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Les propriétés physico-chimiques d'un nanocristal semi-conducteur sphérique, intermédiaires entre la molécule et le solide, dépendent de sa taille. Empilés ou dispersés, ces nanocristaux sont les briques architecturales de nouveaux matériaux fonctionnels aux propriétés ajustables, en particulier pour l’optoélectronique. Cette thèse s'inscrit dans le développement de ces nouveaux matériaux et présente avant tout une méthodologie pour la simulation du transport électronique dans un solide à nanocristaux en régime de faible couplage électronique appliquée à des nanocristaux de silicium dans une matrice de SiO2 pour les applications photovoltaïques. La cinétique du déplacement des porteurs est liée au taux de transfert tunnel (hopping) entre nanocristaux. Ces taux sont calculés dans le cadre de la théorie de Marcus et prennent en compte l'interaction électron-phonon dont l'effet du champ de polarisation dans la matrice ainsi que les interactions électrostatiques à courte et longue portée. Le calcul des états électroniques (électrons et trous) en théorie k.p associé à l'utilisation de la formule de Bardeen donne au code la capacité, par rapport à la littérature, de fournir des résultats (mobilité ou courant) en valeur absolue. Les résultats de mobilité ainsi obtenus pour des empilements cubiques idéaux viennent contredire les résultats de la littérature et incitent à considérer d'autres matériaux notamment en ce qui concerne la matrice pour obtenir de meilleurs performances. En outre, les résultats de simulation de dispositifs montrent l'impact considérable des électrodes sur les caractéristiques courant-tension. Aussi, un nouvel algorithme Monte-Carlo Cinétique accéléré a été adapté afin de pouvoir reproduire le désordre inhérent à la méthode de fabrication tout en maintenant un temps de simulation raisonnable. Ainsi l'impact du désordre en taille se révèle faible à température ambiante tandis que les chemins de percolation occultent la contribution des autres chemins de conduction. Des résultats de caractérisation comparés aux simulations tendent par ailleurs à indiquer que ces chemins peuvent concentrer les porteurs et exhiber un phénomène de blocage de coulomb. Enfin, la section efficace d'absorption est calculée théoriquement et permet d'obtenir le taux de génération sous illumination qui se révèle proche du silicium massif. Et une méthode en microscopie à sonde de Kelvin est décrite pour caractériser la durée de vie des porteurs c'est-à-dire le taux de recombinaison, les résultats ainsi obtenus étant cohérents avec d'autres techniques expérimentales. / The physicochemical properties of a spherical semiconductor nanocrystal, intermediate between the molecule and the solid depend on its size. Stacked or dispersed, these nanocrystals are building blocks of new functional materials with tunable properties, particularly appealing for optoelectronics. This thesis takes part in the development of these new materials. It mainly presents a methodology for the simulation of electronic transport in nanocrystal solids within the weak electronic coupling regime. It is applied to a material made of silicon nanocrystals embedded in silicon oxide and considered for photovoltaïc applications. The displacement kinetics of charge carriers is related to the tunneling transfer rate (hopping) between nanocrystals. These rates are calculated within the framework of Marcus theory and take into account the electron-phonon interactions, the effect of the bias field and the electron-electron interactions at short and long range. The calculation of electronic states (electrons and holes) in k.p theory associated with the use of Bardeen's formula provides, compared to previous works, results (mobility or current) in absolute terms. The mobility thus computed is far lower than the results of the literature and encourage to consider other materials. Furthermore, the device simulations show the significant impact of the electrodes on the current-voltage characteristics. Also, a new accelerated kinetic Monte-Carlo algorithm has been adapted in order to reproduce the disorder inherent in the manufacturing process while maintaining a reasonable simulation time. Thus the impact of the size disorder is poor at room temperature while the percolation paths shunt the contribution of other conduction paths. Characterization results compared to simulations tend to show that these paths concentrate carriers and exhibit Coulomb blockade phenomenon. Finally, the absorption cross section is calculated theoretically to obtain the generation rate under illumination. It is similar to the bulk silicon one. And a method employing a Kelvin probe microscope is described to characterize the carrier lifetime, namely the recombination rate. The results thus obtained are consistent with other experimental technics.

