique, en particulier moins de 1 % massique, en agent(s) compatibilisant(s), par rapport à la masse totale de la dispersion.
De telles dispersions sont notamment des dispersions de nanoparticules stabiliséesviale potentiel de surface (potentiel zêta) des particules, plus précisément par la mise en œuvre de contre-ions.
De telles dispersions colloïdales de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) peuvent être par exemple disponibles dans le commerce.
Selon une autre variante de réalisation, le taux de carbone dans la couche N formée peut être ajusté, après dépôt de la dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) et préalablement au dépôt de la couche sus-jacente dans l’empilement multicouche, par exemple préalablement au dépôt de la couche active pérovskite dans le cas d’un empilement multicouche en structure NIP, en soumettant la couche de type N à un traitement d’élimination du carbone.
Il est entendu que le traitement d’élimination du carbone est opéré dans des conditions de basse température, en particulier à une température inférieure ou égale à 150°C, notamment inférieure ou égale à 120°C, en particulier inférieure ou égale à 100°C, de préférence inférieure ou égale à 80 °C, et plus particulièrement inférieure ou égale à 50°C. Avantageusement, le traitement d’élimination du carbone est opéré à température ambiante.
Un tel traitement d’élimination du carbone peut plus particulièrement être un traitement par irradiation UV, par UV-ozone, à l’ozone et/ou par plasma, en particulier oxydant.
Dans le cadre de la mise en œuvre d’un tel traitement d’élimination du carbone, il est possible d’obtenir ladite couche conductrice de type N, présentant le taux de carbone souhaité inférieur à 20 % atomique, à partir de toute dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s), quelle que soit la teneur en carbone de ladite dispersion.
Bien entendu, dans un mode de réalisation particulier d’un empilement multicouche selon l’invention, il est possible de combiner les deux variantes précitées pour atteindre le taux de carbone souhaité dans la couche conductrice de type N formée.
L’homme du métier est à même d’ajuster les conditions opératoires de mise en œuvre du traitement d’élimination du carbone, en particulier la durée d’exposition de la surface libre de ladite couche N aux UV, UV-ozone, à l’ozone ou à un plasma, notamment oxydant, pour atteindre le taux de carbone réduit souhaité selon l’invention.
Le traitement sous rayonnement UV peut plus particulièrement consister à irradier la surface libre de ladite couche N formée par une lumière UV de deux longueurs d’onde, par exemple de 185 et 256 nm.
Toute source de lumière UV permettant d’irradier la surface de ladite couche N peut être utilisée pour une telle irradiation. A titre d’exemple, on peut citer une lampe à vapeur de mercure.
Le traitement de ladite couche par irradiation UV peut être opéré pendant une durée allant de 5 à 60 minutes, notamment de 10 à 30 minutes.
Comme indiqué précédemment, il est opéré dans des conditions de basse température. De préférence, l’irradiation UV est réalisée à une température inférieure ou égale à 150°C, notamment inférieure ou égale à 100°C, de préférence inférieure ou égale à 80°C, et plus particulièrement inférieure ou égale à 50°C. Plus particulièrement, l’irradiation UV est réalisée à température ambiante.
Le traitement par irradiation UV peut être effectué sous vide ou sous gaz.
Le traitement par irradiation UV peut notamment être opéré sous atmosphère ambiante, le rayonnement UV transformant alors l’oxygène de l’air en ozone ; on parle dans ce cas de traitement UV-ozone.
Le traitement par irradiation UV peut encore être opéré sous gaz inerte tel que de l’azote.
Selon un autre mode de réalisation particulier, le traitement d’élimination du carbone peut être un traitement par ozone (en l’absence d’irradiation UV).
Un tel traitement par ozone peut être par exemple opéré en mettant en contact la surface libre de la couche N avec une atmosphère contenant de l’ozone généré par irradiation UV, l’échantillon étant placé derrière un filtre le protégeant dudit rayonnement.
Selon encore une autre variante de réalisation, l’élimination du carbone peut être réalisé par traitement plasma, notamment avec un plasma oxydant.
Le plasma oxydant est par exemple un plasma comprenant de l’oxygène ou un plasma d’un mélange d’oxygène et d’argon. De préférence, le traitement est opéré avec un plasma d’oxygène. L’homme du métier est à même de mettre en œuvre l’équipement nécessaire pour générer un tel plasma.
