Advanced characterization and modelling of innovative low-dimensional materials for solar cells applications

Abstract

(English) Energy transition keeps its course while new materials keep emerging promising better impact on environment. Among those materials, Q-1D chalco-halides materials using Bi and Sb, S, Se and I, Br, giving rise to wide combinations of materials. Most of them present the unique feature of a Pnma crystallographic structure allowing them to grow alongside one preferential direction, giving them optoelectronic properties highly seeked for PV applications, in particular for thin film solar cells. So far, Sb2Se3 has been the most investigated material within this class of material with an efficiency up until now of XX% in substrate configuration under AM1.5 spectrum illumination. Indeed, Sb2Se3 presenting the same crystallographic structure, is well-known within the PV community. However, despite having promising results over the past years, Sb2Se3-based solar cells reached a bottleneck in terms of efficiency. More generally, Q-1D chalco-halides materials either lack or do not have characterization data due to their recent emergence or re-emergence for some materials.

This thesis will intend to address Sb2Se3 bottlenecks and present some solutions to allow Sb2Se3-based and other Q-1D chalco-halides solar cells to reach new heights through device modelling, present advanced characterization results from other Q-1D chalco-halides materials such as BiSeBr & SbSeI. Finally, the use of a novel material: Ti3C2Tx MXenes as selective contact suitable for those absorbers is also presented in this thesis.

Firstly, a brief introduction of Sb2Se3 modelling parameters as well as BiSeBr & SbSeI results from by Raman spectroscopy and Time – Resolved Photoluminescence (TRPL) characterization are presented. A multi-wavelength investigation done by Raman spectroscopy coupled with novel Density Function Theory (DFT) are presented, giving information regarding the composition of the materials and the impact of the synthesis method for BiSeBr & SbSeI. Additionally, TRPL measurements highlighted the carriers’ dynamics and provide hints towards defects status of those materials. Altogether, this information helped to determine the potential of those new material as photo-absorber according to new figure of merit.

Secondly, an emphasis is put on the device modelling using SCAPS-1D software and previous references to generate a qualitative model of Sb2Se3/CdS solar cells in substrate configuration to then design 2 numerical solutions to tackle the current bottlenecks experienced by the PV community. Those numerical solutions enable Sb2Se3 devices to reach 10.7% in efficiency by either implementing an ultrathin Al2O3 oxide intercalated between Sb2Se3 and CdS or operating a partial surface sulfurization on Sb2Se3 layer. Then, a simplified structure including only BiSeBr and 2 selective contacts was generated to pinpoint requirements from an electrical point of view. Although, due to software limitations, optical consideration is lacking to determine accurately suitable selective contacts, first approximations were determined through those simulations.

Lastly, we develop the use of another novel material: MXenes Ti3C2Tx as a potential selective contact for Sb2Se3-based solar cells. Besides their wide range of deposition techniques and application, MXenes properties can be modulated alongside their synthesis. Initially, we perform materials characterization through Raman spectroscopy and X-Rays Diffraction (XRD) while changing intercalating agent and post deposition treatment (PDT) parameters to highlight this modulating feature. Then, we synthetized devices with Ti3C2Tx as hole transport layer (HTL) and Sb2Se3 as absorber. To improve carrier extraction, Se was incorporated on Ti3C2Tx layer under different PDT configurations. While PV performances were still poor compared to reference device without Ti3C2Tx some parameters presented some improvements upon Se incorporation onto Ti3C2Tx surface.

(Català) La transició energètica segueix el seu curs mentre emergeixen nous materials amb un millor impacte ambiental. Entre aquests, els chalco-halurs Q-1D, que utilitzen Bi, Sb, S, Se i I, Br, ofereixen àmplies combinacions. La majoria presenten una estructura cristal· logràfica Pnma, que els permet créixer en una direcció preferencial, donant-los propietats optoelectròniques desitjades per a cèl· lules solars de pel·lícula fina. Fins ara, el Sb2Se3 és el material més investigat d’aquesta classe, amb una eficiència del 10,7% en configuració de substrat sota il·luminació AM1.5. Malgrat els avenços, les cèl·lules basades en Sb2Se3 han arribat a un coll d’ampolla en termes d’eficiència. En termes més generals, els chalco-halurs Q-1D manquen de dades de caracterització per la seva recent aparició. Aquesta tesi aborda els colls d’ampolla del Sb2Se3 i presenta solucions per permetre que les cèl·lules solars basades en Sb2Se3 i altres chalco-halurs Q-1D aconsegueixin millors rendiments mitjançant la modelització de dispositius i la caracterització avançada de materials com BiSeBr i SbSeI. També es presenta l’ús d’un nou material, MXenes Ti3C2Tx, com a contacte selectiu per a aquests absorbidors. S’ofereix una introducció als paràmetres de modelització del Sb2Se3, i es presenten resultats de BiSeBr i SbSeI obtinguts mitjançant espectroscòpia Raman i fotoluminescència resolta en el temps (TRPL). Una investigació multionda realitzada per Raman, juntament amb la Teoria del Funcional de la Densitat (DFT), ofereix informació sobre la composició dels materials i l’impacte de la síntesi en BiSeBr i SbSeI. Les mesures de TRPL van destacar la dinàmica dels portadors i van donar pistes sobre els defectes d’aquests materials, cosa que va ajudar a avaluar el seu potencial com a foto-absorbidors segons una nova figura de mèrit. S’emfatitza la modelització de dispositius utilitzant SCAPS-1D i referències prèvies per generar un model qualitatiu de cèl·lules solars Sb2Se3/CdS en configuració de substrat. Posteriorment, es van dissenyar dues solucions numèriques per superar els colls d’ampolla: una capa ultrafina d’òxid d’Al2O3 intercalada entre Sb2Se3 i CdS, o una sulfuració parcial de la capa de Sb2Se3. Es va crear una estructura simplificada amb BiSeBr i dos contactes selectius per identificar els requisits elèctrics, i tot i que les limitacions del programari van impedir considerar amb precisió els contactes selectius òptics, es van determinar les primeres aproximacions. Finalment, es va desenvolupar l’ús de MXenes Ti3C2Tx com a contacte selectiu en cèl·lules solars basades en Sb2Se3. A més de les tècniques de deposició i aplicació, les propietats dels MXenes es poden modular segons la seva síntesi. Inicialment, es va realitzar la caracterització mitjançant espectroscòpia Raman i difracció de raigs X (XRD), variant l’agent intercalant i els paràmetres del tractament post-deposició (PDT) per destacar la seva capacitat de modulació. Posteriorment, es van sintetitzar dispositius amb Ti3C2Tx com a capa de transport de forats (HTL) i Sb2Se3 com a absorbidor. Per millorar l’extracció de portadors, es va incorporar Se a la capa de Ti3C2Tx sota diferents configuracions de PDT. Tot i que les prestacions fotovoltaiques encara eren baixes en comparació amb el dispositiu de referència sense Ti3C2Tx, alguns paràmetres van mostrar millores després de la incorporació de Se a la superfície de Ti3C2Tx.

