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Thèse Année : 2023

Distinction des mécanismes de dégradation des cellules solaires à pérovskites par des approches statistiques sur de grands ensembles de données simulées

Distinction of degradation mechanisms in perovskites solar cells through statistical approaches on large simulated datasets

Arthur Julien
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1083903

Résumé

Perovskite solar cells have attracted a lot of attention in the past years, due to high power conversion efficiencies and low cost of fabrication. Material and interface properties in these devices have been intensely studied, allowing to significantly improve performances. However, the expected lifetime remain short, because of numerous potential degradation mechanisms, triggered by various environmental factors.This work aims at helping the understanding of these degradation processes and supporting the development of stable perovskite solar cells. Precisely, modelling methods have been developed to distinguish and identify the mechanisms responsible for performance degradation under given aging experiments.Current voltage curves and photoluminescence spectra measurements, performed periodically over the course of aging experiments have been investigated. The associated evolutions of optoelectrical parameters over time were at the core of the approach developed here.In order to investigate the photovoltaic behavior of perovskite solar cells, optical (transfer matrices) and electrical (drift diffusion) modeling have been coupled. Furthermore, a statistical approach has been developed, because of some unwell known input parameters. A genetic algorithm has been designed, providing numerous sets of inputs that reproduce the initial performances of a given sample. These sets were the basis to simulate various hypothetical unitary degradation mechanisms.Importantly, pathways are obtained by considering the correlated evolution of optoelectrical parameters. They constitute characteristic footprints of the processes responsible for the performance degradation, and simulated and experimental pathways can be directly compared. As a result, compatible mechanisms can be proposed, and others excluded when pathways differ. The causality between performance losses and degradation mechanisms is here directly tackled.After applying this approach to experimental measurements reported in literature, making possible to compare results to authors analyses and demonstrate the validity of the approach, aging experiments performed at IPVF were investigated. A first set of samples prepared with four variations in the deposition method of the perovskite layer. Results showed that the perovskite could be excluded as a cause for degradation in most cases, except for a specific method, also having the least stable samples.A second set, containing devices having different hole and electron transport layers was investigated through coupled current-voltage and photoluminescence measurements. Interestingly, hole transport layer degradation could be attributed to several samples, and a protective role of the electron transport could be envisaged. Also, coupling characterization techniques helped to distinguish pathways through new complementary planes.Finally, the last part of this work took advantage of the numerous simulations performed to investigate degradation. It aimed at simplifying the design of drift diffusion simulations by reducing the number of necessary inputs and identifying the most important ones. Meta-parameters candidates have been proposed by considering relevant quantities in an analytical model. Moreover, their validity to define a solar cell performance was assessed through their correlation with its optoelectrical outputs. Finally, principal components analyses were also employed on subsets selected according to solar cells performances, to point out the most important parameters or provide new simple phenomenological models.This work shows how modelling can support experimental development of stable perovskite solar cells. Notably, insights on the causes of degradation of various samples have been proposed. Finally, this also demonstrates that statistical approaches can support the solar cell modeling research field, by being less dependent on the knowledge of given parameters.
Les cellules solaires à pérovskite ont attiré beaucoup d'attention ces dernières années, en raison de leur rendement élevé et de leur faible coût de fabrication. Les propriétés des matériaux et interfaces de ces dispositifs ont été intensément étudiées, permettant d'améliorer leurs performances. Cependant, leur durée de vie reste courte en raison de nombreux potentiel mécanismes de dégradation, déclenchés par divers facteurs environnementaux.Ce travail a pour but d'aider à la compréhension de ces mécanismes et de soutenir le développement de cellules solaires pérovskites stables. Des méthodes de modélisation ont été développées pour distinguer et identifier les mécanismes responsables de la dégradation des performances dans le cadre d'expériences de vieillissement.Afin d'étudier le comportement photovoltaïque des cellules solaires pérovskites, des modèles optiques (matrices de transfert) et électriques (dérive diffusion) ont été couplés. Une approche statistique a été développée en raison de certains paramètres mal connus. Un algorithme génétique a été conçu pour fournir des ensembles d'inputs compatibles avec un échantillon. Ces ensembles sont la base pour simuler l'impact de divers hypothétiques mécanismes.Les chemins de dégradation sont obtenus en considérant l'évolution corrélée de paramètres optoélectroniques. Ils constituent des empreintes caractéristiques des processus de dégradation et les chemins simulés et expérimentaux peuvent directement être comparés. Des mécanismes compatibles peuvent donc être proposés et d'autres exclus lorsque les chemins diffèrent. La causalité entre les pertes de performance et les mécanismes de dégradation est ici directement considérée.Après avoir appliqué cette approche à des mesures expérimentales rapportées dans la littérature, permettant de comparer les résultats aux analyses des auteurs et de démontrer la validité de l'approche, des expériences de vieillissement réalisées à l'IPVF ont été étudiées. Une première série d'échantillons a été préparée avec quatre variations de la méthode de dépôt de la couche pérovskite. Les résultats ont montré que celle-ci pouvait être exclue comme cause de dégradation dans la plupart des cas, à l'exception d'une méthode spécifique, ayant également les échantillons les moins stables.Un deuxième jeu, contenant des dispositifs ayant différentes couches de transport des électrons et trous, a été étudié par des mesures couplés courant-tension et photoluminescence. La dégradation de la couche de transport des trous a pu être attribuée à plusieurs échantillons et un rôle protecteur de la couche de transport des électrons peut être envisagé. En outre, le couplage des techniques de caractérisation a permis de distinguer les chemins de dégradation à travers de nouveaux plans complémentaires.Enfin, la dernière partie de ce travail a tiré parti des nombreuses simulations de dégradation réalisées. Elle visait à simplifier la conception des simulations de dérive diffusion en réduisant le nombre de paramètres d'entrée nécessaires, et en identifiant les plus importants. Des méta-paramètres candidats ont été proposés en considérant un modèle analytique, et leur validité évaluée par leur corrélation avec les paramètres optoélectroniques. En outre, des analyses en composantes principales ont été employées sur des sous-ensembles sélectionnés en fonction des performances des cellules solaires, afin de mettre en évidence les paramètres les plus importants ou de fournir de nouveaux modèles phénoménologiques simples.Ce travail montre comment la modélisation peut aider au développement expérimental de cellules solaires pérovskites stables. En particulier, des indications sur les causes de la dégradation de divers échantillons ont été proposées. Enfin, ce travail démontre également que les approches statistiques peuvent soutenir le domaine de la recherche sur la modélisation des cellules solaires, en étant moins dépendants de la connaissance de paramètres donnés.
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tel-04427595 , version 2 (18-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04427595 , version 2

Citer

Arthur Julien. Distinction des mécanismes de dégradation des cellules solaires à pérovskites par des approches statistiques sur de grands ensembles de données simulées. Electric power. Institut Polytechnique de Paris, 2023. English. ⟨NNT : 2023IPPAX082⟩. ⟨tel-04427595v2⟩
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