Academic literature on the topic 'Pérovskite halogénée'

L'intérêt éveillé par les cellules solaires à base de pérovskite dans la communauté photovoltaique (PV) est allé grandissant ces 10 dernières années, dû notamment aux excellentes propriétés opto-électroniques de ces matériaux, à la diversité de leurs applications potentielles et à leur attractivité économique.Cette technologie est attendue sur le marché du PV d'ici 2023, mais certains défis tels que la stabilité des cellules ou le passage à l'échelle industrielle restent à relever afin de garantir son industrialisation.Une stratégie consiste à optimiser les couches extractrices de charge qui doivent garantir une bonne sélectivité vis-à-vis des porteurs de charge et assurer une bonne interface avec la pérovskite.Le dépôt chimique en phase vapeur à flux alternés (Atomic Layer Deposition - ALD) est une méthode de dépôt industrielle permettant la synthèse de nombreux matériaux.Les films minces déposés par ALD sont denses, homogènes, sans piqûres, conformes, et leur épaisseur et leur composition peuvent être contrôlées à l'échelle nanométrique.L'ALD apparait donc comme un candidat idéal pour déposer ces couches extractrices de charge.Cette thèse s'est intéressée au développement et à la caractérisation de divers oxydes par ALD.Le SnO2 et le TiO2 ont été développés à l'Institut Photovoltaïque d'Île-de-France (IPVF) à partir de deux procédés pour chaque matériau.A partir des caractérisations des couches minces obtenues, un procédé a été retenu pour chaque matériau en vue d'une intégration dans un dispositif PV en tant que couches inorganiques extractrices d'électrons.L'intégration d'une couche compacte de TiO2-ALD (15 nm) dans une architecture mésoporeuse a été démontrée, et ses propriétés comparées à la couche compacte standard déposée par pyrolyse d'aérosol.Des efficacités de conversion similaires de 19% ont été montrées, ainsi qu'une meilleure homogénéité engendrant une meilleure reproductibilité des résultats; ce moyen de dépôt est maintenant utilisé pour les cellules de référence à l'IPVF.L'intégration du SnO2-ALD est aussi présentée.Une couche de 10 nm de SnO2 a montré des efficacités moyennes dues à un déficit dans le facteur de forme.L'ajout d'une couche organique a résolu ce problème et a permis d'atteindre des performances de 16%.Enfin, la modification de ZnO-ALD par des dérivés de l'acide phosphonique a été étudiée.L'organisation des molécules à la surface du ZnO, puis leur effet sur la croissance de la pérovskite ont été détaillés, mais les résultats de cellules complètes restent très faible
Perovskite solar cells have sparked a large interest in the photovoltaic community in the last 10 years due to their expedient optoelectrical properties, their vast scope of applications and their economical attractiveness.They are expected to reach the market by 2023, but challenges have to be tackled first, among which upscale and stability issues.To do so, a strategy is to work on the charge transport layers.They need to ensure a high selectivity towards one charge carrier, and have a good interface.Atomic layer deposition is an industrial deposition technique which allows for the synthesis of a large variety of materials.ALD layers are dense, homogeneous, conformal, pinhole-free and their thickness and composition can be controlled at the nano-scale.ALD hence appears as an ideal candidate to deposit the charge extraction layers.This thesis focuses on the development and on the characterization of various oxides by ALD.SnO2 and TiO2 have been developed at the Institut Photovoltaïque d'Île-de-France (IPVF) with two different processes for each material.Their properties in regard of an integration in perovskite solar cells as inorganic electron transport layers have been explored, and one process for each material has been chosen.The advantageous integration of a 15 nm-thick ALD-TiO2 layer has been demonstrated as compact blocking layer in a mesoporous architecture, and compared to a blocking layer deposited by spray pyrolysis.Similar power conversion efficiencies (PCE) up to 19% have been achieved, with a higher homogeneity of the ALD layer leading to a better reproducibility of the results now used in the baseline production at IPVF.The integration of ALD-SnO2 in planar structures is also discussed.The 10 nm-thick layer alone was found to give mediocre efficiencies due to a lack of fill factor.The addition of an organic interlayer solved this issue allowing for PCE up to 16%.Finally an analysis of the interface between ALD-ZnO modified by phosphonic acid derivatives and a perovskite absorber is proposed.The organization of the molecules at the surface of ZnO and their impact on the perovskite have been determined, but the performances of full devices are poor

