Photovoltaïque : des capteurs de luminosité cristallins

Dübendorf, St. Gallen und Thun, 07.02.2023 - Trois instituts du Domaine des EPF mènent des recherches sur l'optoélectronique à base de pérovskite, comme les cellules solaires, les photodétecteurs et les diodes électroluminescentes (LED). Dans le cadre d'un projet appelé AMYS, les laboratoires de l'EPFL, de l'ETH Zurich et de l'Empa ont uni leurs forces depuis quatre ans pour explorer de nouvelles compositions chimiques, mais aussi des méthodes de production simples et évolutives à faible coût.

Il existe différentes solutions pour convertir directement la lumière du soleil en électricité. Les plus connues sont les cellules solaires en silicium, qui sont basées sur des monocristaux de silicium. Les cellules solaires de ce type sont relativement épaisses et fragiles.
Une autre variante a vu le jour : les cellules solaires dites à couche mince, qui sont environ 100 fois plus fines que les cellules en silicium cristallin. Cette structure cellulaire est flexible et peut être déposée en phase vapeur sur des substrats flexibles tels que des films plastiques ou des feuilles métalliques. Les cellules à couche mince en arséniure de gallium (GaAs), en tellurure de cadmium (CdTe) ou en cuivre, indium, gallium, sulfure et sélénium (CIGS), connues depuis un certain temps, ont été rejointes par une nouvelle catégorie : les pérovskites organiques-inorganiques. Le terme pérovskite décrit la structure cristalline commune des matériaux de ces films minces.

Ce qui est intéressant, c'est que les pérovskites peuvent non seulement être utilisées comme cellules solaires, mais aussi, à l'inverse, servir d'illuminateurs ou de base pour des photodétecteurs, par exemple dans des appareils à rayons X ou des capteurs pour les smartwatches. C'est pourquoi cette classe de matériaux suscite actuellement une grande activité de recherche dans le monde entier. Mais il y a un problème : beaucoup de ces cristaux de pérovskite contiennent des ions organiques comme éléments de base. Il s'agit de blocs de construction cristalline qui contiennent du carbone, de l'azote et de l'hydrogène. Ils fondent et s'évaporent à des températures beaucoup plus basses que le silicium ou le GaAs, le CdTe ou le CIGS. Par conséquent, de nombreuses méthodes de production éprouvées ne sont pas adaptées à ces matériaux.

La fabrication industrielle

Le projet AMYS (Advanced Manufacturability of Hybrid Organic-inorganic Semiconductors for Large Area Optoelectronics), lancé dans le cadre du domaine d'action stratégique "Advanced Manufacturing" (SFA-AM), tente de résoudre précisément ces problèmes. Ce qu'il faut, c'est une méthode de fabrication industrielle pour les couches minces de pérovskite, qui ont jusqu'à présent été produites principalement par des procédés de pulvérisation "humide" dans des laboratoires.
Les tâches des partenaires de recherche sont soigneusement réparties : l'équipe d'Ayodhya N. Tiwari et de Fan Fu, spécialistes des pérovskites au "Thin Films and Photovoltaics Laboratory" de l'Empa, cherche un photodétecteur et des cellules solaires flexibles en pérovskite ; l'équipe de Chih-Jen Shih, du Nanomaterials Engineering Research Group de l'ETH Zurich, veut construire des LED en pérovskite qui produisent de la lumière avec une précision de couleur particulièrement élevée. Enfin, Christophe Ballif, de l'EPFL, et son équipe sont à la recherche de cellules solaires tandem particulièrement efficaces, composées de silicium sur la face inférieure et d'une couche de pérovskite semi-transparente sur la face supérieure.

Tous les chercheurs ont déjà effectué des travaux préliminaires : L'équipe de l'EPFL a établi un nouveau record mondial en juillet : Les cellules solaires de l'EPFL, composées de silicium cristallin épais surmonté d'une fine couche de pérovskite, ont atteint un rendement de plus de 31%. Une telle valeur a déjà été atteinte avec d'autres cellules à semi-conducteurs, mais celles-ci sont environ mille fois plus chères à produire. Cela ouvre donc la voie à un photovoltaïque à faible coût. "Nous avons développé un processus en deux étapes pour appliquer les ingrédients organiques de nos pérovskites de manière douce et homogène, sur des cellules solaires de taille moyenne" explique Christian Wolff, qui travaille dans l'équipe de l'EPFL. "Nous voulons maintenant étendre ce processus à une nouvelle méthode basée sur la vapeur sèche, qui permettra d'une part de couvrir de manière homogène des surfaces encore plus grandes, et d'autre part de voir s'il n'existe pas de combinaisons chimiques encore meilleures."

Sebastian Siol de l'Empa l'aide dans cette tâche. Il est spécialiste des procédés de revêtement et de l'analyse des couches minces produites industriellement. Il utilisera des expériences automatisées à haut débit pour passer au crible un grand nombre de compositions chimiques et de paramètres de processus différents, dans le but de créer une "bibliothèque" de mélanges de pérovskites prometteurs. Cela donnera à Wolff et à ses collègues de tous les groupes de travail des indications cruciales sur les endroits où chercher. Cela accélérera le cheminement vers l'objectif de dispositifs optoélectroniques bon marché, stables et de grande surface, offrant une multitude d'applications.

Des solvants non toxiques

Fan Fu, chercheur à l'Empa, est un spécialiste des pérovskites et fait également partie du consortium de recherche. Il s'est attelé à deux tâches à la fois : D'une part, il cherche de nouveaux photodétecteurs et cellules solaires à base de pérovskites. D'autre part, il veut aussi trouver une "voie verte" pour la production industrielle de cellules pérovskites. "Alors que l'équipe de l'EPFL a trouvé un procédé sec, nous, à l'Empa, avons développé davantage le procédé humide", explique le chercheur. "Nous n'avons plus besoin de solvants toxiques, que l'on peut utiliser en laboratoire mais qui constituent un handicap dans le processus industriel. Nous travaillons désormais avec de l'isopropanol - qui est également utilisé dans tous les magasins de coiffure." Fan Fu veut maintenant adapter son procédé humide à des processus industriels tels que le revêtement des matrices à fente. Son collègue de l'Empa Sebastian Siol l'aide aussi dans sa recherche du procédé optimal. Il va cartographier les éprouvettes de la série d'essais de Fan Fu et l'aider à trouver les paramètres optimaux du procédé.

Capteurs pour smartwatches

Fan Fu a un deuxième projet qu'il poursuit dans le cadre de l'AMYS : les cellules de pérovskite pourraient potentiellement servir de photodétecteurs dans les appareils photo ou de détecteurs de rayons X pour l'imagerie médicale - et présenteraient deux avantages essentiels : elles sont beaucoup moins chères et plus faciles à produire que les puces de caméra en silicium couramment utilisées aujourd'hui. De plus, elles sont flexibles et peuvent s'adapter aux formes du corps. Fan Fu utilise un exemple pour expliquer à quel point cela pourrait être intéressant : "Les capteurs d'oxygène sanguin et de fréquence du pouls dans les smartwatches sont en partie basés sur la détection optique du flux sanguin." Grâce à des capteurs optiques flexibles, de tels relevés pourraient être obtenus à l'avenir de manière beaucoup plus économique et en même temps plus précise, explique Fan Fu. "Les dispositifs de mesure qui reposent directement sur la peau sont une technologie clé pour l'interaction future entre les humains et les machines."

Adresse pour l'envoi de questions

Dr. Fan Fu
Thin Films and Photovoltaics
Tel. +41 58 765 4777
fan.fu@empa.ch