Des couches minces, des objectifs élevés

Dübendorf, St. Gallen und Thun, 06.12.2023 - Yaroslav Romanyuk travaille depuis une quinzaine d'années à l'Empa sur des technologies complexes à base de couches minces pour les cellules solaires, les circuits imprimés, les nouvelles batteries à l'état solide et d'autres applications. Depuis début juillet, il dirige le "Laboratoire des couches minces et du photovoltaïque" et poursuit avec son équipe des objectifs ambitieux - des matériaux innovants à l'intelligence artificielle pour de futures expériences en passant par une start-up.

Il aurait pu vivre en Allemagne, aux États-Unis, en Pologne peut-être ou chez lui en Ukraine. Mais Yaroslav Romanyuk a vécu un moment de carte postale. En 2002, il s'est rendu à Lausanne pour un entretien d'embauche en vue d'un doctorat à l'EPFL : de Luzk en Ukraine, il a pris le bus jusqu'à Zurich en passant par la Pologne ; de là, il a pris le train pour Lausanne, s'est engouffré dans le tunnel derrière Puidoux - et s'est retrouvé face à une vue imprenable sur les vignobles et le lac Léman. Cet endroit pittoresque dont on dit que les Suisses allemands y déchirent leurs billets de retour et les jettent par la fenêtre.

Et c'est ainsi que la Suisse est devenue la destination de Yaroslav Romanyuk. La carrière de Romanyuk à l'Empa a commencé à Zurich, en 2008, lorsqu'il a quitté le Technopark zurichois pour s'installer à l'Empa avec le groupe de recherche sur les cellules solaires d'Ayodhya Tiwari, chef de département aujourd'hui à la retraite. Le chimiste est lié à ce dernier par de précieuses expériences et réussites, comme plusieurs records du monde de rendement de cellules solaires souples à couche mince, une douzaine de thèses de doctorat réussies et dirigées conjointement, et bien d'autres choses encore. "Nous avons ouvert ensemble des voies de recherche auxquelles nous n'aurions jamais pensé au départ !", déclare Romanyuk.

C'est ainsi que cela doit continuer : de grands objectifs avec des couches minces et des combinaisons de matériaux inédites, qui le fascinent depuis qu'il fait de la recherche. Comme lorsqu'il était postdoctorant à l'Université de Californie à Berkeley, où il travaillait sur des semi-conducteurs à base de nitrite de gallium et de combinaisons similaires, dopés aux terres rares - pour des émissions de lumière, donc des applications optiques ou de futurs lasers. Mais au final, cela n'a pas fonctionné. "Les obstacles ont malheureusement été plus forts que moi", avoue Yaroslav Romanyuk sans ambages, "c'était aussi vraiment une idée ambitieuse ! Et à l'époque, je voulais absolument essayer quelque chose de nouveau".

Plaisir à travailler avec des talents

L'expérimentation prime sur l'étude - même dans ses domaines de recherche actuels. Outre les projets très ciblés menés avec ses collaborateurs, tels que les nouvelles batteries à l'état solide fabriquées par "Physical Vapor Deposition" (dépôt en phase vapeur) ou l'électronique imprimée à l'aide de procédés d'impression numériques, certains résultats sont apparus de manière inattendue, par exemple des films de sécurité transparents pour des "serrures" invisibles. Selon Romanyuk, tout ne peut pas être planifié : "Certaines découvertes se produisent tout simplement, de manière soudaine et surprenante, lorsque les équipes travaillent avec enthousiasme".

Il a déjà encadré et encouragé de nombreux talents, avec grand plaisir. Plus de 40 travaux de diplôme, les thèses de doctorat achevées - et de nombreux diplômés occupent aujourd'hui des postes de direction dans des entreprises high-tech renommées de Suisse, raconte le chef. "C'est ce qu'il y a de mieux !", dit-il, "les regarder évoluer et devenir toujours meilleurs !" Pas sous la pression, non, parce que la créativité ne peut pas naître ainsi - mais avec une grande confiance, de la patience et en sachant que même les essais infructueux conduisent souvent, en fin de compte, à des progrès importants.

L'empilement de piles, un espoir

Yaroslav Romanyuk est également fier de ses collaborateurs Moritz Futscher et Abdessalem Aribia, qui ont récemment fondé la start-up "BTRY AG" - dans le but de développer une batterie lithium-ion à l'état solide prête à être commercialisée, qui tire profit du transport rapide de la charge dans les batteries à couches minces. "Le problème est que de telles batteries n'ont qu'une faible capacité", explique Yaroslav Romanyuk, "notre idée est maintenant la suivante : nous empilons au moins dix cellules individuelles les unes sur les autres et obtenons ainsi des batteries performantes qui peuvent être chargées et déchargées en un temps extrêmement court !" De plus, de tels éléments sont plus robustes que les produits courants et plus sûrs, car ininflammables (voir infographie).