Bien que très prometteuses, les cellules solaires de 3ème génération à base de Pérovskites Halogénées souffrent d'une durée de vie trop faible, en raison d'une forte instabilité du matériau Pérovskite vis-à-vis de l'humidité dans l'air. Depuis 10 ans, de nombreuses recherches ont permis d'améliorer considérablement la durée de vie de ces cellules, en partie grâce à l'ingénierie du matériau Pérovskite. C'est dans ce contexte que se situent les résultats de cette thèse. Dans ce manuscrit, est reportée la découverte de la nouvelle famille des Pérovskites Halogénées déficientes en Plomb (ou Étain) et en Iode (ou Brome), abrégée d-PHs. Les d-PHs, en particulier les Iodoplombates, présentent une structure Pérovskite 3D allégée en Plomb, et tolèrent l'incorporation de cations qui outrepassent la limitation imposée par le facteur de Goldschmidt. Les d-PHs Iodoplombates montrent des propriétés optoélectroniques adaptées pour une application en cellules solaires. De plus, ces d- PHs sont plus stables à l'air libre, vis-à-vis de l'humidité. De manière remarquable, certaines de ces d-PHs montrent une stabilité plus de dix fois supérieure à celle de leurs homologues Pérovskites non déficientes. Cette famille d-PHs ouvre une nouvelle voie pour la chimie des Pérovskites Halogénées de structure 3D, et offre aussi la possibilité d'allier performance et stabilité pour les cellules solaires Pérovskites
Although the Halogenated Perovskites based 3rd generation of solar cells are very promising, they suffer from a too short lifetime, which is due to a high instability of the Perovskite material towards the moisture in air. Since 10 years, many studies have considerably improved the lifespan of these solar cells, thanks in part to the engineering of the Perovskite material. That is in this context that the results of this thesis are located. Here, in this manuscript, the discovery of the new family of lead (or Tin) and Iodide (or Bromide) deficient Halogenated Perovskites is reported (abbreviated d-PHs). The d-PHs, particularly the Iodoplumbates d-PHs, present a lead lightened 3D Perovskite structure, and tolerate the incorporation of cations that don't respect the imposed limitation from the Goldschmidt factor. The Iodoplumbates d-PHs show suitable optoelectronic properties for an application in solar cells. Moreover, this d-PHs are more stable in open air, towards moisture. Remarkably, some of these d-PHs show a stability more than ten times higher than the stability of their non-deficient Perovskite counterparts. This d-PHs family opens up a new path for the chemistry of the 3D-structure Halogenated Perovskites, and also offers the possibility to combine efficiency and stability for Perovskites solar cells

Cette thèse est entièrement consacrée à l'étude par la théorie de la fonctionnelle de la densité des composés pérovskites halogénés, matériaux prometteurs pour de nombreux domaines applicatifs. Le caractère « hybride » de ce type de matériau est illustré par différentes études de leurs propriétés structurales et électroniques. Le composé tridimensionnel MAPbBr₃ est tout d'abord présenté. Les propriétés électroniques fondamentales telles que les structures de bandes, les états de densité projetée ou les fonctions d'ondes sont discutées. De plus, l'importance du couplage spin-orbite est mise en évidence. L'analyse des symétries est appliquée pour comprendre la symétrie des états électroniques et pour interpréter les propriétés optiques des différents matériaux. Les reconstructions structurales à la surface des cristaux entraînent l'apparition d'effets Rashba-Dresselhaus. Par ailleurs les défauts de surface et leurs passivations sont également étudiés. Des travaux sur les matériaux sans plomb potentiellement moins toxiques sont proposés dans un second temps. Ces études ont pour but d'analyser leurs potentiels pour le photovoltaïque du point de vue des structures électroniques. Différentes stratégies de substitution sont envisagées allant du simple remplacement du plomb à d'autres alternatives plus élaborées comme les pérovskites doubles ou les pérovskites de basse dimensionnalité
This actual work is entirely devoted to the study of halide perovskite materials, promising materials in many fields of application, by means of the Density Functional Theory. The "hybrid" feature of this type of material is illustrated through various studies of their structural and electronic properties. The three-dimensional compound CH₃NH₃PbBr₃ is firstly presented. Basic electronic properties such as band structures, projected density of states or wave functions are discussed. In addition, the importance of spin-orbit coupling is highlighted. Symmetry analysis is applied to understand and interpret the optical properties of different materials. Structural reconstructions on the surface of the crystals lead the Rashba-Dresselhaus effects. In addition, surface defects and their passivations are also studied. Studies on lead-free materials that are potentially less toxic are proposed in a second step. These studies aim to analyze their potentials for photovoltaic devices from the point of view of electronic structures. Different substitution strategies, ranging from the simple replacement of lead to other more elaborate alternatives such as double perovskites or low-dimensional perovskites are investigated as well