Les autres couches de l’empilement multicouche selon l’invention peuvent être réalisées par des techniques connues de l’homme du métier. Avantageusement, elles sont réalisées par voie humide, par des techniques de dépôt classiques, c’est-à-dire par des techniques mettant en œuvre le dépôt d’une encre à l’état liquide.
En particulier, le dépôt d’une solution au cours du procédé de fabrication, en particulier pour former une couche conductrice de type P et une couche active de type pérovskite, peut être réalisé au moyen d’une technique telle que décrite précédemment pour la préparation d’une couche conductrice de type N.
Notamment, toutes les couches formées au cours des étapes du procédé peuvent être effectuées à l’aide d’une unique technique choisie parmi celles décrites ci-dessus.
Le dispositif photovoltaïque peut comporter en outre des moyens de connexion électrique, notamment des reprises de contact, qui permettent de relier les électrodes pour alimenter en courant un circuit électrique.
L’invention va maintenant être décrite au moyen des exemples suivants, donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif de l’invention.
Dans les exemples qui suivent, différentes couches N sont testées dans un empilement d’une cellule photovoltaïque de type pérovskite, en structure « NIP », comme représenté schématiquement en figure 1.
- Le support 11 est un substrat en verre d’une épaisseur de 1,1 mm recouverte d’une couche d’oxyde conducteur d’ITO formant l’électrode inférieure 12.
- Deux types de matériaux pérovskites sont testés : de type CH3NH3PbI3(encore noté MAPbI3) ou de type pérovskite « double cation » CsxFA1- xPb(IyBr1-y)3, FA symbolisant le cation formamidinium.
- La couche 13 de type N est formée comme décrit ci-dessous.
- La couche 15 de type P est composée de PTAA dopé avec un sel de lithium, d’épaisseur 80 nm.
- L’électrode supérieure 16 est une couche d’or, d’épaisseur 100 nm.
- Deux types de matériaux pérovskites sont testés : de type CH3NH3PbI3(encore noté MAPbI3) ou de type pérovskite « double cation » CsxFA1- xPb(IyBr1-y)3, FA symbolisant le cation formamidinium.
- La couche 13 de type N est formée comme décrit ci-dessous.
- La couche 15 de type P est composée de PTAA dopé avec un sel de lithium, d’épaisseur 80 nm.
- L’électrode supérieure 16 est une couche d’or, d’épaisseur 100 nm.
Evaluation des performances
La surface active des dispositifs est de 0,28 cm² et leurs performances ont été mesurées à 25°C dans des conditions standards d’éclairement (1000 W/m², AM 1,5G).
Les performances photovoltaïques des cellules sont plus particulièrement mesurées en enregistrant les caractéristiques courant-tension des dispositifs sur un appareil Keithley®SMU 2600 sous éclairement AM 1,5G à une puissance de 1000 W.m-2.
La cellule testée est éclairée au travers de la face Verre/ITO à l’aide d’un simulateur Oriel.
Une cellule silicium mono-cristallin calibrée au Fraunhofer ISE (Fribourg, Allemagne) est utilisée comme référence pour s’assurer que la puissance lumineuse délivrée par le simulateur est bien égale à 1000 W.m-2.
Les paramètres caractéristiques du fonctionnement des dispositifs (Tension de circuit ouvert Voc, densité de courant de court-circuit Jsc, facteur de forme FF et rendement de conversion PCE) sont déterminés à partir des courbes courant-tension.
Exemple 1
Formation de la couche
conductrice de type
N à partir d’une encre contenant
une teneur
contrôlée
en carbone
Différentes couches N d’oxyde d’étain (SnO2) sont testées dans un empilement tel que décrit précédemment.
Les couches N, d’une épaisseur d’environ 50 nm, sont formées par spin-coating, opéré à température ambiante, à partir de solutions commerciales distinctes (appelées « encres ») de nanoparticules de SnO2 :
- deux dispersions de particules de SnO2dans l’eau (Disp 1 et Disp 2), stabiliséesviala charge de surface des particules, et qui diffèrent l’une de l’autre par la nature des contre-ions ; et
- une dispersion (notée Disp 3) de particules de SnO2dans un mélange de butanols.
