Principe

Novembre 2023 - Novembre 2028

Partenaire IMN du projet : Nicolas BARREAU  (équipe MIOPS)

Coordinateur :
SOY PV

Partenaires :
Institut Photovoltaïque d'Ile-de-France
Solar Cloth System

L’objectif principal du projet PRINCIPE est ainsi de développer une filière de production en France de cellules/modules photovoltaïques ultra légers, flexibles et à haut rendement, basé(e)s sur l’utilisation de la technologie de couches minces de 2 à 3 μm en CIGS (acronyme pour le composé cuivre, indium, gallium, sélénium de formule chimique Cu (In,Ga) Se2. L’entreprise coordinatrice SOY PV vise une production de cellules à moins de 500 g/m2 avec des rendements approchant les 20% en mettant en oeuvre des procédés à bas coût et haut débit pour une production annuelle de 30 MW en 2030, avec la possibilité d’atteindre 50 MW dans un scénario accéléré. Des niveaux de production annuelle de 1 à 2 MW sont prévus dès la fin du projet pour amorcer une première phase d’industrialisation. Les caractéristiques de légèreté, de flexibilité et de haut rendement des cellules et modules permettront d’élargir notablement le champ d’application du photovoltaïque dans les domaines de l’agriPV, de la mobilité, de l’autonomie, du BIPV ainsi que du PV saisonnier et nomade, domaines dans lesquels l’entreprise partenaire Solar Cloth a commencé à se positionner favorablement sur le marché en s’approvisionnant en cellules CIGS auprès de la compagnie sino-américaine Miasolé. Il est donc important que SOY PV puisse approvisionner très rapidement Solar Cloth en cellules CIGS pour permettre à Solar Cloth d’ouvrir de nouveaux marchés sur la base d’une production plus large. L’utilisation de procédés à bas coût par SOY PV sera un autre facteur déterminant de réussite de la filière française par rapport à la concurrence. La mise en module des cellules CIGS incluant l’architecture des connexions métalliques et l’encapsulation face avant sera effectuée par Solar Cloth.

Architectures tandem innovantes

Janvier 2023 - Décembre 2027

Partenaire IMN du projet : Nicolas BARREAU  (équipe MIOPS)

Personnels IMN impliqués : Thomas LEPETIT (équipe MIOPS), Ludovic ARZEL (équipe MIOPS), Sylvie HAREL (équipe MIOPS)

Coordinateur : Stéphane COLLIN
Institut Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON

Subvention pour le projet : 5762000 €

Partenaires :
Institut Photovoltaïque d'Ile-de-France
Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces
Institut Lavoisier de Versailles
Institut des Nanotechnologies de Lyon
Laboratoire de recherche spécialisé dans l’analyse et l’architecture des systèmes
Centre de Recherche sur l'Hétéro-Epitaxie et ses Applications
Laboratoire des Matériaux et du Génie Physique
FEMTO-ST

 L'objectif du projet IOTA est de développer de nouvelles solutions pour des cellules solaires tandem à faible coût et à haut rendement. Le projet se concentrera sur les cellules solaires en couches minces/silicium afin de tirer parti de la technologie du silicium industriellement mature pour la cellule inférieure, et d’explorer plusieurs options pour la cellule supérieure en tirant parti des technologies déjà disponibles dans la communauté. L'objectif est de proposer des solutions de rupture pour les cellules solaires tandem afin d'atteindre des rendements de conversion >30% avec des procédés à faible coût et industrialisables.

Pour atteindre cet objectif ambitieux, des briques technologiques transversales seront développées (gestion des photons, dépôt de matériaux, couches d’interface, procédés d'intégration). Elles seront compatibles avec différentes architectures de cellules et différents matériaux afin de tirer parti des derniers développements qui interviendront sur les cellules supérieures à couches minces.Le WP1 est dédié au développement de matériaux d’interface sur des surfaces rugueuses de Si. Le WP2 est consacré au développement de procédés de dépôt de pérovskite sur des surfaces rugueuses. Le WP3 est dédié au développement de procédés de rupture pour la nanostructuration et le dépôt localisé. Dans le WP4, la simulation de cellules solaires tandems sera effectuée pour soutenir ces développements, dont l’intégration sera effectuée selon trois architectures différentes.