Depuis 2012, les pérovskites hybrides halogénées de type CH3NH3PbX3 (X = I, Br ou Cl) sont apparues comme très prometteuses non seulement dans le domaine du photovoltaïque mais aussi pour les dispositifs émetteurs de lumière comme les diodes électroluminescentes et les lasers. L'un des avantages cruciaux de ces matériaux semiconducteurs est leur méthode de déposition à basse température et en solution. Le réglage de la longueur d'onde d'émission des pérovskites dans tout le spectre visible par de simples substitutions chimiques dans la partie halogénée est un autre atout. En particulier, les pérovskites halogénées montrent une grande efficacité de luminescence dans le vert et pourraient répondre au problème du "green gap" dans les sources laser (le "green gap" fait référence à la baisse d'efficacité des diodes électroluminescente et diodes laser à semi-conducteurs émettant dans le vert).Le travail de doctorat mené ici a porté sur la réalisation d’un laser pompé optiquement à base de la pérovskite hybride CH3NH3PbBr3 émettant dans le vert. La structure réalisée consiste en une microcavité verticale à base d’une couche mince de 100 nanomètres de CH3NH3PbBr3 déposé par "spin-coating" (dépôt par enduction centrifuge), insérée entre un miroir diélectrique et un miroir métallique. Nous avons démontré, à température ambiante, le régime de couplage fort entre le mode photonique de la microcavité et l'exciton de la pérovskite. Ce régime de couplage fort conduit à la création de quasi-particules appelées les exciton-polaritons, qui sont une superposition cohérente d’états photonique et excitonique. En augmentant la puissance injectée optiquement, nous avons obtenu un effet laser dans cette microcavité. L’étude des propriétés d’émission de ce laser met en évidence que nous avons réalisé un laser aléatoire, émettant dans le vert, filtré directionnellement par la courbe de dispersion du polariton de basse énergie. Ce filtrage par la courbe de dispersion du polariton permet le contrôle de la directionnalité de l’émission laser sur une grande gamme d’angles : des angles aussi grands que 22° ont été obtenus expérimentalement
Since 2012, the hybrid halide perovskites of CH3NH3PbX3 (X = I, Br or Cl) type have emerged as very promising not only in the field of photovoltaics but also for light-emitting devices such as light-emitting diodes and lasers. One of the crucial advantages of these semiconductor materials is their low temperature and solution deposition method. The tuning of the perovskites emission wavelength throughout the visible spectrum by simple chemistry substitutions in the halogenated part is another asset. In particular, the halide perovskites show a high luminescence efficiency in the green and could address the "green gap" problem in laser sources (the "green gap" refers to the drop in efficiency of light-emitting diodes and laser diodes emitting in the green).The thesis work carried out here is focused on the development of an optically pumped laser based on the hybrid halide perovskite CH3NH3PbBr3 emitting in the green. The structure consists of a vertical microcavity based on a 100-nanometre thin film of CH3NH3PbBr3 deposited by spin-coating, inserted between a dielectric mirror and a metal mirror. We have demonstrated, at room temperature, the strong coupling regime between the microcavity photonic mode and the exciton of the perovskite. This strong coupling regime leads to the creation of quasi-particles called exciton-polaritons, which are a coherent superposition of photonic and excitonic states. By increasing the optically injected power, we obtained a laser effect in this microcavity. The study of the emission properties of this laser shows that we have produced a random laser, emitting in the green, filtered directionally by the dispersion curve of the lower polariton. This filtering by the polariton dispersion curve allows the directionality of the laser emission to be controlled over a wide range of angles: angles as large as 22° were obtained experimentally

