Vers des cellules solaires et des diodes électroluminescentes imprimées

A la mi-temps du projet "TREASORES" financé par l’UE, les chercheurs ont récemment 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 – et dont le coût est de plus notablement inférieur.

Une cellules solaire organique flexible issue du projet TREASORES financé par l’UE 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 millimètres alors que l’on contrôle simultanément ses performance. La durée de vie vérifiée de ces cellules atteint environ 4000 heures.

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 grande s quantités avec le procédé roll-to-roll (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’UE, une équipe internationale placée sous la direction du scientifique de l’Empa Frank Nüesch étudient depuis novembre 2012 de nouvelles technologies pour que la production R2R de composant optoélectroniques organique tels que des piles solaires et des éclairages LED deviennent réalité.

[ Les nouvelles électrodes transparentes pour les cellules solaires flexibles développées par le consortium de recherche TREASORES ne demandent plus de éléments rares telles que l’indium pour leur production. Ici un exemple d’électrode textile issue de travaux de recherche de l’Empa en collaboration avec la firme Sefar AG. (Photo: Empa) ]

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 par exemple développé des électrodes composites transparentes ultraminces à base d’argent qui ne sont pas seulement moins coûteuses que les électrodes oxyde d’indium-étain (ITO) mais dont le rendement est aussi supérieur.

De plus, lors de tests en conditions réelles, les premières piles solaires réalisées entièrement avec le procédé R2R ont atteint une durée de vie qui répond aux exigences commerciales. La prochaine étape consistera, selon 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.

Dans la deuxième moitié du projet, le développement d’autres technologies prometteuses sera aussi poursuivi. Entre autres 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 Nüesch. "Mais nous devons encore améliorer plus avant les performances de ces composants produits en masse en réduisant la densité de défauts dans les substrats."

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, 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 Ohm/Square (une mesure de la conductibilité électrique des couches minces) et une perméabilité optique de 80%. Les nanofils de cuivre obtenaient des résultats encore meilleurs: avec une transparence de 90% sur le verre, leur résistance de surface était même inférieure à 10 Ohm/Square –– 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 Ohm/Square. Les cellules solaires produites avec ces électrodes de nanotubes de cuivre présentent actuellement un rendement légèrement supérieur à trois pour-cent.

Les chercheurs ont aussi obtenus des améliorations semblables avec les électrodes CNT; leur résistance surfacique se monte actuellement à 74 Ohm/Square pour une transparence de 90 pour-cent. Avec ces électrodes CNT, les cellules solaires atteignent un rendement qui se situe entre 4 et 5%.

«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 d’environ 20 nanomètres (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 atteignant jusqu’à sept pour-cent ainsi que l’ont montré des tests avec des cellules solaires organiques réalisées avec des matériaux courant du commerce. Avec le même matériau de ces électrodes, cette équipe de chercheur a réalisé des diodes électroluminescentes organiques blanches (OLEDs) présentant un rendement lumineux de 17 lm/W et des diodes électroluminescentes organiques électrochimiques (OLECs) possédant un rendement lumineux de plus de 20 lm/W. Bien que ceci ne représente pas encore de valeurs records pour les OLEDs et les OLECs flexibles, Nüesch relève que "toutes ces électrodes ont été produites par un procédé R2R dans un environnement industriel ou avec des procédés industriels. Ces méthodes de production sont ainsi robustes et reproductibles."