Le projet IOTA accélérera l'intégration de cellules solaires à couches minces sur silicium à faible coût, en conciliant une réduction de l'utilisation de matériaux critiques et la capacité de transférer ces technologies à faible TRL vers des processus industrialisables (TRL3-TRL4).

Approche Multimodale : caractérisations IN-situ, Operando et ex-siTu et simulAtions pour de noUvelles généRations de cEllules photovoltaïques fiables

Novembre 2023 - Novembre 2028

Partenaire IMN du projet : Nicolas BARREAU  (équipe MIOPS)

Coordinateur :
Laboratoire de Génie Electrique et Electronique de Paris - CentraleSupélec

Partenaires :
Institut Photovoltaïque d'Ile-de-France
Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
Mécanique, Surface, Matériaux et Procédés
Institut de Microélectronique Electromagnétisme et Photonique - LAboratoire d'Hyperfréquences et de Caractérisation
Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides
Laboratoire de Spectroscopie pour les Interactions, la Réactivité et l'Environnement
Laboratoire de Physique et d'Etude des Matériaux
Institut Lavoisier de Versailles
Institut de Recherche de Chimie Paris
Institut Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON
Institut des Sciences Chimiques de Rennes
Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces
Laboratoire des Signaux et Systèmes
Laboratoire des Systèmes Moléculaires et nanoMatériaux pour l'Énergie et la Santé
CEA-LITEN
Laboratoire des Solides Irradiés
Synchrotron SOLEIL
Electricité de France

Les nouvelles technologies de cellules solaires doivent pouvoir s'appuyer sur des diagnostics et études de fiabilité afin d’atteindre l’industrialisation. Si le suivi des performances de cellules ou de modules en conditions réelles sur site (outdoor), est évidemment pertinent, celui-ci doit malheureusement être effectué sur de longues périodes. Ceci rend indispensable le développement de méthodologies et d'outils permettant de déclencher des dégradations de manière accélérée, de les repérer à un stade précoce et d'évaluer leur cinétique. Il s'agit alors d'en comprendre les mécanismes pour espérer supprimer les dégradations en suggérant des modifications des procédés technologiques à différents niveaux : constitution ou structure de matériaux, ingénierie d’interfaces, design de la cellule.

Répondant à ce défi et aux objectifs de l’appel, MINOTAURE réunit un vaste ensemble de compétences et d'expertises complémentaires, tant en caractérisations qu'en modélisations de diverses natures dans une approche de réponse globale et cohérente.

Nous proposons un ensemble complet de caractérisations permettant l’analyse des propriétés chimiques, physico-chimiques, structurales et mécaniques, optiques et optoélectroniques, et électriques. Elles seront déployées sur des briques de base de cellules, ou des cellules complètes, fabriquées au sein du consortium, ou provenant du projet IOTA de ce même PEPR. Nos efforts parallèles porteront sur 

- La mise au point de méthodes de vieillissement accéléré par contraintes imposées soit par la température, l'éclairement, l'environnement (ambiance pouvant varier en humidité, et en composition par introduction de gaz ou polluants), et des mesures in-situ 

- Le déploiement de mesures operando, c'est-à-dire dans des conditions représentatives du fonctionnement de l'objet d'étude, notamment par l'application de polarisation ou d'éclairement et le passage de courant électrique 

- Le développement de mesures ex-situ

Les vieillissements accélérés seront suivis in-situ par des mesures complémentaires : mesures de courant, de tension, de spectroscopie d'impédance, de rendement quantique interne, de spectroscopie de luminescence en régime continu ou modulé, de spectrométrie Raman. Nous nous attacherons à coupler plusieurs de ces mesures sur un même banc pour en assurer le suivi simultané. Les mesures operando seront effectuées notamment par spectroscopie de photoémission et par diffraction de rayons X. Les premières sont particulièrement adaptées à l’étude de systèmes complexes par leur capacité à procurer des informations tant sur les compositions et environnements chimiques que sur la physique des dispositifs (e.g. alignement de bandes), les deuxièmes permettant de révéler les modifications d'ordre structural et mécanique. Dans les mesures ex-situ, nous chercherons à coupler les résultats de caractérisations complémentaires et à en faire une analyse corrélative. Un volet concernera le déploiement d'outils spécifiques pour l'analyse des dégradations de cellules tandem, notamment en lien avec le projet IOTA développant des cellules tandem innovantes de type couches minces sur silicium.