Cette thèse propose, décrit et utilise un ensemble de techniques basées sur la microscopie à force atomique sous ultravide pour la cartographie simultanée, à l'échelle nanométrique, de la topographie de surface et des dynamiques temporelles des photo-porteurs. Ainsi, en contrôlant la dépendance du photo-potentiel de surface moyen mesuré par microscopie à force de sonde Kelvin en fonction de la fréquence de répétition d'une source lumineuse externe d'excitation, le dispositif expérimental permet d’accéder aux dynamiques temporelles du photo-potentiel de surface qui, à leur tour, permettent d'étudier les dynamiques des photo-porteurs sur une large gamme d'échantillons. Afin de permettre le processus de nano-imagerie bidimensionnelle, ces mesures sont acquises de manière répétée en enregistrant des courbes spectroscopiques en chaque point d’une grille prédéfinie. En utilisant une procédure d'ajustement mathématique automatique, les dynamiques temporelles des photo-porteurs sont extraites à partir des données expérimentales.Cet ensemble de nouvelles méthodes est utilisé pour l’étude de plusieurs types d'échantillons issus de différentes technologies photovoltaïques telles que des couches minces en silicium poly-cristallin à petits grains, des cellules de troisième génération à nano cristaux de silicium, des cellules photovoltaïques organiques et des cellules à base de matériaux de structure pérovskite. Dans chaque cas, on décrit les processus de recombinaison des photo-porteurs ainsi que leur lien avec la morphologie et la structuration du matériau. Enfin, les aspects techniques de ces nouvelles méthodes d’analyse sont présentés, ainsi que leurs limites, notamment celles concernant l'interprétation des résultats. / This thesis is directed towards the proposition and demonstration of a set of novel advanced atomic force microscopy based techniques under ultra-high vacuum conditions, enabling to map simultaneously the surface topography and the photo-carrier dynamics at the nanometre scale. In fact, by monitoring the dependence of the average surface photo-voltage measured with Kelvin probe force microscopy, as a function of the repetition frequency of a modulated excitation source, we will access the built-up and decay dynamics of the surface photo-voltage response which in turn will allows us to study the photo-carrier dynamics over a wide range of samples. In order to enable the 2-dimensional nano-imaging process, Kelvin probe force microscopy under modulated illumination measurements are acquired repeatedly over each point of a predefined grid area over the sample acquiring a set of spectroscopy curves. Then, using an automatic mathematical fit procedure, spectroscopy curves are translated into pixels of the photo-carrier dynamic time-constant images.Moreover, these set of novel techniques will be used to investigate the surface photo-voltage dynamics in several kinds of photovoltaic samples from different technological branches such as small grain polycrystalline silicon thin films, silicon nanocrystal-based third generation cells, bulk heterojunction donor-acceptor organic photovoltaics and organic-inorganic hybrid perovskite single crystal cells, discussing in each case the photo-carrier recombination process and its relation with the material’s structuration/morphology. Finally, technical aspects of these novel techniques will be discussed as well as their limitations and remaining open question regarding results interpretation.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Ober?ächen- bzw. Grenz?ächenphotospannung (SPV) an dünnen organischen Schichten auf Metallsubstraten. Besonderes Augenmerk gilt dabei dem System dünner Schichten von 3,4,9,10-Perylen- Tetracarbonsäure-Di-Anhydrid (PTCDA) auf einem Au(110)-Kristall. Für diese Untersuchungen wurde eine phasensensitive Methode auf der Basis der Photoelektronenspektroskopie (PES) mit zusätzlicher modulierter Lichteinstrahlung entwickelt, die es erlaubt, lichtinduzierte Verschiebungen des Ober?ächenpotentials mit einer Au?ösung ? 