Printed electronics prototyping of flexible optoelectronic methylammonium trihalide perovskite-based devices

Trudeau, Charles (2021). Printed electronics prototyping of flexible optoelectronic methylammonium trihalide perovskite-based devices. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The field of printable electronics has become very extensive in recent years, with applications ranging from high volume photovoltaic device fabrication to organic field-effect transistors and organic light-emitting diodes. Existing printed electronics technologies, such as inkjet printing, gravure printing, and aerosol jet printing have been used in conventional printing for decades. It is recent advances in functional materials and ink formulations which have allowed these technologies to be used for electronic device fabrication. One of the main advantages of printable electronics when compared to conventional device fabrication techniques is the relatively low cost and high throughput for large surface deposition. One of the main application markets for low-cost flexible devices is for the internet of things, in which there is a growing need for these devices, for communication and data acquisition purposes at a massive scale. Moreover, there is a real need to switch from current non-renewable energy sources to more renewable and ecological sources of energy such as solar, wind and nuclear energy. The massive production of flexible low-cost photovoltaic devices could be a partial answer to this need, as fabrication on flexible substrates not only lowers device weight and transport costs but also increases the ease of solar cell installation.

One material of current interest for photovoltaic applications are perovskites, which can be solution processed, offer a range of adapted properties depending on their composition and have been shown to be especially efficient in harvesting solar energy. These materials are typically made in lab for research and development purposes, however, some formulations can now be found commercially. The commercial development of these materials is one of the driving forces for the work performed in this thesis. In this work, a study of the feasibility of fabricating active devices with these commercial perovskite formulations, using printed electronic methods, is proposed. More specifically, inkjet printing is used to print flexible active optoelectronic devices using commercially available perovskite formulations. Multiple device architectures are studied for their fabrication feasibility using inkjet printing methods. Once the best suited architectures for device printing are identified, arrays of devices are printed to evaluate the feasibility of large-scale device fabrication. Two types of perovskitebased devices are fabricated; bolometers for smart building applications and flexible photovoltaic devices. The flexible bolometers offer great temperature sensing capabilities, with a TCR of up to 100 %/°C, within a limited temperature sensing range of 17 °C to 36 °C, these also show light switching behavior. The photovoltaic devices performances are rather limited, with an obtained maximum power conversion efficiency of 0.11 %, however this study proved their fabrication feasibility and offers optimization pathways to further enhance performances. Working photovoltaic device yields of up to 80 % are found, further demonstrating that printed electronic fabrication methods may be used for large scale flexible device fabrication.

Titre traduit

Prototypage en électronique imprimable de dispositifs flexibles optoélectroniques à base de pérovskite de trihalogénure de méthylammonium

Résumé traduit

Le domaine de l'électronique imprimable est devenu très étendu ces dernières années, avec des applications allant de la fabrication de dispositifs photovoltaïques à grand volume aux transistors à effet de champ organiques en passant par les diodes électroluminescentes organiques. Les technologies de l’électronique imprimable existantes, telles que l’impression à jet d’encre, l’impression héliogravure et l’impression par jet d’aérosol, sont utilisées dans l’impression conventionnelle depuis des décennies. Ce sont les progrès récents des matériaux fonctionnels et des formulations d’encre qui ont permis à ces technologies d’être utilisées pour la fabrication de dispositifs électroniques. L'un des principaux avantages de l'électronique imprimable par rapport aux techniques classiques de fabrication de dispositifs est son coût relativement bas et son débit élevé pour un dépôt en grande surface. L'un des principaux marchés d'applications des dispositifs flexibles à faible coût est celui de l'internet des objets, à des fins de communication et d'acquisition de données à grande échelle. En outre, il existe un réel besoin de passer des sources d'énergie non renouvelables actuelles aux sources d'énergie renouvelables et plus écologiques, telles que l'énergie solaire, éolienne et nucléaire. La production massive de dispositifs photovoltaïques flexibles à faible coût pourrait être une réponse partielle à ce besoin, car la fabrication sur des substrats flexibles réduit non seulement le poids de l'appareil et les coûts de transport, mais augmente également la facilité d'installation.

Les pérovskites constituent un matériau d’intérêt courant pour les applications photovoltaïques. Elles peuvent être traitées en solution et offrent une gamme de propriétés adaptées en fonction de leur composition et se sont révélées particulièrement efficaces pour la conversion de l’énergie solaire. Ces matériaux sont généralement fabriqués en laboratoire à des fins de recherche et de développement, mais certaines formulations commerciales peuvent maintenant être trouvées. Le développement commercial de ces matériaux est l’un des éléments moteurs du travail réalisé dans cette thèse. Dans ce travail, une étude de faisabilité de la fabrication de dispositifs actifs avec ces formulations commerciales de pérovskite, en utilisant des méthodes de l’électronique imprimée, est proposée. Plus spécifiquement, l’impression à jet d’encre est utilisée pour imprimer des dispositifs optoélectroniques actifs et flexibles à l’aide de formulations de pérovskite commerciales. Plusieurs architectures de dispositifs sont étudiées pour leur faisabilité de fabrication à l'aide de méthodes d'impression à jet d'encre. Une fois que les architectures les mieux adaptées pour l'impression de dispositifs sont identifiées, des matrices de dispositifs sont imprimées pour évaluer la faisabilité de la fabrication à grande échelle. Deux types de dispositifs à base de pérovskite sont fabriqués; un bolomêtre pour les applications de bâtiments intelligents et des dispositifs photovoltaïques flexibles. Les bolomêtres offrent de grandes capacités de détection de température, avec une valeur de TCR jusqu’à 100%/°C, dans une plage de détection de température limitée de 17 ° C à 36 °C, et indiquent également le comportement de commutation de la lumière. Les performances des dispositifs photovoltaïques flexibles sont plutôt limitées, avec un rendement de conversion de puissance maximal obtenu de 0,11%. Cependant, cette étude a prouvé la faisabilité de la fabrication de ces dispositifs et propose des voies d'optimisation pour améliorer encore les performances. Des rendements de dispositifs photovoltaïques jusqu’à 80% sont trouvés pour certaines voies de fabrication et d’architectures, démontrant ainsi que des méthodes de fabrication de l’électronique imprimées peuvent être utilisées pour la fabrication de dispositifs flexibles à grande échelle.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to Ecole de technologie supérieure in partial fulfillement for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 283-304).
Mots-clés libres:	électronique imprimable, pérovskite, dispositifs flexibles, couches minces
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Cloutier, Sylvain G.
Codirecteur:	Codirecteur Bolduc, Martin
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	17 févr. 2022 17:43
Dernière modification:	17 févr. 2022 17:43
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2905

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