11 Janvier 2016  |  Optoélectronique
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 11/2015

Vers des cellules solaires et des LED imprimées

Les composants optoélectroniques qui peuvent être produits par le procédé rouleau à rouleau ouvrent des voies prometteuses pour la production de cellules solaires et de LED bon marché. Dans le cadre du projet TREASORES financé par l’UE, les chercheurs ont présenté les premiers prototypes d’un module de cellule solaire flexible, ainsi que d’une électrode composite transparente à base d’argent, dont le rendement est supérieur à celui des électrodes oxyde d’indium-étain utilisées jusqu’ici.

Dans le monde entier, les scientifiques et les ingénieurs sont à la recherche de techniques de production peu coûteuses, afin de rendre l’énergie solaire abordable sur un large front. Les cellules solaires organiques flexibles possèdent pour cela un potentiel considérable, car elles ne nécessitent que des quantités comparativement faibles de matières premières bon marché pour être produites en grandes quantités selon le procédé rouleau à rouleau (R2R).
Toutefois, il faut pour cela que les électrodes transparentes, les couches barrières et tous les autres composants soient flexibles. Dans le projet TREASORES (Transparent Electrodes for Large Area Large Scale Production of Organic Optoelectronic Devices) doté d’un budget total de 14 millions d’euros financé par l’Union européenne, une équipe internationale placée sous la direction du scientifique de l’Empa Frank Nüesch étudie depuis novembre 2012, de nouvelles technologies pour que la production R2R de composants optoélectroniques organiques, tels que des piles solaires et des éclairages LED, deviennent réalité.


 
Une cellule solaire organique flexible issue du projet TREASORES financé par l’Union européenne lors d’un un test mécanique dans le National Physical Laboratory (NPL) en Angleterre. La cellule est pliée plusieurs fois avec un rayon de 25 mm, alors que l’on contrôle simultanément ses performance. La durée de vie vérifiée de ces cellules atteint 4000 h environ. (Photo: National Physical Laboratory, NPL)
 
Des électrodes transparentes au rendement nettement meilleur
Récemment, l’équipe de ce projet a dressé un bilan à mi-parcours; de nombreux objectifs intermédiaires ont été atteints. Cette équipe internationale, qui réunit des chercheurs de 19 laboratoires et entreprises de cinq pays européens, a développé des électrodes composites transparentes ultraminces à base d’argent, qui sont non seulement moins coûteuses que les électrodes oxyde d’indium-étain (ITO), mais dont le rendement est également supérieur.
Par ailleurs, lors de tests en conditions réelles, les premières piles solaires réalisées entièrement selon le procédé R2R ont atteint une durée de vie répondant aux exigences commerciales. La prochaine étape consistera, selon Frank Nüesch, à perfectionner encore les technologies qui présentent le plus grand potentiel pour la production de matériaux barrières et d’électrodes à grande échelle, soit sur des rouleaux d’une longueur de plusieurs centaines de mètres.
 
D’autres technologies prometteuses
Dans la deuxième partie du projet, le développement d’autres technologies prometteuses sera aussi poursuivi, notamment celui d’électrodes flexibles en textiles, en nanofils et en nanotubes de carbone (CNT).
«Nous travaillons sur les questions centrales pour l’utilisation à grande échelle des composants optoélectroniques organiques. Nos nouveaux substrats d’électrodes peu coûteux sont déjà, à plus d’un égard, supérieurs aux électrodes conductrices à base d’oxydes utilisées jusqu’ici», relève Frank Nüesch. «Mais nous devons encore améliorer les performances de ces composants produits en masse, en réduisant la densité de défauts dans les substrats», poursuit-il.
Pour cela, on examine les propriétés mécaniques, électriques et optiques de ces nouveaux matériaux, à l’aide d’instruments développés à cet effet. De plus, Frank Nüesch et ses collègues ont déterminé les caractéristiques de performance, telles que la durée de vie et la perméabilité optique, des composants ainsi produits. Ainsi, par exemple, des électrodes flexibles en nanofils d’argent présentaient une résistance de surface inférieure à 20 Ω/sq(une mesure de la conductibilité électrique des couches minces) et une perméabilité optique de 80 %.
Les nanofils de cuivre ont obtenu des résultats encore meilleurs: avec une transparence de 90 % sur le verre, leur résistance de surface était même inférieure à 10 Ω/sq– une amélioration notable par rapport aux électrodes ITO jusqu’ici courantes qui, pour une transparence aussi élevée, présentent des résistances de surface d’environ 100 Ω/sq. Les cellules solaires produites avec ces électrodes de nanotubes de cuivre présentent actuellement un rendement légèrement supérieur à 3 %.
Les chercheurs ont aussi obtenus des améliorations semblables avec les électrodes CNT; leur résistance surfacique se monte actuellement à 74 Ω/sqpour une transparence de 90 %. Avec ces électrodes CNT, les cellules solaires atteignent un rendement qui se situe entre 4 et 5 %.


 
Les nouvelles électrodes transparentes pour les cellules solaires flexibles développées par le consortium de recherche TREASORES ne demandent plus d’éléments rares tels que l’indium, pour leur production. Ici un exemple d’électrode textile issue de travaux de recherche de l’Empa en collaboration avec l’entreprise Sefar AG. (Photo: Empa)
 
«Repassage» de la surface rugueuse des électrodes

Tous ces types d’électrodes ont cependant un inconvénient: elles sont légèrement ondulées et rugueuses, ce qui nécessite l’application d’une couche égalisatrice afin de permettre un assemblage exempt de défauts des élément optoélectroniques en plusieurs couches. C’est aussi pourquoi les chercheurs travaillent déjà sur un autre type d’électrodes sur lesquelles une mince couche d’argent (Ag) est disposée entre deux couches d’oxyde métallique (MO). Ces feuilles se sont révélées notablement plus planes.
Les électrodes MO/Ag/MO multicouches permettent de réaliser des composants optoélectroniques nettement plus efficients, ce qui est au moins en partie dû à leur faible rugosité, de 20 nm environ (distance entre le point le plus haut des saillies et le point le plus bas des creux). Ces électrodes ultra planes permettent d’atteindre des rendements records allant jusqu’à 7 %, comme l’ont montré des tests avec des cellules solaires organiques réalisées avec des matériaux courant du commerce. Avec le même matériau d’électrodes, cette équipe de chercheurs a réalisé des diodes électroluminescentes organiques blanches (OLED) présentant un rendement lumineux de 17 lm/W et des diodes électroluminescentes organiques électrochimiques (OLEC) possédant un rendement lumineux de plus de 20 lm/W. Bien que ceci ne représente pas encore de valeurs records pour les OLED et les OLEC flexibles, Frank Nüesch relève que « toutes ces électrodes ont été produites selon un procédé R2R dans un environnement industriel ou avec des procédés industriels. Ces méthodes de production sont ainsi robustes et reproductibles.»
 
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