1mV zu detektieren. Diese modulierte Photoelektronenspektroskopie wird ausführlich vorgestellt. Eine makroskopische Kelvin-Sonde und die Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie (KPFM) werden als weitere Möglichkeiten zur Bestimmung des Ober?ächenpotentials vorgestellt. Die Photospannung wird mit diesen Methoden in Bezug auf drei Parameter untersucht: Da die Barriere an der Grenz?äche, welche für die Ausbildung der Photospannung ursächlich ist, durch die Photospannung reduziert wird, geben Messungen der SPV in Abhängigkeit von der eingestrahlten Lichtleistung Informationen über die energetische Struktur der Grenz?äche, speziell über die Höhe der Barriere. Mit den ebenfalls aus diesen Methoden gewonnen Informationen über die Austrittsarbeit und Ionisationsenergie von PTCDA lässt sich ein Bandschema des Systems Au/PTCDA entwickeln. Die wellenlängenabhängigen Messungen zeigen, dass Exzitonen in verschiedenen Zuständen erzeugt werden. Diese werden mit unterschiedlichen Photonenenergien angeregt und besitzen unterschiedliche Di?usionslängen. Da die Exzitonen zum Dissoziieren an die Grenz?äche di?undieren müssen, tragen die unterschiedlichen Exzitonenzust ände mit unterschiedlichem Anteil zur Photospannung bei. Die Untersuchungen der Entstehungs- und Zerfallszeit zeigen, dass sich die Photospannung sehr schnell nach Lichteinschaltung aufbaut. Der Abbau der Photospannung nach Lichtabschaltung erfolgt vergleichsweise langsam. Dies bedeutet, dass die Ladungsträger, die nach der Ladungsträgertrennung in der organischen Schicht zur ückbleiben, in Fallenzuständen gebunden sind, aus denen sie thermisch aktiviert werden müssen. In einem separaten Abschnitt werden die Entwicklung sowie Messergebnisse eines Stimmgabel-Rasterkraftmikroskops (AFM) vorgestellt. Dieses ermöglicht die hochau ?ösende topographische Abbildung der Ober?äche mit einer vertikalen Sensitivität im Ångström-Bereich. Das Ziel, mit diesem Gerät KPFM zu betreiben, konnte beim Einsatz an Luft nicht verwirklicht werden. / Subject of this work is the investigation of surface and interface photovoltage (SPV) of thin organic films on metal substrates. Special attention is focused on the system of thin layers of 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-dianhydride (PTCDA) on an Au(110) crystal. For this investigation a novel phase sensitive method was developed based on photoelectron spectroscopy (PES) under additional modulated illumination. It provides the possibility to detect light induced changes in the surface potential with a resolution of about 1mV. This modulated photoelectron spectroscopy is described in detail. Macroscopic Kelvin probe and Kelvin probe force microscopy (KPFM) are presented as further possibilities to measure the surface potential. The photovoltage is investigated by these techniques regarding three parameters: Due to the fact that the barrier at the interface is responsible for the formation of the photovoltage and that the height of this barrier is reduced by the photovoltage, the measurement of the dependence of the SPV on the intensity of the incident light provides information about the energetic structure of the interface. Together with the values of the work function and the ionisation energy of PTCDA, also gained with this methods, a band diagram of the interface can be developed. The wavelength dependent measurements show that excitons can be generated in multiple states. They are excited at different photon energies and have different diffusion lengths. The excitons have to diffuse to the interface to dissociate. Therefore the different excitation states contribute to SPV with different amounts. The investigations upon the generation and decay of the photovoltage shows that the SPV signal appears immediately after switching on the illumination. The decay of the photovoltage after switching off the light is much slower. This implies that the charge carriers are trapped as they remain in the organic film after charge separation at the interface. They have to be thermally activated from this traps. In an extra chapter the development and measurement results of a tuning fork scanning force microscope (AFM) are described. This AFM features high resolution topography images with a vertical sensitivity in the range of single angstroms.