- deux dispersions de particules de SnO2dans l’eau (Disp 1 et Disp 2), stabiliséesviala charge de surface des particules, et qui diffèrent l’une de l’autre par la nature des contre-ions ; et
- une dispersion (notée Disp 3) de particules de SnO2dans un mélange de butanols.
Pour ces trois dispersions, la taille des particules de SnO2est de l’ordre de 10-15 nm.
Les dispersions 1 et 2 contiennent une teneur réduite en compatibilisants, source de carbone, comparativement à la dispersion 3.
Les dispersions 1 et 2 conduisent, après application par spin-coating, à des couches de nanoparticules de SnO2contenant environ 15 % atomique de carbone, tandis que la dispersion 3 conduit à une couche de SnO2contenant environ 40 % atomique de carbone.
Le taux en carbone (concentration atomique) est déterminé par spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS pour « X-Ray photoelectron spectrometry » en langue anglaise).
Aucun traitement post-dépôt des couches N ainsi formées n’est réalisé.
Résultats
Le taux de carbone pour chacune des couches N formées, ainsi que les performances des différentes cellules photovoltaïques formées avec un empilement multicouche intégrant chacune de ces couches N, sont présentés dans le tableau 1 ci-après.
| Encre | Taux de carbone (% atomique) |
PCE (%)
PK MAPbI 3 |
PCE (%)
PK Double cation |
| Disp. 1 | ~ 15 | 12,2 | 17,4 |
| Disp. 2 | ~ 15 | - | 18,0 |
| Disp. 3 | ~ 40 | 9,3 | 12,0 |
Exemple 2
Formation de la couche
conductrice de type
N
avec contrôle du
taux de carbone
par traitement post-dépôt d’élimination du carbone
Différentes couches N d’oxyde de zinc dopé à l’aluminium (AZO) et d’oxyde d’étain (SnO2) sont testées dans un empilement tel que décrit précédemment, comprenant une couche pérovskite de type MAPbI3.
Les couches N, d’une épaisseur d’environ 50 nm, sont formées à température ambiante, par spin-coating à partir de solutions commerciales distinctes de nanoparticules d’AZO ou de SnO2, le cas échéant suivi d’un traitement d’élimination du carbone, par irradiation UV, par UV-ozone ou à l’ozone, comme détaillé ci-dessous.
La dispersion 4 (Disp 4) est une dispersion de particules de ZnO dopé Al ou AZO, de taille moyenne 12 nm, dans du 2-propanol.
Le traitement par irradiation UV de la couche N, après dépôt de la dispersion par spin-coating, est opéré pendant 30 minutes, à une longueur d’onde de 185 nm et 256 nm, sous atmosphère inerte et température ambiante.
Le traitement par UV-ozone est opéré par exposition à un rayonnement UV générant de l’ozone de la surface de la couche N, après dépôt de la dispersion par spin-coating, sous atmosphère et température ambiantes, pendant 30 minutes dans un équipement de la marque JetLight.
Le traitement à l’ozone est opéré dans le même équipement JetLight et dans les mêmes conditions, excepté le fait que l’échantillon est placé derrière un filtre évitant l’exposition au rayonnement UV mais convenant à l’exposition à l’ozone généré pendant 30 minutes.
Les différents traitements (irradiation UV, UV-ozone, ozone) permettent de réduire le taux de carbone de la couche déposée. A titre d’exemple, la figure 2 représente l’évolution du taux de carbone dans une couche N à base de nanoparticules d’AZO en fonction de la durée du traitement UV-ozone.
Résultats
Le taux de carbone pour chacune des couches N ainsi formées, après le traitement d’élimination du carbone, ainsi que les performances des différentes cellules photovoltaïques formées à partir des empilements multicouches intégrant chacune de ces couches conductrices de type N, sont présentés dans le tableau 2 ci-après.
