Thèse soutenue le 21 mai 2021 pour obtenir le grade de docteur de la Communauté Université Grenoble Alpes Spécialité : Chimie Physique Moléculaire et Structurale

Résumé :
Les conséquences de l’intense activité humaine des trois derniers siècles se font aujourd’hui ressentir et le dérèglement climatique est indéniable. Le développement de l’exploitation des sources d’énergies à faible empreinte carbone est une condition sine qua non pour limiter notre impact sur l’environnement. Dans ce contexte, convertir l’énergie solaire en électricité est une solution de choix pour atteindre cet objectif. Les panneaux solaires en silicium représentent la technologie dominante sur le marché, mais des technologies alternatives et complémentaires sont développées en laboratoire depuis plusieurs dizaines d’années. La dernière en date a grandement attisé l’intérêt de la communauté scientifique : les cellules solaires à base de pérovskites hybrides et halogénées.
Le nom pérovskite désigne une famille structurale qui constitue l’une des catégories de matériaux les plus importantes de la matière condensée. Ces matériaux pérovskites possèdent une grande variété de propriétés, qui peuvent être adaptées en modifiant leur composition chimique. Lorsqu’un cation organique est inséré au centre d’une cage in-organique plomb-halogène, un matériau pérovskite semi-conducteur présentant des propriétés optoélectroniques impressionnantes est obtenu. Le premier matériau de ce type employé comme couche active de cellule solaire a été MAPbI₃ (MA = CH₃NH₃). Durant les dix dernières années, l’efficacité des dispositifs à base de ces matériaux pérovskite a fortement augmenté, passant des 10 % initiaux en 2012 à 25,5 % aujourd’hui, concurrençant ainsi de près les efficacités des cellules solaires à base de silicium. Cependant, la compréhension des propriétés intrinsèques de ces matériaux reste limitée.
C’est dans le but d’approfondir nos connaissances sur les propriétés structurales de ces composés que ces travaux ont été menés. Nous avons ainsi étudié différents systèmes, en employant principalement sur des mesures de diffraction des rayons X. La première partie de ce travail a été consacrée à l’étude structurale des couches minces de MAPbI₃. Au moyen d’expériences in situ, nous avons identifié les différentes étapes du mécanisme de cristallisation par échange ionique qui se produit en présence de chlore dans les précurseurs, dans certaines conditions spécifiques. Ces résultats ont permis d’expliquer les performances de cellules solaires réalisées à partir de couches minces MAPbI₃ similaires. Nous nous sommes ensuite focalisés sur la microstructure des couches minces MAPbI₃ et plus particulièrement sur la variabilité surprenante observée de la texture des couches MAPbI₃.
Nous montrons que ce comportement est lié à la nature ferroélastique de la transition de phase structurale cubique-tétragonale MAPbI₃ qui survient vers 60 °C, en mettant en évidence l’influence de la déformation subie par le matériau à haute température sur la microstructure des couches à température ambiante.
La seconde partie de cette thèse porte sur l’étude de solutions solides de pérovskite hybrides halogénées. De plus hautes efficacités et une meilleure stabilité des dispositifs ont été atteintes lorsque des solutions solides multi-cations et multi-halogènes sont utilisées. Cependant, l’effet de chaque substitution sur la structure pérovskite est encore mal compris, la plupart des études portant sur des composés où plusieurs ions sont substitués simultanément. Notre but a donc été de substituer un ion à la fois, générant ainsi trois familles à étudier : FA_1−x MA_x PbI₃ (FA = CH(NH₂)₂), MAPb(I_1−x Br_x)₃ et FAPb(I_1−xBr_x)₃. La structure de ces composés a été systématiquement étudiée à température ambiante ainsi qu’en fonction de la température pour établir le diagramme de phase de ces matériaux. Pour finir, le comportement structural du composé multi-cations organiques et multi-halogènes (FAPbI₃)_0.85(MAPbBr₃)_0.15 qui présente une composition chimique optimisée pour l’application en cellules solaires, est discuté à la lumière des résultats obtenus avec les composés quaternaires.

Jury :
Président : Monsieur Olivier Isnard
Rapporteure : Madame Emmanuelle Deleporte
Rapporteur : Monsieur Constantinos C. Stoumpos
Examinateur : Monsieur Antoine Letoublon
Invité : Monsieur David Djurado
Directeur de thèse : Monsieur Peter Reiss
Co-directrice de thèse : Madame Stéphanie Pouget

Mots clés :
Pérovskites hybrides, structure cristalline, diffraction des rayons X, cellules solaires

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