Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Transformer l'énergie solaire en électricité en utilisant des matériaux et des procédés à bas coût reste un défi. Les cellules solaires à pérovskites hybrides (PH), apparues très récemment, sont basées sur des matériaux aux propriétés opto-électroniques et structurales remarquables. Cet article montre comment les PH sont utilisées dans les cellules solaires et leurs différentes voies de préparation sont décrites. Les différentes architectures et structures de cellules sont expliquées. Enfin, les autres matériaux utilisés dans les cellules sont présentés et l'importance de leurs propriétés optiques et électroniques pour le bon fonctionnement des dispositifs est expliquée.
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Thierry PAUPORTÉ : Directeur de recherche CNRS - Institut de recherche de Chimie-Paris, Chimie-Paristech, Paris, France
INTRODUCTION
Domaine : Cellules solaires photovoltaïques
Degré de diffusion de la technologie : Émergence | Croissance | Maturité
Technologies impliquées : Photovoltaïque, couches minces
Domaines d'application : Énergie, électricité
Principaux acteurs français :
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École nationale supérieure de chimie de Paris (Chimie-Paristech), Institut de recherche de Chimie-Paris (UMR 8247) https://www.chimie-paristech.fr/fr/la_ recherche/ircp/
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Institut national des sciences appliquées de Rennes, laboratoire FOTON http://www.insa-rennes.fr/foton.html
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université d'Angers, laboratoire MOLTECH-Anjou (UMR 6200) http://moltech-anjou.univ-angers.fr/
-
Institut de recherche XLIM, Limoges http://www.xlim.fr/
-
Institut nanoscience et cryogénie, CEA, structure et propriétés d'architectures moléculaires http://inac.cea.fr/spram/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_service. php?id_unit=10
Autres acteurs dans le monde :
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École polytechnique fédérale de Lausanne (Suisse), Laboratory of Photonics and Interfaces (LPI) http://lpi.epfl.ch/
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université d'Oxford (Grande-Bretagne), département de physique https://www2.physics.ox.ac.uk/research/photovoltaic-and-optoelectronic-device-group
-
Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Division of Advanced Materials http://english.krict.re.kr/eng/
-
Oxford PV https://www.oxfordpv.com/
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Différentes architectures de cellules
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3. Cellules solaires à base de pérovskites hybrides
3.1 Cellules solaires excitoniques
Dans ces cellules, la génération des électrons et des trous (lacunes d'électron) sous l'effet d'une irradiation de photons d'énergie suffisante (effet photoélectrique) se produit dans la couche de l'absorbeur. Ces charges doivent être séparées et être collectées. Sur un substrat isolant, celles-ci vont se recombiner, générant des photons d'énergie inférieure à l'énergie des photons incidents (photoluminescence) et de la chaleur (recombinaison non radiative). La séparation de charge est opérée grâce aux contacts sélectifs formés par deux autres phases adjacentes dont les niveaux énergétiques sont compatibles avec ceux de l'absorbeur. L'absorbeur est donc pris en sandwich entre deux autres phases (figure 6). Pour récupérer les électrons, un matériau possédant une bande d'énergie inférieure à la bande de conduction de l'absorbeur est utilisé (les électrons se déplaçant d'un niveau d'énergie supérieur vers un niveau d'énergie inférieur). Les électrons se déplaceront ensuite par diffusion jusqu'au contact électrique avant (CAv dans la figure 6). Ce matériau est appelé « transporteur d'électrons » (MTE dans la figure 6). D'autre part, les trous sont collectés et transportés par un matériau possédant une bande de valence d'énergie supérieure à celle de l'absorbeur. Ce matériau est appelé « matériau transporteur de trous » (MTT). Les trous se déplacent des niveaux d'énergie inférieurs vers des niveaux supérieurs. Ces charges positives se déplaceront ensuite dans cette phase jusqu'au contact arrière (noté CAr dans la figure 6) où elles seront collectées. La tension maximale que peut générer la cellule est la différence entre le travail de sortie du contact arrière et celui du contact avant. On note donc que dans ces cellules « excitoniques », contrairement au cas des cellules à jonction p-n, le transport et la séparation de charge ne sont pas assurés principalement par la présence d'un champ électrique. De plus, elles nécessitent des MTE et des MTT de bonne conductivité électrique.
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Cellules solaires à base de pérovskites hybrides
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MOLLER (C.K.) - Crystal structure and photoconductivity of caesium plumbohalides. - Nature, 182(4647), p. 1436-1436 (1958).
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(2) - WEBER (D.) - CH3NH3PbX3 , a Pb(II)-system with cubic perovskite structure. - Z. Naturforschung B, 33(12), p. 1443-1445 (1978).
-
(3) - WELLER (M.T.), WEBER (O.J.), HANRY (P.F.), DI PUMPO (A.M.), HANSEN (T.C.) - Complete structure and cation orientation in perovskite photovoltaic methylammonium lead iodide between 100 and 352 K. - Chem. Commun., 51, p. 4180-4183 (2015).
-
(4) - NOH (J.H.), IM (S.H.), HEO (J.H.), MANDAL (T.N.), SEOK (S.I.) - Chemical management for colorful, efficient, and stable inorganic-organic hybrid nanostructured solar cells. - Nano Lett., 13, p. 1764-1769 (2013).
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(5) - WONG (A.B.), LAI (M.), EATON (S.W.), YU (Y.), LIN (E.), DOU (L.), FU (A.), YANG (P.) - Growth and anion exchange conversion of CH3NH3PbX3 nanorod arrays for light emitting diodes. - Nano Lett., 15, p. 5519-5524 (2015).
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