| Encre | Traitement (durée) | Taux de carbone (% atomique) |
PCE (%)
PK MAPbI 3 |
| AZO Disp. 4 | - | 29 | < 2.0 |
| AZO Disp. 4 | UV-O3 (30 min) |
8 | 11 |
| SnO2Disp. 3 | - | 39 | 9,3 |
| SnO2Disp. 3 | UV-O3 (30 min) |
12,5 | 12,5 |
| SnO2Disp. 3 | UV (30 min) |
12,5 | 12,9 |
| SnO2Disp. 3 | O3 (30 min) |
12,5 | 12,6 |
Claims (13)
- Empilement multicouche utile pour former un dispositif photovoltaïque, ledit empilement comprenant au moins :
- une couche conductrice de type N (13) ;
- une couche conductrice de type P (15) ; et
- une couche active du point de vue photovoltaïque (14), dite couche active, de type pérovskite, intercalée entre lesdites couches conductrices de type N et de type P,
dans lequel ladite couche conductrice de type N est à base de nanoparticules individualisées d’oxyde(s) métallique(s) de type N et présente un taux de carbone inférieur ou égal à 20 % atomique. - Empilement multicouche selon la revendication précédente, dans lequel lesdites nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) de type N sont choisies parmi des nanoparticules d’oxyde de zinc ZnO, d’oxydes de titane TiOxavec x compris entre 1 et 2, d’oxyde d’étain SnO2, d’oxydes de zinc dopés, par exemple d’oxyde de zinc dopé à l’aluminium AZO, d’oxyde de zinc dopé à l’indium IZO, d’oxyde de zinc dopé au gallium GZO, d’oxydes de titane dopés, par exemple d’oxyde de titane dopé à l’azote, au phosphore, au fer, au tungstène ou au manganèse ; et leurs mélanges ; en particulier parmi des nanoparticules d’oxyde d’étain SnO2, des nanoparticules d’oxyde de zinc dopé, en particulier d’oxyde de zinc dopé à l’aluminium AZO et leurs mélanges.
- Empilement multicouche selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) présentent une taille particulaire moyenne comprise entre 2 et 100 nm, en particulier comprise entre 5 et 50 nm, notamment comprise entre 5 et 20 nm et plus particulièrement entre 8 et 15 nm.
- Empilement multicouche selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite couche conductrice de type N présente un taux de carbone inférieur ou égal à 17 % atomique, de préférence inférieur ou égal à 15 % atomique, en particulier compris entre 0 et 15 % atomique.
- Empilement multicouche selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite couche active de type pérovskite est formée d’un matériau pérovskite de formule ABX3, avec :
. A représentant un cation ou une combinaison de cations métalliques ou organiques ;
. B représentant un ou plusieurs éléments métalliques, tels que le plomb, l’étain, le bismuth et l’antimoine ; et
. X représentant un ou plusieurs anions, en particulier un ou plusieurs halogènes, et plus particulièrement choisis parmi le chlore, le brome, l’iode et leurs mélanges. - Empilement multicouche selon l’une quelconque des revendications précédentes, ledit empilement étant de structure NIP ou PIN, en particulier comportant, dans cet ordre de superposition, au moins :
- un substrat (11), en particulier transparent, souple ou rigide, tel qu’un substrat en verre ou en matière plastique, notamment en polyéthylène téréphtalate ;
- une première électrode (12), dite électrode inférieure, en particulier formée d’une couche transparente conductrice, notamment en oxyde(s) conducteur(s) transparent(s) ;
- ladite couche conductrice de type N (13) dans le cas d’une structure NIP ou de type P (15) dans le cas d’une structure PIN ;
- ladite couche active de type pérovskite (14) ;
- ladite couche conductrice de type P (15) dans le cas d’une structure NIP ou de type N (13) dans le cas d’une structure PIN ; et
- une deuxième électrode (16), dite électrode supérieure. - Procédé de préparation d’un empilement multicouche tel que défini selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant au moins une étape de formation de ladite couche conductrice de type N à partir d’une dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) de type N dans un milieu solvant, à une température inférieure ou égale à 150°C, et dans des conditions opératoires ajustées pour obtenir le taux de carbone souhaité dans ladite couche N.
- Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ladite couche conductrice de type N est formée à une température inférieure ou égale à 120°C, en particulier inférieure ou égale à 100°C, notamment inférieure ou égale à 80°C, de préférence inférieure ou égale à 50°C, et plus particulièrement à température ambiante.
- Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le taux de carbone dans ladite couche conductrice de type N est contrôlé en ajustant la teneur en composés précurseurs de carbone de la dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) mise en œuvre, en particulier en mettant en œuvre une dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) stabiliséesviale potentiel de surface des nanoparticules.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel le taux de carbone dans ladite couche conductrice de type N est contrôlé, en soumettant, après dépôt de ladite dispersion de nanoparticules d’oxyde(s) métallique(s) et préalablement au dépôt de la couche sus-jacente, la couche de type N à un traitement d’élimination du carbone, en particulier par irradiation UV, par UV-ozone, à l’ozone et/ou par plasma, en particulier oxydant ; de préférence par un traitement par irradiation UV, par UV-ozone et/ou à l’ozone.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 10, pour la préparation d’un empilement multicouche de structure NIP, ledit procédé comprenant au moins les étapes consistant à :
(a) disposer d’une première électrode (12), dite électrode inférieure, supportée par un substrat (11) ;
(b) former en surface de ladite électrode inférieure (12), ladite couche conductrice de type N (13) ; et
(c) former, successivement, à la surface de ladite couche (13) conductrice de type N formée en étape (b), dans cet ordre de superposition : une couche active (14) de type pérovskite, une couche (15) conductrice de type P et une deuxième électrode (16) dite électrode supérieure. - Dispositif photovoltaïque comportant au moins un empilement multicouche tel que défini selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 ou obtenu par un procédé tel que défini selon l’une quelconque des revendications 7 à 11.
- Dispositif photovoltaïque selon la revendication précédente, ledit dispositif étant une cellule photovoltaïque pérovskite en structure NIP ou PIN, de préférence en structure NIP, ou une cellule photovoltaïque de type multijonction, en particulier de type tandem.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1912397A FR3102887B1 (fr) | 2019-11-05 | 2019-11-05 | Couche N à taux de carbone contrôlé dans un dispositif photovoltaïque de type pérovskite |
| EP20800137.0A EP4055637A1 (fr) | 2019-11-05 | 2020-11-03 | Couche n a taux de carbone controle dans un dispositif photovoltaïque de type perovskite |
| PCT/EP2020/080788 WO2021089528A1 (fr) | 2019-11-05 | 2020-11-03 | Couche n a taux de carbone controle dans un dispositif photovoltaïque de type perovskite |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1912397A FR3102887B1 (fr) | 2019-11-05 | 2019-11-05 | Couche N à taux de carbone contrôlé dans un dispositif photovoltaïque de type pérovskite |
| FR1912397 | 2019-11-05 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3102887A1 true FR3102887A1 (fr) | 2021-05-07 |
| FR3102887B1 FR3102887B1 (fr) | 2022-06-24 |
Family
ID=69375594
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1912397A Active FR3102887B1 (fr) | 2019-11-05 | 2019-11-05 | Couche N à taux de carbone contrôlé dans un dispositif photovoltaïque de type pérovskite |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4055637A1 (fr) |
| FR (1) | FR3102887B1 (fr) |
| WO (1) | WO2021089528A1 (fr) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015080990A1 (fr) | 2013-11-26 | 2015-06-04 | Hunt Energy Enterprises, L.L.C. | Pérovskite et autres matériaux de cellule solaire |
| US20170288159A1 (en) * | 2016-04-01 | 2017-10-05 | Korea Institute Of Science And Technology | Electron transport layer for flexible perovskite solar cell and flexible perovskite solar cell including the same |
-
2019
- 2019-11-05 FR FR1912397A patent/FR3102887B1/fr active Active
-
2020
- 2020-11-03 EP EP20800137.0A patent/EP4055637A1/fr active Pending
- 2020-11-03 WO PCT/EP2020/080788 patent/WO2021089528A1/fr unknown
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015080990A1 (fr) | 2013-11-26 | 2015-06-04 | Hunt Energy Enterprises, L.L.C. | Pérovskite et autres matériaux de cellule solaire |