Les composés pérovskites halogénés AMX3 (A+ est un cation organique ou inorganique monovalent : Cs+, méthylammonium [CH3NH3]+ (MA) ; M2+ un cation métallique bivalent comme le Pb2+ et X un anion halogénure I-, Br- ou Cl-) possèdent des propriétés remarquables pour les absorbeurs des cellules photovoltaïques. La structure pérovskite offre la possibilité de moduler facilement les propriétés des matériaux en modifiant leur composition chimique : leur largeur de bande interdite peut être ajustée en variant la nature de l’halogène. Les travaux menés au sein de cette thèse portent sur l'élaboration et la caractérisation approfondie de matériaux pérovskites halogénés mixtes – c'est-à-dire avec un mélange d’ions sur les sites A, M ou X – de faibles dimensions tels que les couches minces et les nanocristaux.Un protocole de fabrication de cellules pérovskites de référence avec les absorbeurs CH3NH3PbI3 et CH3NH3PbI3-xClx et un rendement dépassant 10 % a été établi. Ceci a permis de fabriquer des couches minces pérovskites avec une épaisseur contrôlée et de manière reproductible sur différents substrats de TiO2 (compact, mésoporeux ou monocristallin). L’étude de ces couches par diffraction des rayons X au laboratoire et au synchrotron a mis en évidence une orientation préférentielle (001) des cristallites pour CH3NH3PbI3-xClx quel que soit le type de substrats de TiO2. En utilisant un substrat TiO2 monocristallin nous démontrons pour la première fois que le degré d’orientation et la taille des grains sont fortement augmentés (taux de couverture de surface 80%) par rapport aux substrats contenant du TiO2 mésoporeux ou une couche compacte polycristalline. La présence du chlore à l’interface TiO2–pérovskite et la faible rugosité du substrat sont des facteurs clés favorisant la croissance de cristallites orientés.Dans la deuxième partie de la thèse, l’influence de la substitution partielle du Pb2+ par des cations métalliques homovalents non toxiques (alcalino-terreux et métaux de transitions 3d) sur la structure et les propriétés optiques des nanocristaux pérovskite hybrides et inorganiques a été étudiées. La morphologie et la taille des nanocristaux hybrides MAPb1-xMxBr3 synthétisés par méthode de reprécipitation est largement impactée malgré une faible substitution (x : maximum 6% avec Mg2+). Au contraire dans les nanocristaux inorganiques CsPb1-xMxX3, synthétisés par injection à chaud, jusqu’à 16% du Pb2+ peut être remplacé par du Mg2+ ou du Sr2+ en conservant leur taille, forme, structure, propriétés d’absorption et de photoluminescence. Pour un taux de substitution plus élevé (une valeur maximale de 22% a été atteinte), la formation de la structure Cs4PbX6 est favorisée
Metal halide perovskites AMX3 (A+ is an organic or inorganic cation: Cs+ methylammonium [CH3NH3]+ (MA); M2+ is a metallic cation such as Pb2+ and X a halide anion I-, Br- or Cl-) have remarkable properties as solar cell absorbers. In the perovskite structural framework the properties of the materials can be easily tailored by modifying their chemical composition. Changing for example the halide anion modulates their band gap. This thesis deals with the synthesis and the advanced characterisation of mixed halide perovskite materials – i.e. with mixed ions on the same site A, M or X – of low dimensions such as thin films and nanocrystals.A fabrication protocol was developed for reference solar cells with CH3NH3PbI3 and CH3NH3PbI3-xClx absorbers yielding a power conversion efficiency over 10%. The perovskite thin films could be fabricated with a controlled thickness and a high reproducibility on different TiO2 substrates (compact, mesoporous or monocrystalline). The study of these thin films by laboratory and synchrotron X-ray diffraction showed that the CH3NH3PbI3-xClx crystallites exhibit a preferential (001) orientation on any kind of TiO2 substrate. By using monocristalline TiO2 substrates we showed for the first time that the degree of orientation and the grain size increased considerably (the surface coverage was determined to be 80%) compared to mesoporous and compact polycrystalline TiO2 substrates. The presence of chlorine at the TiO2–perovskite interface and the low surface roughness of the substrate are key factors, which promote the growth of highly oriented crystallites.In the second part of the thesis, the influence of the partial substitution of lead with non-toxic homovalent metal cations (alcaline earth, 3d transition metals) on the structural and optical properties of hybrid and inorganic perovskite nanocrystals was studied. The morphology and the size of MAPb1-xMxBr3 hybrid nanocrystals synthesised by reprecipitation is clearly affected despite the low substitution (x: maximum 6% with Mg2+). Conversely, in CsPb1-xMxX3 inorganic nanocrystals synthesised by hot injection, up to 16% of Pb2+ could be replaced by Mg2+ or Sr2+, while keeping their size, shape, structure, absorption and photoluminescence properties. With a higher substitution ratio (up to 22% was achieved), the formation of the Cs4PbX6 structure is favoured

