Vers une compréhension des propriétés de transport électronique des cellules solaires basées sur les pérovskites hybrides – TRANSHYPERO

TRANSHYPERO vise à l'inspection théorique des propriétés diélectriques ainsi que de transport des électrons et trous dans les cellules solaires basées sur des pérovskites hybrides organique/inorganique (HOP).

Bien que les HOP soient connues depuis plusieurs décennies, ce n'est que récemment que leurs performances dans le photovoltaïque (PV) ont été découvertes. Ainsi, les rendements de conversion de l'énergie solaire en électricité sont passés de 3,8% en 2009 à plus de 20% en 2015. De plus, ces matériaux sont aisément produits (à basse température et en solution) et présentent donc de bas coûts de production qui permettraient d'amener l'énergie solaire à la parité tarifaire dans les 5 années, suivant le scénario le plus favorable de l'European photovoltaic industry association (EPIA). Néanmoins, un tel développement ne sera possible que si deux problèmes majeurs sont résolus. D'abord la durée de vie des HOP en fonctionnement est bien trop faible à comparer aux 35 années de durée de vie attendues. De plus, les cellules HOP actuelles les plus efficaces contiennent du plomb, et donc un risque non nul dans le cas de fuites. Afin de dépasser ces verrous technologiques, il est nécessaire d'avoir une meilleure compréhension des surprenantes performances de ces nouvelles cellules solaires. En effet, les HOP présentent non seulement une absorption large et efficace sur le spectre solaire mais aussi une mobilité de charges très importante.

Trois objectifs à atteindre sont définis ici. Le premier objectif vise à résoudre les structures et structures électroniques d'interfaces multiples de HOP avec des couches et/ou des contacts sélectifs. La sélection de matériaux adaptés profitera de notre collaboration en cours avec les expérimentateurs du Los Alamos National Laboratory (LANL), qui développent des cellules, ainsi que de l'expérience acquise sur les HOP à Rennes entre l'Institut des Sciences Chimiques de Rennes et le laboratoire FOTON (INSA Rennes). Puis, les propriétés diélectriques des HOP et de structures incluant des HOP seront simulées. Enfin les propriétés de transport seront calculées pour les cellules complètes grâce à l'expérience du coordinateur dans la simulation du transport électronique. Nos collaborateurs du LANL apporteront également leur expertise complémentaire sur le traitement théorique des phénomènes hors-équilibre.

Ce projet ambitieux exige une implication importante du coordinateur recruté récemment, mais aussi l'expertise de C. Katan dans le domaine des HOP. De plus, afin de venir à bout de ce défi, des moyens humains sont indispensables (postdoctorant), ainsi que le support financier pour entretenir la collaboration avec le LANL. TRANSHYPERO nait de la conjonction de l'expertise rennaise établie dans la physique des HOP et de l'arrivée d'un jeune chimiste théoricien spécialiste des simulations de transport dans les semiconducteurs et répond donc aux ambitions du programme JCJC qui encourage l'émergence de projets indépendants portés par de jeunes chercheurs au sein de l'équipe à laquelle il appartient.

Les retombées attendues pour TRANSHYPERO profiteront bien entendu à la communauté du PV et des HOP. L'approche développée vise à être transposable à tout type de semiconducteurs et devrait également avoir des répercussions sur la chimie et la physique de l'état solide. De plus, c'est l'occasion de former les futurs chimistes théoriciens à des approches intégrant la réalité des dispositifs et donc de les préparer au mieux à répondre aux défis sociétaux.