| US20170288159A1 (en) * | 2016-04-01 | 2017-10-05 | Korea Institute Of Science And Technology | Electron transport layer for flexible perovskite solar cell and flexible perovskite solar cell including the same |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 57: "SUPPORTING INFORMATION", 63.93 13.25 ~20 981.33 21.78 67, 27 November 2017 (2017-11-27), pages 1366 - 8, XP055702103, Retrieved from the Internet <URL:http://www.rsc.org/suppdata/c7/nr/c7nr06812c/c7nr06812c1.pdf> [retrieved on 20200608] * |
| JACOB TSE-WEI WANG ET AL: "Low-Temperature Processed Electron Collection Layers of Graphene/TiO 2 Nanocomposites in Thin Film Perovskite Solar Cells", NANO LETTERS, vol. 14, no. 2, 30 December 2013 (2013-12-30), US, pages 724 - 730, XP055701946, ISSN: 1530-6984, DOI: 10.1021/nl403997a * |
| JINLI YANG ET AL: "Origin of the Thermal Instability in CH 3 NH 3 PbI 3 Thin Films Deposited on ZnO", CHEMISTRY OF MATERIALS, vol. 27, no. 12, 8 June 2015 (2015-06-08), pages 4229 - 4236, XP055701954, ISSN: 0897-4756, DOI: 10.1021/acs.chemmater.5b01598 * |
| KATHERINE A. DUNPHY GUZMAN ET AL: "Influence of Surface Potential on Aggregation and Transport of Titania Nanoparticles", ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY, vol. 40, no. 24, 1 December 2006 (2006-12-01), US, pages 7688 - 7693, XP055702010, ISSN: 0013-936X, DOI: 10.1021/es060847g * |
| MD ARAFAT MAHMUD ET AL: "Adsorbed carbon nanomaterials for surface and interface-engineered stable rubidium multi-cation perovskite solar cells", NANOSCALE, vol. 10, no. 2, 1 January 2018 (2018-01-01), United Kingdom, pages 773 - 790, XP055702101, ISSN: 2040-3364, DOI: 10.1039/C7NR06812C * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4055637A1 (fr) | 2022-09-14 |
| FR3102887B1 (fr) | 2022-06-24 |
| WO2021089528A1 (fr) | 2021-05-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3074471A1 (fr) | Encre pour former des couches p dans des dispositifs electroniques organiques | |
| EP3161883B1 (fr) | Cellules tandem multifils | |
| EP2674516A1 (fr) | Méthode de fabrication de nanofils de CuSCN par voie électrochimique | |
| FR3073088B1 (fr) | Dispositif electronique organique ou hybride et son procede de fabrication | |
| FR3013897A1 (fr) | Dispositifs electroniques organiques | |
| EP2561560B1 (fr) | Cellule solaire organique à hétérojonction en volume comprenant une couche active électriquement, présentant une ségrégation verticale. | |
| EP3020078A1 (fr) | Procédé de fabrication d'une couche active susceptible d'émettre un courant électrique sous irradiation | |
| EP3435436B1 (fr) | Empilement multicouche utile à titre de couche p pour dispositif photovoltaique | |
| FR3102887A1 (fr) | Couche N à taux de carbone contrôlé dans un dispositif photovoltaïque de type pérovskite | |
| WO2022096802A1 (fr) | Dispositif photovoltaïque tandem combinant une sous-cellule a base de silicium et une sous-cellule a base de perovskite comportant une couche composite perovskite/materiau de type p ou n | |
| WO2017121830A1 (fr) | Solution d'ions tungstates et dispositif photovoltaïque hybride | |
| EP3650576A1 (fr) | Procédé pour la formation d'une électrode transparente | |
| FR3115928A1 (fr) | Dispositif photovoltaïque tandem combinant une sous-cellule à base de silicium et une sous-cellule à base de pérovskite comportant une couche N à taux de carbone contrôlé | |
| EP3836218B1 (fr) | Couche composite perovskite/materiau de type p ou de type n dans un dispositif photovoltaïque | |
| EP3333920B1 (fr) | Cellule photovoltaïque pourvue d'une couche n composite | |
| WO2005124891A1 (fr) | Procede de preparation d'un materiau semi-conducteur photo-actif, materiau ainsi realise et applications | |
| EP2488509B1 (fr) | Derives de type dipyrannylidene comme couche interfaciale anodique dans des dispositifs electroniques | |
| EP3552243B1 (fr) | Photodétecteur à couche de collecte de porteurs de charge comprenant des nanofils fonctionnalisés | |
| WO2024062186A1 (fr) | Module photovoltaïque | |
| FR3139970A1 (fr) | Module photovoltaïque | |
| FR3060205A1 (fr) | Preparation d'un empilement multicouche pour un dispositif photovoltaique de type tandem comportant une unique couche de recombinaison |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20210507 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 5 |