Les pérovskites hybrides halogénées sont une nouvelle classe de semi-conducteurs polyvalents se proposant d'allier hautes performances, bas coût et processabilité en vue d'applications variées comme le photovoltaïque ou l'émission de lumière. Leur développement à grande échelle se heurte cependant à leur faible stabilité dans les dispositifs. Depuis quelques années, des groupes de chercheurs se sont particulièrement intéressés aux pérovskites hybrides à 2 dimensions (2D). Cette sous-catégorie de pérovskite est bien plus stable et offre une meilleure flexibilité chimique que leurs cousines 3D. Cependant, leurs performances restent limitées par la faible maitrise des méthodes de synthèses. En outre, de nombreux efforts sont encore à faire pour la compréhension de leurs propriétés intrinsèques, notamment via l'étude de monocristaux. Nous avons mis au point une méthode de synthèse par diffusion d’anti-solvant (AVC) permettant de synthétiser des monocristaux de pérovskites 2D telles que (PEA)2PbI4 et (PEA)2(MA)Pb2I7. Cette méthode a été de plus adaptée pour la synthèse de couches minces monocristallines. L’incorporation de ces couches minces dans des dispositifs pourrait permettre en théorie de se rapprocher des performances intrinsèques du matériau. Nous avons de plus synthétisé des nouvelles pérovskites 2D fonctionnalisées par des molécules de luminophore en tant que partie organique. L’étude spectroscopique de ces pérovskites met en évidence des probables transferts de charge entre les deux parties organique et inorganique. Ce type de pérovskite pourrait trouver un intérêt dans le photovoltaïque car il permettrait de séparer l’exciton fortement lié dans les pérovskites 2D
Hybrid halide perovskites are new class of high-end semiconductors that combine high performances, low cost and low temperature proccessability for different application such as photovoltaics or light-emitting devices. Their large-scale commercialization is however hindered by their poor stability. For a few years, many groups started to grow interest in 2-dimensional (2D) hybrid perovskites. This subclass of perovskite is much more stable than their 3D counterparts, and offers more chemical flexibility. Yet their performances are limited by the bad quality of the spin-coated layers. Moreover an increase in the understanding of their intrinsic properties is necessary. This last point could be solved by the study of single crystals. We developped therefore a new anti-solvant, vapor-assisted crystallization (AVC) method for the growth of (PEA)2PbI4 and (PEA)2(MA)Pb2I7. Furthermore, a capped AVC process (AVCC) was developped for the growth of 2D perovskites single crystalline thin films. These films might help getting closer to the intrinsic limits of the material. We also synthesized new 2D luminophore-functionalized perovskite systems. The spectroscopic studies of this material highlighted a possible charge transfer between the two moities of the perovskite. This kind of perovskite could help improving the photovoltaic performances of 2D perovskite thanks to the splitting of the strongly bounded exciton

Dès à présent, le monde est face à des enjeux majeurs : augmentation de la production d'énergie, réduction des impacts de la production et de la consommation d'énergie sur l'environnement. La transition vers des énergies durables a déjà commencé. Le photovoltaïque a sa place parmi les énergies renouvelables qui permettront de relever ce défi. Ce travail de thèse porte sur les pérovskites hybrides halogénées et plus particulièrement leur utilisation dans des cellules solaires. En effet très récemment, ces matériaux ont attiré l'attention de la communauté scientifique en raison de leurs propriétés optoélectroniques remarquables : bande interdite directe, forte absorption de la lumière, longueurs importantes de diffusion des porteurs, propriétés optoélectroniques accordables mais aussi une fabrication aisée et à bas coût. En quelques années, le rendement a connu une augmentation spectaculaire de 3,8 % en 2009 à 22,7 % en 2017. Ainsi, ces derniers résultats placent les cellules pérovskites comme des concurrents potentiels face aux cellules solaires à base de silicium cristallin qui représentent aujourd'hui 90 % des cellules en service. Dans la conception des cellules solaires à base de pérovskite, la couche de pérovskite est généralement intercalée entre deux couches de transporteurs de charges : les couches de transporteurs d'électron et de trou (ETM et HTM, respectivement). La qualité de ces couches est essentielle pour obtenir de hauts rendements. Dans ce travail, les propriétés optoélectroniques des pérovskites halogénées sont étudiées ainsi que plusieurs couches de transport de charge
