Réacteur plasma

Nanomatériaux pour la conversion et le stockage de l’énergie

Dossier : Les nanosciencesMagazine N°702 Février 2015
Par Pere ROCA I CABARROCAS

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.

REPÈRES

Le Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (LPICM), créé en 1986, a une double tutelle, l’École polytechnique et le CNRS. Aujourd’hui, le LPICM est associé principalement à l’Institut des sciences de l’ingénierie et des systèmes du CNRS (INSIS), tout en ayant des partenariats avec les instituts de physique et chimie.
Le LPICM est devenu un laboratoire multidisciplinaire où la recherche fondamentale dans les domaines de la science des matériaux, la chimie, l’électronique et l’optique trouve des applications pour la génération et le stockage d’énergie photovoltaïque, des capteurs basés sur des objets nanométriques et des dispositifs d’électronique grande surface utilisant des matériaux organiques et inorganiques.
Le LPICM a aussi développé des techniques de caractérisation optique nouvelles pour la microélectronique, les diagnostics biomédicaux ou l’étude d’objets de taille nanométrique.

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
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.

Formation de nanofils de silicium
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.

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