Que ce soit dans les smartphones, les tablettes, les ordinateurs portables, les écrans plats et (à plus grande échelle) les cellules photovoltaïques, les couches transparentes et conductrices sont devenues indispensables au quotidien.
Le processus de fabrication de ces couches reste toutefois coûteux et difficile. Des chercheurs de l’Empa ont maintenant réussi à développer une méthode non seulement mois coûteuse mais également plus écologique pour produire lesdits TCO.
Les écrans tactiles de tous les gadgets que nous utilisons au quotidien se doivent d’être transparents et conducteurs d’électricité. Même les cellules photovoltaïques ne peuvent fonctionner sans une telle couche laissant pénétrer les rayons du soleil et capable de décharger l’électricité générée. Les « transparent conductive oxides » (TCO) conventionnels se composent d’un mélange d’indium et d’oxyde d’étain. L’indium est très demandé dans l’industrie électronique, mais également rare et donc cher.
Une variante moins coûteuse (du moins en termes de matériau) utilise de l’oxyde de zinc, mélangé avec de l’aluminium, appliqué au substrat au moyen d’une technique dite de « sputtering » plasma, le plus souvent sous vide poussé. Le processus de fabrication est toutefois complexe et donc également coûteux. De plus, il nécessite beaucoup d’énergie et n’est donc pas non plus optimal d’un point de vue écologique. Des chercheurs Empa de la division « Films minces et photovoltaïque » ont maintenant développé une méthode à base d’eau, permettant d’appliquer une TCO à partir d’aluminium et de sels de zinc à un substrat – sans vide d’air.
Consommation d’énergie réduite
Un autre avantage de la nouvelle méthode : lors du « durcissement » de la couche TCO, la dernière phase de production, le substrat ne doit plus être chauffé à 400 à 600 degrés, mais uniquement à 90 degrés. « Ainsi, notre méthode est non seulement meilleur marché et plus écologique, mais nécessite également moins d’énergie et peut même utiliser des substrats plus sensibles à la chaleur, tels que des plastiques flexibles », a expliqué Harald Hagendorfer de l’équipe de chercheurs.
La plus grande différence réside cependant dans le principe sur lequel se fonde le processus de fabrication : tandis qu’avec la méthode sputtering, la couche est appliquée au substrat sous vide poussé à l’aide d’un plasma hautement énergétique, elle est créée par une sorte d’auto-organisation moléculaire dans le cas de la méthode Empa. La couche TCO grandit donc « toute seule » – et cela sans traitement supplémentaire pour des températures élevées. Une courte exposition à une lampe UV suffit pour garantir une excellente conductivité.
Un autre problème se présentait ici : l’oxyde d’aluminium-zinc (AZO) a tendance à se développer en pointe vers le haut – comme les stalagmites dans une grotte. Pour atteindre une conductivité optimale, il est toutefois indispensable d’éviter que des espaces ne se forment entre les « colonnes ». Solution simple de l’équipe Empa : un « couvercle moléculaire » est utilisé au cours de la croissance des cristaux. Ce dernier limite la croissance verticale du matériau et le force à se développer en largeur – il en résulte une couche parfaitement conductrice et transparente.
Augmenter encore l’efficacité des TCO
L’équipe Empa, dirigée par Ayodhya Tiwari, planche à présent sur l’amélioration des couches AZO. En termes de conductivité et de transparence, elles valent déjà les TCO contenant de l’indium ; leur utilisation dans les cellules photovoltaïques demande toutefois d’être encore quelque peu optimisée. Ainsi Tiwari et Co. prévoient de réduire l’épaisseur de la couche TCO-Schichtdicke d’un à deux micromètres à quelques centaines de nanomètres. Cela permettrait d’également utiliser les couches AZO dans les cellules photovoltaïques flexibles et l’utilisation de matériau s’en verrait encore réduite. En outre, l’équipe Tiwaris travaille en ce moment avec une autre équipe de recherche Empa sur les possibilités de produire des cellules photovoltaïques organiques sans indium et donc meilleur marché et plus durablement. L’intérêt pour la nouvelle méthode semble en tout cas grand. Divers partenaires dans l’industrie soutiennent déjà le projet,ce qui devrait permettre de bientôt produire les TCO d’Empa à grande échelle.
