Croissance d’hétérostructure pérovskite halogène inorganique 2D/3D par dépôt par ablation laser pulsée (PLD) pour l’optoélectronique et le photovoltaique

Les pérovskites halogènes (PK) ont démontré un très fort potentiel pour le photovoltaïque (PV) en atteignant des rendements records (35% en tandem sur silicium). Cependant, leur stabilité limitée (dégradation sous humidité, chaleur ou lumière) et les défis de mise à l’échelle (perte de rendement à grande surface) freinent leur industrialisation. Parallèlement, dans le domaine des microLED, les PK émergent comme une alternative prometteuse aux boîtes quantiques (QDs) pour les couches de conversion de couleur, grâce à leur pureté spectrale élevée et leur absorption supérieure. Pourtant, leur efficacité et stabilité restent à optimiser pour rivaliser avec les solutions existantes.

Ce projet propose une approche innovante : la fabrication de pérovskites inorganiques 2D et d’hétérostructures 2D/3D par dépôt par ablation laser pulsée (PLD), un procédé innovant pour les pérovskites et ayant un fort potentiel de mise à l’échelle. Les pérovskites 2D, grâce à leur confinement quantique, présentent une énergie de liaison des excitons élevée, idéale pour les LED et lasers, tandis que les hétérostructures 2D/3D améliorent la stabilité et réduisent les recombinaisons non radiatives.

Les objectifs de la thèse sont :
1. Synthèse de pérovskites 2D inorganiques (avec/sans plomb) par PLD et caractérisation avancée du matériau: cristallinité, luminescence, absorption, bandgap, stabilité…
2. Fabrication d’hétérostructures 2D/3D dans l’objectif d’atteindre un effet de passivation des défauts 3D, caractérisation avancée: rendement de photoluminescence, durée de vie des porteurs, passivation des interfaces…
3. Application pour le PV et les microLED : évaluation du potentiel pour des cellules tandem et des couches de conversion de couleur

Les résultats viseront à démontrer que le PLD permet de dépasser les limites actuelles (stabilité, production à grande échelle) tout en maintenant des performances optoélectroniques compétitives. Ce travail s’inscrit dans une dynamique mondiale où les PK pourraient contribuer à des avancées très significatives dans le domaine du PV et des micro-écrans.

Étude de la Métastabilité des Cellules Photovoltaïques à Hétérojonction de Silicium et Stratégies de Stabilisation

Les cellules photovoltaïques à base de silicium, notamment les cellules à hétérojonction de silicium (SHJ) utilisant du silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H), atteignent des rendements supérieurs à 25%. Cependant, ces architectures présentent une métastabilité intrinsèque, comme la dégradation Staebler-Wronski, qui peut entraîner une perte de rendement durant le stockage entre fabrication et assemblage en module. Dans un contexte de chaînes logistiques mondialisées, ces instabilités représentent un risque économique et technique mal quantifié. Cette thèse vise à répondre aux questions suivantes : quel est l'impact quantitatif de l'instabilité sur le rendement des cellules à haut rendement lors d'un stockage prolongé ? Quels sont les mécanismes physiques responsables de cette dégradation ? Quelles stratégies technologiques permettent de réduire ou éliminer cette instabilité ? Quelles sont les implications industrielles pour la logistique de mise en module ? Pour ce faire, un protocole expérimental rigoureux sera mis en place pour suivre les performances électriques des cellules sur plusieurs mois, en variant les conditions de stockage (atmosphère, température, humidité). Des structures-test et des caractérisations avancées (FTIR, Raman, Silvaco TCAD) seront utilisées pour comprendre les phénomènes physiques impliqués. L'optimisation des procédés, l'introduction de nouveaux matériaux, et un conditionnement amélioré seront explorés pour stabiliser les cellules. Des recommandations pratiques pour l'industrie, concernant les durées maximales de stockage et les conditions de stockage optimales, seront également établies. L'objectif est de développer des solutions technologiques et logistiques pour minimiser les pertes de rendement des cellules SHJ, optimiser les chaînes logistiques et réduire les risques économiques associés.