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Cellules solaires pérovskites imprimées et optimisation des couches pérovskites

Cellules solaires pérovskites imprimées et optimisation des couches pérovskites pour les cellules tandems par Moulay Ahmed SLIMANI MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE COMME EXIGENCE PARTIELLE À L’OBTENTION DE LA MAITRISE AVEC MEMOIRE EN GÉNIE, DES ÉNERGIES RENOUVELABLES ET EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE M. SC. A. MONTRÉAL, LE 07 NOVEMBRE 2019 ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE UNIVERSITÉ DU QUÉBEC Moulay Ahmed Slimani, 2019 Cette licence Creative Commons signifie qu’il est permis de diffuser, d’imprimer ou de sauvegarder sur un autre support une partie ou la totalité de cette œuvre à condition de mentionner l’auteur, que ces utilisations soient faites à des fins non commerciales et que le contenu de l’œuvre n’ait pas été modifié. PRÉSENTATION DU JURY CE MÉMOIRE OU THÈSE A ÉTÉ ÉVALUÉ PAR UN JURY COMPOSÉ DE : M. Ricardo Izquierdo, directeur de mémoire Département de génie électrique à l’École de technologie supérieure M. Sylvain Cloutier, président du jury Département de génie électrique à l’École de technologie supérieure M. Martin Bolduc, Département de génie électrique à l’École de technologie supérieure IL A FAIT L’OBJET D’UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC LE 16 OCTOBRE 2019 À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE REMERCIEMENTS La réalisation de ce mémoire n’aurait pas été possible sans l’aide de plusieurs personnes dont je dois les remercier chaleureusement. Je remercie très sincèrement mon directeur de mémoire Ricardo Izquierdo, d’avoir fait confiance en moi en m’attribuant ce sujet passionnant, de son soutien financier, son ouverture et de m’avoir fourni les outils nécessaires à la réussite de ce travail. Je lui exprime toute ma gratitude pour ces qualités scientifiques et humaines. Ainsi de tout ce qui m’a appris le long de notre travail ensemble. Je remercie les membres de laboratoire CoFaMic à l’UQAM qui m’ont formé et aidé, précisément Gwenaël Chamoulaud, Robichaud Alexandre et Galyna Shul. Je tiens à remercier Normand Gravel, du laboratoire LACIME de l’ÉTS de son support au laboratoire. Je remercie également les membres de mon groupe de recherche, spécialement Matthew, Olgu, Deepak, Shiva, Pendeng, Ahmed, Ndembi et Khadija de leur collaboration, leur amabilité, aussi pour le climat amical dont on a travaillé ensemble. Les nombreuses discussions que j’ai pu aborder avec chacun m’ont été précieuses. Une dédicace spéciale à l’âme de mon cher père, un gros merci à ma chère mère de m’avoir appris le défi et la persévérance, à l’amour de ma vie, Meriem de sa confiance et de son soutien infaillible durant toutes ces années de mariage, mes trésors Amira, Malik et Jinane, mes frères Si Mohamed, Moulay Ali, ma belle-sœur Khadija, mes neveux et nièces et à toute ma famille. Finalement, je dois remercier le bon Dieu de m’avoir donné santé, énergie pour accomplir ce travail et aussi la force de ce que je suis. Cellules solaires pérovskites imprimées et optimisation des couches pérovskites pour les cellules tandems Moulay Ahmed SLIMANI RÉSUMÉ Étant donné le contexte énergétique et environnemental actuel, les recherches dans le domaine photovoltaïque ne cessent de croître. Les cellules photovoltaïques (PV) en silicium dominent le marché mondial. Une des raisons qui limitent l’efficacité des cellules solaire à base de silicium, sont les pertes dues à la thermalisation, les cellules multijonctions représentent une solution pour corriger ces pertes, mais ils sont chers à fabriquer. C’est pourquoi la technique d’impression se distingue par rapport aux autres techniques conventionnelles comme étant une technique de basse température à faible coût, réalisable sur des dispositifs souples et avec une matière première illimitée. L’objectif de ce mémoire est de réaliser en premier lieu une cellule pérovskite par la technique d’impression Slot Die puis l’optimiser pour concevoir une cellule tandem à 4 bornes (4T) silicium/pérovskite. Une étude de simulation a été réalisée par le logiciel SETFOS (Semiconducting Emisive Thin Film Optics Simulation) en vue de comprendre et optimiser l’effet des différents paramètres, influent l’efficacité de la cellule pérovskite telle l’épaisseur, mobilité des porteurs de charges et les bandes d’énergies. Ensuite, une caractérisation de l’absorption des couches par Lambda 750 UV/Vis/NIR et aussi une analyse de diffractions des rayons X (XRD) ont été utilisées pour optimiser la température et le temps de recuit de la pérovskite. La dernière partie de ce travail été consacrée à l’étude de l’effet des différentes couches de la cellule pérovskite sur l’absorption de la cellule de silicium monocristallin, cette étude expérimentale a permis d’optimiser les couches de la cellule pérovskite et d’évaluer la faisabilité de la cellule tandem silicium/pérovskite. Mots-clés : photovoltaïque, pérovskite, simulation, longueur de diffusion, mobilités des porteurs de charge, optimisation des couches, Cellule solaire tandem Printed Perovskite Solar Cells and Perovskite Layers Optimization for Tandem Cells Moulay Ahmed SLIMANI ABSTRACT Based on current energy and environmental