Le développement d’oxydes de pérovskites est une expertise phare à Limoges, pour de multiples applications innovantes. Pourtant, l’utilisation d’oxydes de pérovskites pour les composants optoélectroniques, comme par exemple les cellules photovoltaïques, est restée assez peu développée jusqu’à présent. La combinaison des savoir-faire de l’IRCER (développement des matériaux) et de l’institut XLIM (intégration de ces derniers dans des composants optoélectroniques) a récemment permis leur utilisation en tant que couches d’interfaces au sein de cellules solaires de troisième génération, elles-mêmes basées sur une couche active pérovskite halogénées (non oxyde).

Une cellule solaire est un assemblage de couches qui permet de convertir efficacement l’énergie lumineuse en électricité. La structuration des couches est établie de sorte à permettre l’extraction des charges photo-générées dans la couche active (par absorption de la lumière) via l’utilisation de couches d’interfaces spécifiques placées entre les électrodes et l’absorbeur, et qui permettent le drainage efficace des porteurs et la génération de courant électrique.  Les cellules solaires pérovskites ont la particularité d’utiliser une pérovskite halogénées en tant que couche active, et elles démontrent aujourd’hui des rendements de conversion de puissance de plus de 26%, ce qui les rend compétitives avec le silicium. Dans ce cas précis, il est alors judicieux de remplacer les couches d’interface par des oxydes de pérovskites, qui ont l’avantage de présenter la même structure que la couche active, ce qui favorise les interactions entre les deux matériaux. S’il existe plusieurs familles de pérovskites, les travaux de recherche entre l’IRCER et XLIM se sont focalisés sur une famille appelée « CaTi_1-yFe_y O_3-δ » en raison de sa bonne transparence (nécessaire pour laisser passer la lumière vers la couche active) et de sa bonne conductivité électrique (nécessaire pour extraire un courant important).

En effet, les films d’oxyde pérovskite CaTi_1-yFe_y O_3-δ sont des candidats prometteurs pour les couches d’interfaces de cellules solaires, mais aussi de diodes électroluminescentes (LED), car elles sont stables et robustes, ce qui est un atout pour la durée de vie des dispositifs. L’impact des substitutions atomiques de titane par du fer sur les propriétés électriques et optiques des films de pérovskite CaTi_0.5Fe_0.5O_3-δ a été étudié et a permis d’établir le meilleur compromis entre un coefficient de transmission élevé et une conductivité électrique appropriée pour l’application

Ces travaux sont actuellement menés dans le cadre de la thèse de Ceren Yildirim, cofinancée par le LABEX ∑-LIM et la Région Nouvelle-Aquitaine, avec pour principal défi de finaliser l’intégration dans un dispositif et ainsi de réaliser une preuve de concept. De nombreuses perspectives peuvent être envisagées à ce travail, en modulant par exemple les propriétés physiques des oxydes via leur composition, ou en associant à ces interfaces de nouveaux matériaux absorbeurs ou émetteurs de lumière.

Légende. Images de microscopie électronique à balayage (MEB) d’une coupe transversale d’un film mince d’oxyde de pérovskite de type CaTi1-yFey O3-δ, élaboré par dépôt laser pulsé. Le dépôt, d’une épaisseur de 100nm, est réalisé sur une couche transparente conductrice d’oxyde d’étain dopé au fluor (FTO, épaisseur de 200 nm), utilisé comme électrode transparente.

Informations relatives à la publication

Journal : Materials, 2022

Volume : 15

Numéro : 6533

Article: Electrical and Optical Properties of CaTi1−yFeyO3−δ Perovskite Films as Interlayers for Optoelectronic Applications

Auteurs : by Ceren Yildirim, Fabien Devoize, Pierre-Marie Geffroy, Frédéric Dumas-Bouchiat, Johann Bouclé and Sylvain Vedraine
Lien : https://www.mdpi.com/1996-1944/15/19/6533