In the future, the world has to face up to major challenges: increasing the energy production, reducing the environmental impact, moving towards sustainability in energy, etc. Renewable energies such as photovoltaics can meet these challenges. This thesis concerns hybrid halide perovskite materials and their use in solar cells. These materials have recently attracted a lot of attention owing to their direct bandgaps, strong light absorption, large carrier diffusion lengths, tunable optoelectronic properties, and their facile and low-cost fabrication In few years, their energy conversion efficiency has rapidly increased from 3.8 % in 2009 to 22.7 % in 2017, hence approaching efficiencies of crystalline silicon based-devices which represent 90% of commercial photovoltaic cells. In the design of perovskite cells, the perovskite photoabsorber is generally sandwiched by two interfacial layers that yield selective charge collections: the hole and electron transport layers (HTM and ETM). Good quality and adapted interfacial layers are required to obtained high efficiency cells. In this thesis, both the perovskite material and the interfacial layers are investigated

Ces dernières années, les matériaux pérovskites bidimensionnels (2D) ont attiré une attention considérable en raison de leurs propriétés électroniques et optiques uniques et excellentes, qui en font un semi-conducteur extrêmement prometteur pour les applications d'émission de lumière et d'affichage. En outre, la pérovskite non magnétique peut devenir un semi-conducteur magnétique en incorporant des impuretés magnétiques dans les réseaux de la pérovskite hôte pour introduire des propriétés magnétiques. La coexistence d'excellentes propriétés optoélectroniques et magnétiques fait de la pérovskite 2D semi-magnétique un matériau très prometteur pour les dispositifs semi-conducteurs opto-spintronique pour le traitement de l'information et les communications.Dans cette thèse, nous explorons les propriétés électroniques et optiques des pérovskites 2D via la spectroscopie magnéto-optique. Nous commençons par effectuer des mesures de magnéto-photoluminescence (PL) et de magnéto-transmission sur des nanoplaquettes à base de CsPbBr3 avec une épaisseur différente de la dalle de plomb-halogénure, allant de 2 à 4 couches de plan octaédrique de plomb-halogénure. En appliquant des champs magnétiques dans le plan jusqu'à 65 T, l'état excitonique sombre optiquement inactif est éclairci. Cette approche nous permet d'observer directement une amélioration de l'émission PL du côté basse énergie du spectre PL, ce qui indique que l'état excitonique sombre optiquement inactif est l'état le plus bas dans ces nanoplaquettes. De plus, en combinant nos résultats de magnéto-PL et de magnéto-transmission avec les prédictions théoriques de la division de la structure fine de l'exciton, nous déterminons avec précision la division d'énergie entre les excitons sombres et brillants. Nous démontrons qu'en effet, la division des excitons sombres et brillants augmente avec la diminution des couches du plan octaédrique du plomb-halogénure. Nous démontrons également que l'émission efficace de ces nanoplatelles est due à un effet de goulot d'étranglement phononique, qui réduit considérablement la relaxation des excitons photoexcités vers l'état sombre optiquement inactif.Enfin, nous étudions les propriétés électroniques de la perovskite 2D (PEA)2PbI4 dopée au Mn par spectroscopie de magnéto-transmission pour différentes fractions molaires de Mn. Nous constatons que le facteur g de Lande des excitons peut être contrôlé par la concentration de Mn incorporé. Avec l'augmentation de la concentration x de Mn de 0 à 2%, le facteur g augmente, ce que nous attribuons à l'interaction d'échange sp-d entre les excitons de bord de bande et les spins hébergés dans les ions Mn. Si la concentration en Mn est encore augmentée, jusqu'à 5%, le facteur g des excitons diminue. Cette contre-tendance anormale est attribuée aux interactions Mn-Mn, qui résultent en un couplage anti-ferromagnétique efficace
Abstract: In recent years, two-dimensional (2D) perovskite materials have attracted considerable attention duo to their unique and excellent electronic and optical properties, which make them an extremely promising semiconductor for light-emitting and display applications. Furthermore, the nonmagnetic perovskite can be semi magnetic semiconductor by incorporating magnetic impurities into lattices of the host perovskite to introduce magnetic properties. The coexistence of both excellent optoelectronic and magnetic properties, makes semi magnetic 2D perovskite to be a considerably promising material for opto-spintronic semiconductor devices for information processing and communications.In this thesis, we explore the electronic and optical properties of 2D perovskites via magneto-optical spectroscopy. We start from performing magneto-photoluminescence (PL) and magneto-transmission measurements on CsPbBr3-based nanoplatelets with a different thickness of the lead-halide slab, ranging from 2 to 4 layers of lead-halide octahedral plane. By applying in-plane magnetic fields up to 65 T, the optically inactive dark excitonic state is brightened. This approach allows us to directly observe an improvement of the PL emission on the low-energy side of the PL spectrum, which indicates that the optically inactive dark excitonic state