Study of degradation mechanisms in halide perovskite films and in perovskite solar cells using electrical and synchrotron-based characterization - Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces (PICM) Access content directly
Theses Year : 2022

Study of degradation mechanisms in halide perovskite films and in perovskite solar cells using electrical and synchrotron-based characterization

Étude des mécanismes de dégradation dans les films de pérovskites halogénées et dans les cellules solaires à base de pérovskite par caractérisation électrique et synchrotron

Abstract

Perovskite solar cells (PSCs) have become a trending technology in photovoltaic research due to a rapid increase in efficiency. However, they show degradation of their performance under operational conditions. Many researchers have studied the degradation mechanism caused by moisture, oxygen, or light to increase their long-term stability for market applications. However, understanding the intrinsic degradation attributed to the electrical field remains vague due to the complexity of these materials. In this thesis, a multitude of laboratory-based as well as synchrotron-based techniques are applied for a better understanding of the detailed mechanism of the phenomena in PSCs.Three following themes are covered in this thesis. Firstly, MAPbI3 films and solar cells were used as model systems for investigations using laboratory-based and synchrotron-based characterization. Therefore, MAPbI3 film based on thermal evaporation was optimized by varying evaporation parameters. In addition, PSCs with the optimized MAPbI3 were fabricated with various electron transport materials and hole transport materials.Secondly, we analyzed carrier dynamics in PSCs under electric field or exposure to air using electrochemical impedance spectroscopy (EIS). After applying electric bias, a second capacitance at low frequency was observed. This second capacitance indicates the presence of mobile ions. Additionally, EIS was measured periodically to study the degradation mechanism in air, and two variations of impedance at high and low frequencies were observed.Finally, synchrotron-based scanning transmission X-ray microscopy (STXM) was employed to analyze the nanoscale changes in the chemical composition of PSCs under an electric field. By applying an electric field to perovskite film with a specific in-situ electric biasing system, we observed not only halide migration but also changes in chemical structure in organic components of halide perovskites. After applying ex-situ electric biasing to PSCs, focused ion beam (FIB) sections were prepared. Halide ion migration in the bulk perovskite layer and its interface with two charge transport layers was observed with STXM. Furthermore, we proposed to explain the electric field-induced degradation mechanism in PSCs through correlation between EIS and STXM results.
Les cellules solaires à base de pérovskite (PSC) sont devenues une technologie très étudiée dans la recherche photovoltaïque en raison de l’augmentation rapide de leur efficacité. Cependant, elles montrent une dégradation de leurs performances dans des conditions de fonctionnement standard. De nombreux chercheurs ont étudié le mécanisme de dégradation causé par l'humidité, l'oxygène ou la lumière pour augmenter leur stabilité à long terme pour des applications commerciales. Cependant, la compréhension de la dégradation intrinsèque attribuée au champ électrique reste floue du fait de la complexité de ces matériaux. Dans cette thèse, un grand nombre de techniques de laboratoire et de synchrotron sont appliquées pour une meilleure compréhension détaillée des mécanismes et des phénomènes rencontrés dans les PSC.Trois thématiques sont abordées dans cette thèse. Premièrement, les films de MAPbI3 et les cellules solaires correspondantes ont été utilisés comme systèmes modèles pour les investigations utilisant la caractérisation en laboratoire et au synchrotron. Par conséquent, le film de MAPbI3 déposé par évaporation thermique a été optimisé en faisant varier les paramètres d'évaporation. De plus, des PSC avec le MAPbI3 optimisé ont été fabriqués avec divers matériaux de transport d'électrons et matériaux de transport de trous.Deuxièmement, nous avons analysé la dynamique des porteurs dans les PSC sous champ électrique ou exposition à l'air, à l'aide de la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS). Après application de la polarisation électrique, une deuxième capacité à basse fréquence a été observée. Cette deuxième capacité indique la présence d'ions mobiles. De plus, l'EIS a été mesurée périodiquement pour étudier le mécanisme de dégradation dans l'air, et deux variations d'impédance aux hautes et basses fréquences ont été observées.Enfin, la microscopie à balayage par transmission des rayons X (STXM) sur faisceau synchrotron a été utilisée pour analyser les changements à l'échelle nanométrique dans la composition chimique des PSC sous champ électrique. En appliquant un champ électrique au film de pérovskite avec un système de polarisation électrique in situ spécifique, nous avons observé non seulement la migration des halogénures, mais également des changements de structure chimique dans les composants organiques des cellules pérovskites halogénées. Après avoir appliqué une polarisation électrique ex-situ aux PSC, des sections par faisceaux d'ions focalisés (FIB) ont été préparées. La migration des ions halogénures dans la couche de pérovskite dans la couche et à son interface avec deux couches de transport de charge a été observée par STXM. De plus, nous avons proposé d'expliquer le mécanisme de dégradation induite par le champ électrique dans les PSC grâce à la corrélation entre les résultats EIS et STXM.
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  • HAL Id : tel-04461265 , version 1

Cite

Haeyeon Jun. Study of degradation mechanisms in halide perovskite films and in perovskite solar cells using electrical and synchrotron-based characterization. Physics [physics]. Institut Polytechnique de Paris; Synchrotron SOLEIL, 2022. English. ⟨NNT : 2022IPPAX103⟩. ⟨tel-04461265⟩
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