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.

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