is the lowest-lying state in these nanoplatelets. Additionally, combining our magneto-PL and magneto-transmission results with theoretical predictions of the exciton fine structure splitting, we accurately determine the energy splitting between the dark and bright excitons. We demonstrate that indeed the dark-bright exciton splitting increases with decreasing layers of lead-halide octahedral plane. We also demonstrate that the efficient emission from these nanoplateltes is due to a phonon bottleneck effect, which significantly reduces the relaxation of the photo excited excitons to the optically inactive dark state.Finally, we investigate the electronic properties of Mn-doped 2D (PEA)2PbI4 perovskite via magneto-transmission spectroscopy for various Mn molar fractions. We find that the exciton Lande g-factor can be controlled by the incorporated Mn concentration. With increasing Mn concentration x from 0 to 2%, the g-factor increases, which we attribute to the sp-d exchange interaction between band-edge excitons and spins hosted in Mn ions. If the Mn concentration is increased further, up to 5%, the exciton g-factor decreases. This anomalous counter-trend is attributed to the Mn-Mn interactions, which result in an effective anti-ferromagnetic coupling

Les cellules photovoltaïques et les diodes électroluminescentes pérovskites requièrent des couches d'injection/extraction de charges, qui sont cruciales pour plusieurs processus importants régissant les performances et la durée de vie. Bien que des études intensives aient été consacrées au développement de couches interfaciales innovantes de type p, des matériaux présentant des propriétés hautement ajustables et une stabilité photochimique élevée restent très recherchés. Cette thèse explore l’utilisation d’oxydes pérovskites comme couches d’interface pour des applications optoélectroniques en raison de leurs propriétés ajustables et de leur stabilité en conditions ambiantes. Des couches minces d’oxydes de pérovskites de type SrTi0.7Fe0.3O3-δ (STFO) sont utilisées comme couches d'extraction ou d'injection de charge pour les cellules solaires et les diodes électroluminescentes à base de pérovskites halogénées. En utilisant la technique de dépôt par laser pulsé (PLD), des couches minces STFO hautement cristallines ont été déposées sur des substrats en verre/FTO à des températures relativement modérées (<400 °C) par rapport aux techniques de dépôt traditionnelles. Des post-traitements thermiques, soit par traitement thermique rapide (RTP), soit par recuit thermique conventionnel (TA), ont été utilisés dans le but d’améliorer la plus grand cristalline des films polycristallins et pour ajuster leurs propriétés optiques et électroniques. Lorsqu'ils sont déposés sur la pérovskite d’oxyde, les couches d'halogénure de pérovskite de type FA0.85Cs0.15Pb(I0.85Br0.15)3 (adaptées à la conversion d'énergie photovoltaïque PV) présentent des tailles de grains plus grandes et un meilleur ordre cristallin par rapport à des films similaires déposés sur une couche interfaciale de type p de référence telle que le PEDOT:PSS commercial. De plus, la présence de l'oxyde a entraîné une nette réduction de la phase de pérovskite halogénée optiquement inactive, illustrant l’impact positif de la couche d’oxyde pérovskite sous-jacente. Les couche de STFO recuites (RTP et le TA) induisent par ailleurs une plus grande durée de vie de l’exciton dans la couche active par rapport au PEDOT :PSS. De façon similaire, la cristallisation d’une pérovskite halogénée quasi-2D de type (PEA)2(MA)PbBr4 (adaptée à la fabrication de LED) sur des couches de STFO a été réalisée avec succès, conduisant à des propriétés similaires que pour des couches références déposées sur du PEDOT:PSS. Dans ce cas, la pérovskite quasi-2D déposée sur STFO a montré une durée de vie de l’exciton relativement longue. Bien que l'intégration de couches minces de STFO dans les deux types de dispositifs ait donné lieu à des performances limitées, ce travail démontre le fort potentiel de la classe des oxydes de pérovskites pour la création de dispositifs tout-pérovskite efficaces et stables
Halide organic-inorganic photovoltaics and light-emitting diodes require suitable charge injection/extraction layers, which are crucial for several important processes governing performance and lifetime. While intensive research has been devoted to developing innovative p-type interfacial layers, materials with highly tunable properties and high photochemical stability remain in demand. This thesis explores oxide perovskites as interlayers for optoelectronic applications due to their stable physical properties under ambient conditions. SrTi0.7Fe0.3O3-δ (STFO) oxide perovskite thin film is utilized as charge extraction/injection layers for planar halide perovskite solar cells and light-emitting diodes. Using pulsed laser deposition (PLD), highly crystalline STFO