Les propriétés physico-chimiques d'un nanocristal semi-conducteur sphérique, intermédiaires entre la molécule et le solide, dépendent de sa taille. Empilés ou dispersés, ces nanocristaux sont les briques architecturales de nouveaux matériaux fonctionnels aux propriétés ajustables, en particulier pour l'optoélectronique. Cette thèse s'inscrit dans le développement de ces nouveaux matériaux et présente avant tout une méthodologie pour la simulation du transport électronique dans un solide à nanocristaux en régime de faible couplage électronique appliquée à des nanocristaux de silicium dans une matrice de SiO2 pour les applications photovoltaïques. La cinétique du déplacement des porteurs est liée au taux de transfert tunnel (hopping) entre nanocristaux. Ces taux sont calculés dans le cadre de la théorie de Marcus et prennent en compte l'interaction électron-phonon dont l'effet du champ de polarisation dans la matrice ainsi que les interactions électrostatiques à courte et longue portée. Le calcul des états électroniques (électrons et trous) en théorie k.p associé à l'utilisation de la formule de Bardeen donne au code la capacité, par rapport à la littérature, de fournir des résultats (mobilité ou courant) en valeur absolue. Les résultats de mobilité ainsi obtenus pour des empilements cubiques idéaux viennent contredire les résultats de la littérature et incitent à considérer d'autres matériaux notamment en ce qui concerne la matrice pour obtenir de meilleurs performances. En outre, les résultats de simulation de dispositifs montrent l'impact considérable des électrodes sur les caractéristiques courant-tension. Aussi, un nouvel algorithme Monte-Carlo Cinétique accéléré a été adapté afin de pouvoir reproduire le désordre inhérent à la méthode de fabrication tout en maintenant un temps de simulation raisonnable. Ainsi l'impact du désordre en taille se révèle faible à température ambiante tandis que les chemins de percolation occultent la contribution des autres chemins de conduction. Des résultats de caractérisation comparés aux simulations tendent par ailleurs à indiquer que ces chemins peuvent concentrer les porteurs et exhiber un phénomène de blocage de coulomb. Enfin, la section efficace d'absorption est calculée théoriquement et permet d'obtenir le taux de génération sous illumination qui se révèle proche du silicium massif. Et une méthode en microscopie à sonde de Kelvin est décrite pour caractériser la durée de vie des porteurs c'est-à-dire le taux de recombinaison, les résultats ainsi obtenus étant cohérents avec d'autres techniques expérimentales.

Über die besonders hohe Effizienz von Halid-Perowskit (HaP)-basierten optoelektronischen Bauteilen wurde bereits in der Literatur berichtet. Um die Entwicklung dieser Bauteile voranzutreiben, ist ein umfassendes und verlässliches Verständnis derer elektronischen Struktur, sowie der Energielevelanordnung (ELA) an HaP Grenzflächen von größter Bedeutung. Demzufolge beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Untersuchung i) der Bandstruktur von Perowskit-Einkristallen, um ein solides Fundament für die Darlegung der elektronischen Eigenschaften von polykristallinen Dünnschichten zu erarbeiten, und mit ii) den Einflüssen von Oberflächenzuständen auf die elektronische Struktur der Oberfläche, sowie deren Rolle bei der Kontrolle von ELA an HaP Grenzflächen. Die Charakterisierung erfolgt überwiegend mithilfe von Photoelektronenspektroskopie (PES) und ergänzenden Messmethoden wie Beugung niederenergetischer Elektronen an Oberflächen, UV-VIS-Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Kelvin-Sonde. Erstens weist die Banddispersion von zwei prototypischen Perowskit-Einkristallen eine starke Dispersion des jeweiligen oberen Valenzbandes (VB) auf, dessen globales Maximum in beiden Fällen am R-Punkt in der Brillouin-Zone liegt. Dabei wird eine