Les systèmes photovoltaïques à base de pérovskites métalliques halogénées (MHP) constituent l'une des voies les plus prometteuses pour dépasser les limites de performance des cellules silicium actuelles, notamment grâce à leur intégration au sein de structures tandems silicium/pérovskite. Cependant, les matériaux MHP souffrent de limitations importantes en matière de stabilité, d'origines intrinsèques et extrinsèques. Parmi ces dernières, l'humidité est l'un des agents de dégradation les plus critiques pour la majorité des systèmes MHP. Or, les solutions d'encapsulation standards développées pour les technologies silicium (usuellement des revêtements polymères surmontés de capots de verre), s'avèrent inadaptées pour protéger durablement ces dispositifs : la faible résistance du polymère à la perméation autorise une diffusion latérale trop importante de l'humidité. Dans ce contexte, des approches d'encapsulation par dépôt de couches minces nanolaminées ont émergé, offrant des propriétés ultra-barrières élevées (taux de transmission de vapeur d’eau (WVTR) de l’ordre de 10-4 à 10-6 g.m-2d.-1) tout en restant transparentes et potentiellement flexibles selon les matériaux employés.

Cette thèse de doctorat s'attache à déterminer des critères de sélection de matériaux barrières et flexibles déposés par dépôt de couches atomiques temporel (ALD, Atomic Layer Deposition) et spatial (SALD, Spatial Atomic Layer Deposition), destinés à l'encapsulation couche mince de systèmes photovoltaïques à base MHP. Ces méthodes ont notamment l’avantage d’être déployable sur grandes surfaces (m²), et de pouvoir garantir des températures de dépôts inférieures à 100 °C, prévenant des dégradations thermiques des systèmes MHP. Une étude approfondie de plusieurs matériaux candidats, principalement des oxydes métalliques et matériaux hybrides organiques-inorganiques déposés par ALD-MLD (dépôts de couches moléculaires), est menée afin de caractériser leurs propriétés physico-chimiques clés : propriétés mécaniques, résistance à la perméation des gaz (hélium, plus rapide à mesurer et représentatif, et vapeur d'eau), et présence de défauts de vide traversants susceptibles de compromettre les performances barrières.

Un axe spécifique de ce travail porte sur l'étude des défauts de vide traversants comme les pinholes au sein des couches minces ALD. Une méthode de détermination de ces défauts par voie électrochimique, adaptée de travaux bibliographiques, permet une caractérisation sensible et quantitative de la densité surfacique de défauts présents dans les couches barrières.

 

Par ailleurs, des modèles de simulation tridimensionnelle (3D) de la perméation des gaz au sein d'architectures multicouches nanolaminées sont proposés. Réalisés par la méthode des éléments finis, ces modèles permettent une prédiction plus précise et plus réaliste du transport des espèces gazeuses à travers les empilements couches minces que les approches analytiques unidimensionnelles (1D) classiques, en tenant compte de la géométrie réelle des défauts et de l'architecture multicouche.

Enfin, les matériaux et architectures les plus performants identifiés au cours de ces travaux sont mis en œuvre pour réaliser des encapsulations couches minces directement sur des dispositifs photovoltaïques à base MHP. La stabilité des dispositifs ainsi encapsulés est évaluée au moyen de tests de vieillissement accélérés, permettant d'apprécier l'efficacité réelle des solutions d'encapsulation développées dans des conditions représentatives des contraintes environnementales d'usage.

 

L'ensemble de ces travaux contribue ainsi à la compréhension des mécanismes de perméation dans les systèmes d’encapsulation multicouches, et propose une démarche intégrée depuis la sélection des matériaux jusqu'à l’application sur dispositif, pour le développement d'encapsulations couches minces performantes, transparentes et flexibles, adaptées aux exigences des technologies photovoltaïques émergentes à base de pérovskites.

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