thin layers on glass/FTO substrates have been successfully processed at relatively moderate temperatures (<400 °C) as compared to traditional deposition techniques. Additional thermal treatments, either by rapid thermal processing (RTP) or conventional thermal annealing, have been applied to the oxide thin films to further improve the larger crystal of the polycrystalline layers, and to tune their optical and electronic properties. When deposited on top of the oxide perovskite, FA0.85Cs0.15Pb(I0.85Br0.15)3 halide perovskite layer (suitable for photovoltaic PV energy conversion) show larger grain sizes and better crystalline order than compared to similar films deposited on top of reference p-type interlayer such as commercial PEDOT:PSS. Furthermore, the presence of the oxide resulted in a clear reduction of the fraction of optically inactive halide perovskite phase. This observation suggests that the perovskite interlayer positively impacts the growth mechanism of the halide perovskite active layer. Finally, annealed STFO layers induce longer exciton lifetime in the halide perovskite active layer, compared PEDOT:PSS. Similarly, the crystallization of the (PEA)2(MA)PbBr4 quasi-2D perovskite (suitable for light-emitting LED applications) on STFO layers was found to be of high quality, leading to comparable properties of layers deposited on top of classical PEDOT:PSS. Moreover, quasi-2D perovskite on STFO showed quite a long exciton lifetime. Although STFO thin films integrated into both halide perovskite PV and LED devices have conducted to limited performance, this work demonstrates the high potential of oxide perovskites towards efficient and stable all-perovskite devices

Ce travail de thèse se concentre sur l'étude des modèles de type drift-diffusion. Des approches sont développées pour la modélisation de la Microscopie à sonde de Kelvin, des cellules solaires à base de matériaux pérovskites (PSCs), des cellules solaires tandem de type pérovskite/silicium et des îlots quantiques lll-V/GaP. Tout d'abord, l'approche de la modélisation de la sonde de Kelvin est examinée pour la surface de TiOx et l'absorbeur pérovskite MAPbI3 Ensuite, des mesures avec sonde de Kelvin et des simulations sont proposées pour des jonctions diffuses à base de silicium et pour des PSCs à base de TiOx mésa poreux. Les variations du potentiel interne sont étudiées ouvrant la voie à une amélioration supplémentaire des dispositifs. L'influence de l'état de surface des couches wo. sur des mesures à sonde de Kelvin est étudiée théoriquement. Différents facteurs à l'origine des pertes de tension de circuit ouvert (Voc) des PSCs sont discutés. L'effet anormal d'hystérésis dans les PSCs est également simulé, en tenant compte des étals de pièges d'interface et des ions mobiles. En outre, le design de cellules solaires tandem 2T pérovskite/silicium est étudié en détails. Une jonction tunnel à base de silicium entre les deux sous-cellules supérieure et inférieure est proposée pour assurer le bon fonctionnement des cellules en série. L'influence du profil de dopage dans la jonction tunnel est discutée. Au final, le transport des porteurs dans les îlots quantiques III-V/GaP est étudié dans le cadre plus général de l'intégration d'émetteurs lll-V sur silicium. Les caractéristiques électroluminescentes et électriques de ces structures sont simulées dans une approximation cylindrique
This PhD work focuses on optoelectronic device simulations based on drift-diffusion models. Approaches are developed for the modelling of Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), perovskite-based solar cells (PSCs), perovskite/silicon tandem solar cells and lll-V/GaP quantum dots (ODs). Firstly, a new approach for the modelling of KPFM is applied to TiOx slabs and to the MAPbI3 perovskite absorber. Secondly, KPFM measurements and simulations are proposed for silicon-based diffused junctions and mesoporous TiOx based PSCs. The built-in potential is investigated, and this study paves the way toward fu rther device improvements. In addition, the influence of the surface of WO. slabs on KPFM measurements is studied theoretically. Various facto rs influencing open circuit voltage (Voe) losses in PSCs are discussed. The abnormal hysteresis effect in the PSCs is simulated as well, considering interface trap states and mobile ions. The design of two-terminal perovskite/silicon tandem solar cells is studied in detail. A siliconbased tunnel junction between the top and the bottom subcells is proposed for serial current matching. The influence of the doping profile in the tunnel junction is discussed. At the end of the manuscript, the carrier transport in III-V/GaP QDs is investigated, for the integration of III-V emitters on silicon. The electroluminescence and electrical characteristics of these III -V light emitting devices are simulated by using a cylindrical approximation