effektive Lochmasse von 0.25 m0 für CH3NH3PbBr3, bzw. von ~0.50 m0 für CH3NH3PbI3 bestimmt. Basierend auf diesen Ergebnissen werden die elektronischen Spektren von polykristallinen Dünnschichten konstruiert und es wird dadurch aufgezeigt, dass eine Bestimmung der Valenzbandkantenposition ausgehend von einer logarithmischen Intensitätsskala aufgrund von geringer Zustandsdichte am VB Maximum vorzuziehen ist. Zweitens stellt sich bei der Untersuchung der elektronischen Struktur von frisch präparierten Perowskit-Oberflächen heraus, dass die n-Typ Eigenschaft eine Folge der Bandverbiegung ist, welche durch donatorartige Oberflächenzustände hervorgerufen wird. Des Weiteren weisen die PES-Messungen an Perowskiten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen aufgrund von Oberflächenphotospannung eine Anregungslichtintensitätsabhängigkeit der Energieniveaus von bis zu 0.7 eV auf. Darüber hinaus wird die Kontrolle von ELA durch gezielte Variation der Oberflächenzustandsdichte gezeigt, wodurch sich unterschiedliche ELA-Lagen (mit Abweichungen von über 0.5 eV) an den Grenzflächen mit organischen Akzeptormolekülen erklären lassen. Die vorliegenden Ergebnisse verhelfen dazu, die starke Abweichung der in der Literatur berichteten Energieniveaus zu erklären und somit ein verfeinertes Verständnis des Funktionsprinzips von perowskit-basierten Bauteilen zu erlangen. / Optoelectronic devices based on halide perovskites (HaPs) and possessing remarkably high performance have been reported. To push the development of such devices even further, a comprehensive and reliable understanding of their electronic structure, including the energy level alignment (ELA) at HaPs interfaces, is essential but presently not available. In an attempt to get a deep insight into the electronic properties of HaPs and the related interfaces, the work presented in this thesis investigates i) the fundamental band structure of perovskite single crystals, in order to establish solid foundations for a better understanding the electronic properties of polycrystalline thin films and ii) the effects of surface states on the surface electronic structure and their role in controlling the ELA at HaPs interfaces. The characterization is mostly performed using photoelectron spectroscopy, together with complementary techniques including low-energy electron diffraction, UV-vis absorption spectroscopy, atomic force microscopy and Kelvin probe measurements. Firstly, the band structure of two prototypical perovskite single crystals is unraveled, featuring widely dispersing top valence bands (VB) with the global valence band maximum at R point of the Brillouin zone. The hole effective masses there are determined to be ~0.25 m0 for CH3NH3PbBr3 and ~0.50 m0 for CH3NH3PbI3. Based on these results, the energy distribution curves of polycrystalline thin films are constructed, revealing the fact that using a logarithmic intensity scale to determine the VB onset is preferable due to the low density of states at the VB maximum. Secondly, investigations on the surface electronic structure of pristine perovskite surfaces conclude that the n-type behavior is a result of surface band bending due to the presence of donor-type surface states. Furthermore, due to surface photovoltage effect, photoemission measurements on different perovskite compositions exhibit excitation-intensity dependent energy levels with a shift of up to 0.7 eV. Eventually, control over the ELA by manipulating the density of surface states is demonstrated, from which very different ELA situations (variation over 0.5 eV) at interfaces with organic electron acceptor molecules are rationalized. Our findings further help to explain the rather dissimilar reported energy levels at perovskite surfaces and interfaces, refining our understanding of the operational principles in perovskite related devices.