Certes, de nombreuses étapes sont encore nécessaires pour développer cette technologie, qui est déjà brevetée, jusqu'à ce qu'elle soit prête à être utilisée. Actuellement, les spécialistes travaillent sur un prototype à l'échelle du laboratoire et cherchent déjà des investisseurs pour le développement ultérieur, qui pourrait un jour être rentable pour des applications dans des technologies exigeantes comme l'aéronautique. Certes, les coûts de telles batteries seront nettement supérieurs à ceux des produits courants en raison de la complexité de leur fabrication - mais Romanyuk y voit un grand potentiel. "Nous avons calculé une fois pour une iWatch que notre batterie augmenterait le prix total d'environ cinq pour cent", explique-t-il, "mais pour un temps de charge de moins d'une minute, cela pourrait être intéressant, n'est-ce pas ?"

Des technologies variées, des projets passionnants, des objectifs ambitieux : Cela signifie beaucoup de coordination, une quantité de mails et de contacts, toujours de nouvelles demandes de recherche - plus de management qu'auparavant et un emploi du temps strict, physiquement aussi. L'endurance nécessaire lui a déjà été nécessaire lors de son tout premier emploi dans la recherche : un travail à 10 pour cent en troisième année d'études à la "Volyn National University" en Ukraine.

"Ma tâche consistait à contrôler la nuit un four pour cristaux semi-conducteurs et à régler correctement la température", raconte Yaroslav Romanyuk, "donc à me réveiller toutes les heures, toute la nuit, seul dans cet immense bâtiment !" Des conditions qui seraient impensables aujourd'hui - grâce à des équipements modernes, comme au "Coating Competence Center" de l'Empa (voir encadré), où de fines couches, par exemple pour les contacts de cellules solaires ou de batteries à couches minces, sont produites 24 heures sur 24, tous les jours. C'est aussi un facteur de coûts en raison du temps et de l'énergie dépensés.

Des jumeaux numériques pour aider

A l'avenir, ce travail devrait devenir plus efficace : "Nous allons utiliser l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle", explique Romanyuk. Un exemple ? Le développement de jumeaux numériques de batteries ou de cellules solaires, avant même qu'elles ne soient réellement fabriquées. De tels modèles virtuels pourraient être utilisés pour prédire les propriétés des matériaux, ce qui permettrait de réduire le nombre de cycles de production sous vide nécessaires, et donc d'économiser du temps et de l'énergie. "Aujourd'hui, la fabrication d'un lot de batteries à couches minces peut prendre jusqu'à une semaine", explique Romanyuk, "à l'Empa, nous sommes pour ainsi dire les recordmen du vide !"

Sa compensation ? Le grand air ! En nageant, en courant ou en parcourant les six kilomètres à vélo qui le séparent de son travail. Et à l'association de protection de la nature chez lui à Fällanden : Observer et compter les oiseaux, construire des nids de cigognes et des nichoirs ; également avec ses deux fils, Marco et Taras, âgés de 3 et 14 ans. Romanyuk montre le plus jeune sur une photo joyeuse dans le jardin - mais peu après le cliché, ce dernier mis la main dans un nid de guêpes et a été puni par une piqûre. Une piqûre, pas un drame - et une première expérience de grande curiosité, alias l'esprit de recherche.

Yaroslav Romanyuk

Le chercheur a étudié la chimie à la "Volyn National University" de Luzk, en Ukraine, et a obtenu un master summa cum laude en 2002. Il a ensuite effectué son doctorat à l'EPFL, suivi d'un séjour de recherche de deux ans à l'"University of California" à Berkeley, financé par le Fonds national suisse (FNS). Yaroslav Romanyuk travaille à l'Empa depuis 2008 ; à partir de 2012, il a remplacé le chef de laboratoire en tant que chef de groupe et a été responsable de la sécurité chimique du laboratoire. En outre, il a coordonné pendant plus de dix ans l'action "Bike to work" à l'Empa.

Le "Coating Competence Center" de l'Empa

Combler le fossé entre la recherche en laboratoire et la production industrielle pour les revêtements : Tel est l'objectif du "Coating Competence Center" (CCC en abrégé) de l'Empa, qui a été mis en service en 2016. Pour fabriquer des composants électroniques imprimés, des cellules solaires, des batteries à couches minces et d'autres éléments, de nombreuses technologies y sont disponibles. Il s'agit notamment d'imprimantes 3D ultramodernes pour la fabrication additive (AM) et d'appareils permettant de durcir des couches sur des substrats à l'aide d'impulsions lumineuses émises par des lampes flash au xénon. Le "magnétron sputtering" est d'une grande importance. Dans ce cas, un plasma est généré dans des chambres à vide à l'aide d'un gaz rare, l'argon, qui détache des atomes d'une "cible", lesquels se déposent ensuite de manière ciblée sur le substrat souhaité. De telles couches atteignent généralement une épaisseur comprise entre 10 nanomètres et 10 micromètres. Avec ses multiples possibilités, le CCC est conçu comme un "partenariat privé-public" : L'idée est que les partenaires impliqués travaillent ensemble tout au long de la chaîne de valeur, de la science à l'industrie, afin de développer de nouvelles technologies et de ﬁnaliser des solutions créatives.

Adresse pour l'envoi de questions

Dr. Yaroslav Romanyuk
Département Empa Thin Films and Photovoltaics
Tél. +41 58 765 41 69
yaroslav.romanyuk@empa.ch