context, research in the photovoltaic field is growing very fast. Silicon photovoltaic (PV) cells dominate the world market. One of the reasons limiting the efficiency of silicon-based solar cells are the losses due to thermalization. multi-junction cells represent a solution to reduce these losses, but they are expensive too. The printing technique, therefore represents a viable alternative for it is a low temperature and a low-cost technique. Moreover, it can be realized on flexible devices and with unlimited raw material. The objectives of this thesis are thus to firstly realize perovskite solar cells using the Slot Die printing technique and then to optimize it to optimize a 4-terminal (4T) tandem silicon/perovskite cell. A simulation study by SETFOS (Semiconducting Emission Thin Film Optics Simulation) was made to understand and optimize the effect of thickness, mobility of charge carriers and bands energy on the efficiency of the perovskite solar cell. Then, a characterization of the absorption coefficient of other layers inside the cells were made using Lambda 750 UV / Vis / NIR and X-ray diffraction technique (XRD) were used to optimize the temperature and the annealing time of the perovskite film. The last part of this work was reserved to the study of the effects of the layers of the perovskite cell on the absorption of the mono-crystalline silicon cell. This experimental study allowed us to optimize the layers of the perovskite solar cell and to evaluate the feasibility of having a perovskite/silicon tandem solar cell. Keywords: Photovoltaic, perovskite, simulation, load carrier mobility, diffusion length, layer optimization, tandem solar cell. TABLE DES MATIÈRES Page INTRODUCTION .....................................................................................................................1 CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE ......................................................................5 1.1 Historique .......................................................................................................................5 1.1 Effet photovoltaïque .......................................................................................................6 1.2 Généralité sur les ondes électromagnétiques .................................................................7 1.2.1 Optique des surfaces planes ...........................................................................................7 1.3 Jonction ........................................................................................................................11 1.3.1 Contact ohmique ..........................................................................................................11 1.3.2 Contact Schottky ..........................................................................................................12 1.3.3 Jonction p-n ..................................................................................................................13 1.4 Spectre solaire ..............................................................................................................14 1.5 Absorption de la lumière ..............................................................................................15 1.6 Modélisation de la cellule photovoltaïque ...................................................................16 1.7 Caractéristiques courant tension ..................................................................................19 1.8 Rendement de conversion ............................................................................................21 1.9 Rendement quantique externe ......................................................................................22 1.10 Pérovskite .....................................................................................................................23 1.11 Techniques d’impression des couches des cellules solaires ........................................24 1.12 Cellule photovoltaïque pérovskite ...............................................................................28 1.13 Cellules tandem ............................................................................................................32 1.14 Conclusion ...................................................................................................................37 CHAPITRE 2 METHODOLOGIE EXPÉRIMENTALE .................................................39 2.1 Introduction ..................................................................................................................39 2.2 Simulation ....................................................................................................................39 2.3 Techniques d’analyse ...................................................................................................45 2.3.1 Diffractions des rayons X (XRD) ................................................................................45 2.3.2 Spectroscopie ultraviolet visible ..................................................................................47 2.4 Fabrications des couches minces .................................................................................48 2.5 Caractérisation de la cellule solaire .............................................................................50 