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Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Ober?ächen- bzw. Grenz?ächenphotospannung (SPV) an dünnen organischen Schichten auf Metallsubstraten. Besonderes Augenmerk gilt dabei dem System dünner Schichten von 3,4,9,10-Perylen- Tetracarbonsäure-Di-Anhydrid (PTCDA) auf einem Au(110)-Kristall. Für diese Untersuchungen wurde eine phasensensitive Methode auf der Basis der Photoelektronenspektroskopie (PES) mit zusätzlicher modulierter Lichteinstrahlung entwickelt, die es erlaubt, lichtinduzierte Verschiebungen des Ober?ächenpotentials mit einer Au?ösung ? 1mV zu detektieren. Diese modulierte Photoelektronenspektroskopie wird ausführlich vorgestellt. Eine makroskopische Kelvin-Sonde und die Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie (KPFM) werden als weitere Möglichkeiten zur Bestimmung des Ober?ächenpotentials vorgestellt. Die Photospannung wird mit diesen Methoden in Bezug auf drei Parameter untersucht: Da die Barriere an der Grenz?äche, welche für die Ausbildung der Photospannung ursächlich ist, durch die Photospannung reduziert wird, geben Messungen der SPV in Abhängigkeit von der eingestrahlten Lichtleistung Informationen über die energetische Struktur der Grenz?äche, speziell über die Höhe der Barriere. Mit den ebenfalls aus diesen Methoden gewonnen Informationen über die Austrittsarbeit und Ionisationsenergie von PTCDA lässt sich ein Bandschema des Systems Au/PTCDA entwickeln. Die wellenlängenabhängigen Messungen zeigen, dass Exzitonen in verschiedenen Zuständen erzeugt werden. Diese werden mit unterschiedlichen Photonenenergien angeregt und besitzen unterschiedliche Di?usionslängen. Da die Exzitonen zum Dissoziieren an die Grenz?äche di?undieren müssen, tragen die unterschiedlichen Exzitonenzust ände mit unterschiedlichem Anteil zur Photospannung bei. Die Untersuchungen der Entstehungs- und Zerfallszeit zeigen, dass sich die Photospannung sehr schnell nach Lichteinschaltung aufbaut. Der Abbau der Photospannung nach Lichtabschaltung erfolgt vergleichsweise langsam. Dies bedeutet, dass die Ladungsträger, die nach der Ladungsträgertrennung in der organischen Schicht zur ückbleiben, in Fallenzuständen gebunden sind, aus denen sie thermisch aktiviert werden müssen. In einem separaten Abschnitt werden die Entwicklung sowie Messergebnisse eines Stimmgabel-Rasterkraftmikroskops (AFM) vorgestellt. Dieses ermöglicht die hochau ?ösende topographische Abbildung der Ober?äche mit einer vertikalen Sensitivität im Ångström-Bereich. Das Ziel, mit diesem Gerät KPFM zu betreiben, konnte beim Einsatz an Luft nicht verwirklicht werden. / Subject of this work is the investigation of surface and interface photovoltage (SPV) of thin organic films on metal substrates. Special attention is focused on the system of thin layers of 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-dianhydride (PTCDA) on an Au(110) crystal. For this investigation a novel phase sensitive method was developed based on photoelectron spectroscopy (PES) under additional modulated illumination. It provides the possibility to detect light induced changes in the surface potential with a resolution of about 1mV. This modulated photoelectron spectroscopy is described in detail. Macroscopic Kelvin probe and Kelvin probe force microscopy (KPFM) are presented as further possibilities to measure the surface potential. The photovoltage is investigated by these techniques regarding three parameters: Due to the fact that the barrier at the interface is responsible for the formation of the photovoltage and that the height of this barrier is reduced by the photovoltage, the measurement of the dependence of the SPV on the intensity of the incident light provides information about the energetic structure of the interface. Together with the values of the work function and the ionisation energy of PTCDA, also gained with this methods, a band diagram of the interface can be developed. The wavelength dependent measurements show that excitons can be generated in multiple states. They are excited at different photon energies and have different diffusion lengths. The excitons have to diffuse to the interface to dissociate. Therefore the different excitation states contribute to SPV with different amounts. The investigations upon the generation and decay of the photovoltage shows that the SPV signal appears immediately after switching on the illumination. The decay of the photovoltage after switching off the light is much slower. This implies that the charge carriers are trapped as they remain in the organic film after charge separation at the interface. They have to be thermally activated from this traps. In an extra chapter the development and measurement results of a tuning fork scanning force microscope (AFM) are described. This AFM features high resolution topography images with a vertical sensitivity in the range of single angstroms.

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