(Español) La transición energética sigue su curso mientras emergen nuevos materiales con un mejor impacto ambiental. Entre ellos, los chalco-halógenos Q-1D, que usan Bi, Sb, S, Se e I, Br, ofrecen amplias combinaciones. La mayoría presentan una estructura cristalográfica Pnma, que les permite crecer en una dirección preferencial, dándoles propiedades optoelectrónicas deseadas para celdas solares de película delgada. Hasta ahora, el Sb2Se3 es el material más investigado de esta clase, con una eficiencia del 10.7% en configuración de sustrato bajo iluminación AM1.5. A pesar de los avances, las celdas basadas en Sb2Se3 han alcanzado un cuello de botella en eficiencia. Más en general, los chalco-halógenos Q-1D carecen de datos de caracterización por su reciente aparición.Esta tesis aborda los cuellos de botella del Sb2Se3 y presenta soluciones para que las celdas solares basadas en Sb2Se3 y otros chalco-halógenos Q-1D alcancen mejores rendimientos mediante la modelización de dispositivos y la caracterización avanzada de materiales como BiSeBr y SbSeI. También se introduce el uso de un nuevo material, MXenes Ti3C2Tx, como contacto selectivo para estos absorbentes.Se ofrece una introducción a los parámetros de modelización del Sb2Se3, y se presentan resultados de BiSeBr y SbSeI obtenidos mediante espectroscopía Raman y fotoluminiscencia resuelta en el tiempo (TRPL). Una investigación multionda realizada por Raman, acoplada con Teoría del Funcional de la Densidad (DFT), ofrece información sobre la composición de los materiales y el impacto de la síntesis en BiSeBr y SbSeI. Las mediciones de TRPL resaltaron la dinámica de los portadores y dieron pistas sobre los defectos de estos materiales, lo que ayudó a evaluar su potencial como foto-absorbedores según una nueva figura de mérito.Se pone énfasis en la modelización de dispositivos usando SCAPS-1D y referencias previas para generar un modelo cualitativo de celdas solares Sb2Se3/CdS en configuración de sustrato. Luego, se diseñaron dos soluciones numéricas para superar los cuellos de botella: una capa ultrafina de óxido de Al2O3 intercalada entre Sb2Se3 y CdS, o una sulfurización parcial de la capa de Sb2Se3. Se creó una estructura simplificada con BiSeBr y dos contactos selectivos para identificar los requisitos eléctricos, aunque las limitaciones del software impidieron considerar con precisión los contactos selectivos ópticos, se determinaron primeras aproximaciones.Finalmente, se desarrolló el uso de MXenes Ti3C2Tx como contacto selectivo en celdas solares basadas en Sb2Se3. Además de sus técnicas de deposición y aplicación, las propiedades de los MXenes pueden modularse según su síntesis. Inicialmente, se realizó la caracterización mediante espectroscopía Raman y difracción de rayos X (XRD), variando el agente intercalante y los parámetros del tratamiento post-deposición (PDT) para resaltar su capacidad de modulación. Posteriormente, se sintetizaron dispositivos con Ti3C2Tx como capa de transporte de huecos (HTL) y Sb2Se3 como absorbedor. Para mejorar la extracción de portadores, se incorporó Se en la capa de Ti3C2Tx bajo diferentes configuraciones de PDT. Aunque las prestaciones fotovoltaicas fueron aún bajas en comparación con el dispositivo de referencia sin Ti3C2Tx, algunos parámetros mostraron mejoras tras la incorporación de Se en la superficie de Ti3C2Tx.