Nanomatériaux pour la conversion et le stockage de l’énergie

De plus en plus, les nanomatéri­aux appa­rais­sent comme le point de con­ver­gence entre la microélec­tron­ique et l’électronique grande surface.

“ La conversion et le stockage de l’énergie constituent un défi majeur ”

En effet, tan­dis que l’industrie microélec­tron­ique n’a cessé de réduire les dimen­sions des tran­sis­tors dans les cir­cuits inté­grés, l’interface entre le micro­processeur et les util­isa­teurs a évolué de façon tout aus­si spec­tac­u­laire avec le pas­sage du tube cathodique (qui s’en sou­vient encore ?) vers les écrans plats à matrice active et les tablettes tactiles.

Leur fonc­tion­nement repose sur des tran­sis­tors pro­duits sur des grandes sur­faces (~ 1 m²) par des procédés plas­ma à basse tem­péra­ture. Ain­si, l’approche top-down de la microélec­tron­ique a trou­vé un allié iné­galé dans l’électronique grande sur­face bot­tom-up.

Le défi majeur

Les matéri­aux et dis­posi­tifs pro­duits trou­vent leur appli­ca­tion dans la micro, la nano et l’optoélectronique.

Les nanomatéri­aux sont obtenus à par­tir de molécules de gaz qu’on dis­so­cie dans un réac­teur plas­ma (PECVD) à env­i­ron 200 °C.

Par­mi ces appli­ca­tions, la con­ver­sion et le stock­age de l’énergie con­stituent un défi majeur. En effet, bien que nous baignions dans un monde d’énergie (élec­trique, chim­ique, ther­mique, mécanique, pho­tonique, etc.), sa maîtrise reste problématique.

Il s’agit de trou­ver des moyens effi­caces et peu coû­teux pour récupér­er et stock­er ces éner­gies. La con­ver­sion de l’énergie envi­ron­nante peut se faire grâce à des dis­posi­tifs basés sur des nanofils. Ain­si, de nom­breuses études por­tent sur l’utilisation de nanofils (Si, Ge, ZnO, etc.) pour la pié­zoélec­tric­ité ou pour la thermoélectricité.

Des nanofils aux cellules solaires

Pho­topile souple.

La con­ver­sion directe de l’énergie solaire en élec­tric­ité peut aus­si se faire de façon avan­tageuse grâce à des cel­lules solaires à base de nanofils de sili­ci­um, un domaine dans lequel le LPICM excelle.

En effet, depuis quelques années, nous dévelop­pons une approche orig­i­nale brevetée de pro­duc­tion de cel­lules solaires à jonc­tion radi­ale dans un réac­teur plas­ma en une seule étape sous vide.

Comme on peut le voir sur l’image ci-dessus, il ne s’agit pas d’un réseau ordon­né. En effet la méthode de fab­ri­ca­tion à bas coût ne per­met pas pour l’instant l’obtention d’un réseau ordon­né, ce qui, en pas­sant, n’est pas indis­pens­able pour l’application visée. L’enjeu est de trans­fér­er cette approche vers des mod­ules et des grandes sur­faces en visant zéro défaut électrique.

“ Produire des térawatts avec des dispositifs nanométriques ”

C’est toute la dif­fi­culté des nanos : on veut pro­duire des térawatts avec des dis­posi­tifs nanométriques, dont cha­cun a une puis­sance de l’ordre du nanowatt. Les procédés plas­ma per­me­t­tent de relever ce défi. Ain­si, les cel­lules présen­tées comptent une cen­taine de mil­lions de jonc­tions radi­ales par cen­timètre car­ré con­nec­tées en parallèle.

La démon­stra­tion du bon fonc­tion­nement de ces dis­posi­tifs à l’échelle du lab­o­ra­toire nous per­met d’imaginer leur trans­fert indus­triel, en cours de réal­i­sa­tion dans le cadre du pro­jet ANR Solarium.

Sché­ma du procédé de for­ma­tion de nanofils de sili­ci­um et de jonc­tions radi­ales. À droite, image au micro­scope élec­tron­ique à bal­ayage (MEB) de la forêt de cel­lules solaires ain­si obtenue.

Des photopiles souples

La tech­nolo­gie des couch­es minces peut aus­si être mise à prof­it pour le stock­age de l’énergie élec­trique. Pour ce faire, nous dévelop­pons au LPICM des bat­ter­ies Li-ion dans lesquelles on utilise encore des nanofils de sili­ci­um comme élec­trode néga­tive ou alors des nan­otubes de car­bone enrobés de nanopar­tic­ules de silicium.

L’intérêt de cette approche est de com­bin­er le mod­ule de con­ver­sion (pho­topile) et de stock­age sur le même sub­strat, de façon à favoris­er la pro­duc­tion et le stock­age de l’énergie.

Qui plus est, les tech­niques dévelop­pées, fondées sur des procédés à basse tem­péra­ture, nous per­me­t­tent d’envisager la réal­i­sa­tion de mod­ules flex­i­bles, tels que le min­i­mod­ule en photo.

---

Articles similaires :

La recherche à l’X : nanosciences, matéri­aux inno­vants et procédés efficaces De belles per­spec­tives d’avenir Des matéri­aux inno­vants pour assur­er le développe­ment de la ville durable Éty­molo­gie :
À pro­pos de gaz et tran­si­tion énergétique DEEPKI met les don­nées du monde de l’immobilier au ser­vice de la tran­si­tion énergétique De nou­veaux généra­teurs à la fron­tière entre physique et mécanique