2.6 Conclusion ...................................................................................................................51 CHAPITRE 3 ÉTUDE DE SIMULATION DE LA CELLULE SOLAIRE PÉROVSKITE ...........................................................................................53 3.1 Introduction ..................................................................................................................53 3.2 Étude de la configuration photovoltaïque multicouche ...............................................53 3.3 Simulation de la cellule photovoltaïque .......................................................................54 3.3.1 Effet des dérivés du fullerène et des cathodes sur le PCE ...........................................55 3.3.2 Effet du travail de sortie d’ITO sur le PCE..................................................................57 XII 3.4 Optimisation de l’épaisseur des couches de la cellule pérovskite ...............................58 3.4.1 Couche du transport des trous ......................................................................................59 3.4.2 Couche active ...............................................................................................................60 3.4.3 Couche du transport des électrons ...............................................................................62 3.4.4 Taux de recombinaison des charges ............................................................................64 3.4.5 Mobilité électronique ...................................................................................................66 3.4.6 Effet du BG de la pérovskite ........................................................................................67 3.5 Conclusion ...................................................................................................................69 CHAPITRE 4 OPTIMISATION DES COUCHES DE LA CELLULE PÉROVSKITE ..71 4.1 Introduction ..................................................................................................................71 4.2 Optimisation de la couche pérovskite ..........................................................................71 4.2.1 Optimisation de la température de recuit .....................................................................71 4.2.2 Optimisation du temps de recuit ..................................................................................74 4.3 Optimisation des épaisseurs des couches de la cellule pérovskite ...............................78 4.3.1 Couche pérovskite ........................................................................................................78 4.3.2 Couche PEDOT:PSS ....................................................................................................79 4.3.3 Couche C60 ..................................................................................................................80 4.4 Conclusion ...................................................................................................................81 CHAPITRE 5 FABRICATION DE LA CELLULE PÉROVSKITE ET OPTIMISATION DE LA COUCHE PÉROVSKITE POUR LA CELLULE TANDEM ................................................................................83 5.1 Introduction ..................................................................................................................83 5.2 Réalisation de la cellule pérovskite ..............................................................................83 5.2.1 Fabrication de la couche HTL ......................................................................................83 5.2.2 Fabrication de la couche active ....................................................................................86 5.2.3 Fabrication des couches d’ETL et de l’électrode métallique .......................................87 5.2.4 Mesure de l’efficacité de conversion ...........................................................................88 5.3 Optimisation de la couche pérovskite pour la cellule tandem .....................................90 5.3.1 Conception de la cellule tandem ..................................................................................92 5.3.2 Effet de l’épaisseur pérovskite sur la structure tandem ...............................................92 5.3.3 Effet de l’épaisseur pérovskite sur les paramètres de la cellule Si ..............................95 5.3.4 Effet combiné de la pérovskite et des autres couches sur la structure tandem ............96 5.4 Conclusion ...................................................................................................................99 CONCLUSION ......................................................................................................................103 RECOMMANDATIONS ET TRAVEAUX FUTURS .........................................................105 LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES.............................................................106 LISTE DES TABLEAUX Page Tableau 1.1 Rendement de quelques configurations de cellules PV par Slot Die .........32 Tableau 3.1 Paramètre de la couche pérovskite pour la simulation de la cellule PV ....55 Tableau 3.2 PCE uploads/Geographie/ slimani-moulay-ahmed-pdf.pdf