Diodes électroluminescentes à base de pérovskites hybrides quasi-2D

Abstract

Cette thèse a pour objet l’étude de diodes électroluminescentes à base de pérovskites (PeLEDs). Cette technologie récente (premiers résultats à température ambiante en 2014) semble prometteuse avec des efficacités de conversion approchant déjà celles de technologies plus matures (notamment les OLEDs). L’objectif du projet est donc d’identifier les verrous à débloquer pour fabriquer des PeLEDs efficaces. Les recherches se sont orientées vers une structure de dimension réduite, la pérovskite quasi-2D PEA2(FAPbBr3)n-1PbBr4, permettant de confiner les porteurs de charge et d’augmenter les probabilités de recombinaisons radiatives comparé aux structures 3D. La première partie des recherches a ainsi été consacrée à l’optimisation de la couche active pérovskite, en ajustant à la fois sa composition et ses conditions de dépôt. Une efficacité en courant maximale de 42,0 cd/A (efficacité quantique externe de 9,6%) a ainsi été obtenue. Cependant, des problèmes de reproductibilité inhérents à cette technologie sont apparus sur ces dispositifs. Différents paramètres influençant la cristallisation de la couche de pérovskite ont aussi été identifiés. La couche sous-jacente à la pérovskite lors de son dépôt a un impact important sur sa cristallinité, induisant des comportements différents d’apparition et d’évolution de phases quasi-2D de dimensions variées. Il a aussi été montré que l’étape d’anti-solvant, permettant d’accélérer la cristallisation de la pérovskite en injectant un solvant pendant l’étalement de cette couche, est très critique dans ce système quasi-2D. Le développement d’un équipement d’injection automatisée a permis d’améliorer le contrôle de cette étape, et d’étudier finement l’effet du temps d’ajout d’anti-solvant sur la morphologie et les performances des dispositifs. Son utilisation a révélé une fenêtre de procédé optimale pour ces PeLEDs de l’ordre de 0,5 s, soulignant l’intérêt d’automatiser cette étape. Par ailleurs, l’observation d’un motif d’émission singulier sur des PeLEDs composées d’une bicouche PEDOT:PSS/pérovskite a permis de révéler un dopage du polymère par la couche active, sa conductivité électrique étant considérablement augmentée de 0,2 à 20 S/cm suite à la diffusion de certains précurseurs pérovskite dans le PEDOT:PSS. Cette diffusion a été confirmée notamment par des analyses élémentaires en profondeur (ToF-SIMS), estimant uneprofondeur de diffusion des précurseurs dans le PEDOT:PSS de l’ordre de 150 nm. Ce phénomène de dopage a été étendu à plusieurs pérovskites, à divers grades de PEDOT:PSS et à d’autres couches de transport (HTLs), le PTAA et le poly-TPD. Les implications sur les dispositifs optoélectroniques (PeLEDs et cellules solaires pérovskites) ont été évaluées, dévoilant un risque de surestimation de leurs performances. Enfin, l’impact de l’HTL sur les dispositifs PeLEDs a été discuté. En fonction de l’HTL utilisée, des problèmes de reproductibilité de dépôt de la couche de pérovskite, dus à une mouillabilité variable, ainsi qu’une fluctuation des dynamiquesde fluorescence ont été observés. Le remplacement du PEDOT:PSS par une couche de poly-TPD a finalement permis une amélioration substantielle des performances des PeLEDs avec une efficacité en courant maximale de 43,6 cd/A.