Thèse Croissance-Structure-Propriétés des Couches Minces des Pérovskites Halogénées une Approche Multi Technique Basée sur un Suivi en Temps Réel du Dépôt Sous l'Ultra-Vide H/F - 75

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay
Direction de la thèse : Elena Magdalena STAICU CASAGRANDE ORCID 0000000194195483
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Les pérovskites hybrides organiques-inorganiques (HPero) de la famille XPbI3 (où X = CH3NH3, HC(NH2)2) ont permis une avancée majeure dans le domaine du photovoltaïque. En quelques années seulement, les cellules solaires à couches minces HPero ont atteint un rendement de conversion énergétique (ECE) de 27 %, comparable à celui du silicium monocristallin. Ces développements ont révélé des questions fondamentales fascinantes et complexes telles que les mécanismes de dégradation, la relation entre la morphologie et les propriétés, les effets polaroniques, la dynamique de cristallisation, etc. Les couches HPero produites à partir d'une solution (voie humide) sont polycristallines ; leurs défauts (joints de grains, lacunes) contribuent à leur instabilité, les rendant non viables commercialement. L'évaporation sous vide, qui permet un meilleur contrôle du processus de croissance, pourrait représenter une alternative au procédé par voie humide.
Pratiquement toutes les études sur le dépôt sous vide de couches HPero ont été réalisées sous vide poussé (10-7 à10-5 mbar). Dans ces conditions, la prédominance de la vapeur d'eau devrait influencer le processus de croissance. L'originalité de notre approche consiste à produire des couches de XPbI3 sous ultra-vide (pressions inférieures à 10-8 mbar, afin de garantir la pureté des couches) en exploitant les techniques de caractérisation les plus sensibles pour accéder aux propriétés des films à l'échelle nanométrique, en relation avec les paramètres de dépôt. La croissance est caractérisée en temps réel à l'aide d'un outil analytique développé à l'ISMO appelé GIFAD (Grazing Incidence Fast Atom Diffraction). Nos travaux préliminaires ont mis en évidence les difficultés liées à l'environnement sous ultra-vide, où l'absence d'eau semble réduire considérablement l'efficacité de production de la couche HPero.
Les premiers résultats ont été obtenus très récemment avec des couches ultrafines de MAPbI3 (CH3NH3PbI3) par co-évaporation de MAI (CH3NH3I) et PbI2. La première étape du stage consistera à augmenter l'épaisseur de ces couches tout en préservant leur cristallinité, puis à vérifier l'impact d'une bonne qualité structurelle sur leurs propriétés optiques et leur stabilité. Plusieurs outils analytiques, disponibles à l'ISMO ou chez nos partenaires (GEMAC@UVSQ, LuMIn@ENS Paris-Saclay), seront ensuite utilisés pour caractériser les propriétés structurelles, vibrationnelles et optoélectroniques des couches développées. De plus, la dégradation de ces couches sous atmosphère contrôlée (H20, O2) sera étudiée en corrélant les propriétés structurelles fournies par le GIFAD et la nature des espèces désorbées identifiées par spectrométrie de masse.
Ce projet, financé par l'ANR, est une collaboration entre l'ISMO, le LUMIN (ENS-Paris-Saclay) et le GEMAC (Université Versailles Saint-Quentin).

De nombreux domaines applicatifs requièrent des héterostructures hybrides dans lesquels l'interface présente une grande qualité cristalline. Cette propriété permet en particulier d'améliorer le transport de charge à l'interface.

Décrire, comprendre te contrôler la qualité structurale des couches minces moléculaires

L'approche originale consiste à utiliser notre nouvelle technique, GIFAD, développée à l'ISMO et exploitant le caractère ondulatoire d'atomes d'hélium d'énergie proche du keV. Gifad permet de sonder de manière très sensible et en temps réel les propriétés topographiques et cristallines d'une surface. Son caractère non destructif la rend particulièrement bien adaptée à l'étude des matériaux fragiles. Outre la spectrométrie de masse, d'autres outils capables d'opérer en temps réel seront développées.