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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