APPLICATIONS  |  DISPOSITIF DE PÉROVSKITE

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ÉTUDE PAR IMAGERIE HYPERSPECTRALE DE DISPOSITIF PHOTOVOLTAÏQUE À BASE DE PÉROVSKITE

Les cellules solaires hybrides de pérovskite (organique-inorganique) ont reçu beaucoup d'attention dans les dernières années. Ils possèdent une forte absorption de l’UV (200 nm) au proche infrarouge (700 nm), une mobilité élevée (comparable au silicium), ainsi qu’une grande longueur de diffusion des porteurs. Leur rendement quantique a quintuplé au cours des cinq dernières années, passant de 4% en 2009 à près de 20% aujourd’hui [1]. Même si ces progrès sont impressionnants, une profonde compréhension des mécanismes fondamentaux de ces systèmes est toujours manquante.

C’est dans cet esprit que le Dr. Henk Bolink de l'Université de Valence, en collaboration avec des chercheurs de l'IRDEP a étudié la performance de dispositif de pérovskite hybride organiques-inorganiques (CH3NH3PbI3). La pérovskite CH3NH3PbI3 génère efficacement du photocourrant en plus de la photoluminescence, c’est donc un excellent candidat pour les dispositifs multi-fonctionnels [2].  Afin d'étudier les principales propriétés de cette cellule, des mesures résolues spatialement et spectralement de photoluminescence (PL) et d'électroluminescence (EL) ont été effectuées. Pour mener à bien cette expérience, un imageur hyperspectral (IMA™) avec une résolution spectrale de 2 nm et une résolution spatiale inférieure à 2
 μm a été employé. Un puissance mètre est utilisé pour les mesures EL et la tension appliquée varie entre 1,05 V et 1,2 V.  Un laser 532 nm (Genesis) est utilisé pour la PL (excitation de ~ 30 soleils) pour éclairer la totalité du champ de vision de l'objectif de microscope (voir section modalité d'imagerie globale plus bas). Le signal de PL venant de millions de points sont collectées simultanément.

Des cartes de quelques centaines de micromètres ont été obtenus en quelques minutes. À l'aide de la procédure de calibration absolue spectrale et photométrique (voir section plus bas) développée par l’IRDEP, il est possible de déterminer le nombre absolu de photons émis à partir de chaque point de la surface de l'échantillon à chaque longueur d'onde. Cette caractéristique unique permet aux chercheurs d'obtenir une carte de la séparation du quasi-niveau de Fermi. Ce paramètre clé est d'importance scientifique car il est directement liée à la tension maximale atteignable et aux courants de saturations.

Avec cet instrument, les inhomogénéités spatiales de certaines propriétés opto-électriques sont rapidement mis en évidence. Ceci permet aux chercheurs de vérifier leurs méthodes de fabrication tout en obtenant une meilleure compréhension des propriétés fondamentales de leurs dispositifs.

Un article scientifique basé sur ces résultats est en rédaction, cette publication sera bientôt disponible ici. Si vous désirez discuter des résultats décrit plus haut, n’hésitez pas à nous écrire: info@photonetc.com.

[1] Zhou H. et al., Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells, Photovoltaics, 345(6196), (2014).
[2] Gil-Escrig L., et al, Efficient photovoltaic and electroluminescent perovskite devices, Chemical Communications, 15(569), (
2015).

CALIBRATION ABSOLUE SPECTRALE ET PHOTOMÉTRIQUE

La plupart, si ce n’est pas l’ensemble des techniques de caractérisation en luminescence produisent des données en unités arbitraires. Une interprétation profonde de ces résultats est souvent limitée par ce manque d'information. C’est dans cet esprit que des chercheurs de l’IRDEP ont développé une méthode puissante pour la calibration spectrale et photométrique. Avec cette technique, ils sont en mesure de déterminer le nombre absolu de photons d'une énergie donnée émis en chacun des points de la surface de leur échantillon. En effectuant cette calibration, ils peuvent étudier en profondeur la loi de Planck et les relations de réciprocité entre l’efficacité quantique externe (EQE) d’une cellule solaire et son émission EL à une tension donnée [1]. Ainsi, la calibrationn absolue des données hyperspectrales fournit un moyen direct pour extraire les variations spatiales de plusieurs propriétés telles que la tension en circuit ouvert (Voc), les courants de saturation et l’EQE.

Pour effectuer une calibration absolue et mesurer le nombre de photons émis, deux étapes sont nécessaires [2]. Tout d'abord, pour chaque longueur d'onde de la région spectrale d'intérêt, une calibration relative est réalisée sur une aire donnée en couplant une lampe halogène calibrée à une sphère intégrante. Cette configuration procure une sortie spatialement et spectralement homogène connue qui permet la correction des fluctuation du système. Ensuite, une calibration absolue est effectuée pour une longueur d'onde donnée sur un point de l'échantillon. Pour ce faire, la sortie d’un laser fibré est imagée et comparée avec l'intensité mesurée avec un puissance mètre. Enfin, en combinant la calibration relative sur l’ensemble de l'échantillon et de la plage spectrale avec la calibration absolue à une longueur d'onde et en un point donné, on peut obtenir la calibration absolue sur la totalité de l'échantillon en faisant une extrapolation pour chaque longueur d'onde.
 

[1] Rau, U., Reciprocity relation between photovoltaic quantum efficiency and electroluminescent emission of solar cellsPhysical Review B 76, (2007).
[2] Delamarre A. , Paire M., Guillemoles J.-F.  and Lombez L., Quantitative luminescence mapping of Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cellsProgress in Photovoltaics, (2014).

MODALITÉ D'IMAGERIE GLOBALE

Tel qu’indiqué précédemment, cette plate-forme hyperspectrale permet l'acquisition du signal provenant de la totalité du champ de vue sous l’objectif de microscope, longueur d'onde après longueur d'onde. En utilisant un capteur mégapixels, l'acquisition d'images filtrées fourni des informations spectrales provenant de millions de points à la surface de l'échantillon. De par sa conception, cette modalité nécessite un éclairage uniforme sur l'ensemble du champ de vision. Lorsque comparé à un système confocale typique en photoluminescence où l'excitation se fait en un seul point (~1 μm2), laissant ainsi la région environnante au repos, l'illumination globale évite la recombinaison des porteurs en raison de éclairage localisé. En effet, l’isopotentiel créé dans la modalité d’illumination globale empêche la diffusion de charges. En configuration confocale, la diffusion latérale des porteurs vers les régions plus sombres d'un échantillon a pour effet de réduire le signal de PL donc, la puissance d'excitation doit être considérablement accrue afin d'observer le signal. Cette densité de puissance élevée est très loin de ce qu’un matériau photovoltaïque expérimentera dans des conditions réelles. En fait, la densité de puissance utilisée en microscopie confocale atteint habituellement 104 soleils, densité très loin des conditions de fonctionnement d'un dispositif photovoltaïque, ce qui complique grandement l'interprétation des résultats. L’éclairage homogène utilisé pour la modalité d'imagerie globale permet de réaliser des expériences de PL dans la plage de 1 à 500 soleils qui est dans la gamme de mode de fonctionnement réaliste des cellules photovoltaïque à concentration.

PRODUITS LIÉS

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