Le consortium regroupe aussi des experts en modélisation à différents niveaux : calculs ab initio à l'échelle atomique, simulations à l'échelle macroscopique de type éléments finis, analyse des données par différents outils y compris des outils d'intelligence artificielle. Ce pôle de modélisations viendra naturellement en complément du bloc expérimental, permettant une analyse approfondie et fiable des résultats issus des caractérisations.

Ce regroupement cohérent permettra de réaliser une analyse quantitative des mécanismes de dégradation, de la chimie transitoire dans les matériaux et aux interfaces et de l’impact des évolutions mises en évidence sur les propriétés optoélectroniques et électriques et donc sur le fonctionnement des cellules photovoltaïques.

Conversion (photo)électrochimique directe de N2 atmosphérique en ammoniac

Octobre 2022 - Septembre 2026

Partenaire IMN du projet : Nicolas BARREAU  (équipe MIOPS)

Coordinateur :
UMR7647 - Laboratoire de physique des interfaces et couches minces

Partenaires :
UMR5182 - Laboratoire de Chimie ENS de Lyon
UMR5635 - Institut européen des membranes
UMR5253 - Institut Charles Gerhardt Montpellier
UMR6230 - Chimie Et Interdisciplinarité, Synthèse, Analyse, Modélisation (CEISAM Nantes)

L’ammoniac est un vecteur clé pour stocker et transporter l’hydrogène, et un carburant idéal pour la production décarbonée d’énergie, tout en restant une matière première indispensable dans la production d’engrais azotés. GREENH3 a pour objectif la production (photo)électrochimique d’ammoniac à partir de l’azote de l’air.

Dispositifs photovoltaïques inorganiques encouches minces pour une alimentation soutenable de l'internet des objets

Janvier 2024 – Juin 2027

Coordinateur IMN du projet :  Thomas Lepetit (équipe MIOPS)

Personnels IMN impliqués : Nicolas Barreau (équipe MIOPS)

Résumé

En 2021, 12,2 milliards d'appareils de l'internet des objets (IoT) étaient déjà connectés et les prévisions tablent sur 20 milliards en 2025. Parmi ces appareils connectés, la plupart sont sans fil, fonctionnent à l'intérieur et sont alimentés par une batterie primaire qui dure généralement entre 8 et 25 mois. Le taux de prolifération des appareils IoT est si élevé que dans quelques années, des centaines de millions de batteries IoT pourraient devoir être remplacées chaque jour, impliquant des coûts de maintenance élevés, sans parler de la production et du recyclage ou de la mise au rebut des batteries. Les récents développements dans le domaine de l'électronique et des protocoles de communication sans fil à faible consommation d'énergie ont considérablement réduit la demande d'énergie et de puissance des appareils IoT et ont ouvert de nouvelles perspectives pour les alimenter grâce à la collecte d'énergie de la lumière ambiante à l'intérieur des bâtiments.

Les dispositifs photovoltaïques d'intérieur basés sur des absorbeurs organiques ou hybrides ont atteint des rendements de conversion de puissance (PCE) significatifs et de nombreux matériaux ont été testés au cours des dernières années. Cependant, ces derniers souffrent encore de problèmes de stabilité qui limitent leur acceptabilité commerciale. La principale conclusion d'une récente revue sur le sujet est qu'"une cellule solaire inorganique qui conserve plus de 80 % de sa valeur PCE initiale même après 10 ans de fabrication doit être développée pour concurrencer les sources d'énergie actuellement utilisées dans les appareils IoT".

L'objectif du projet est de produire de l'énergie pour les appareils IoT à partir de la lumière artificielle ambiante en utilisant des cellules solaires flexibles en couches minces basées sur un semi-conducteur inorganique stable de CuGaSe2 (CGS) à structure chalcopyrite . Ces dispositifs ont le potentiel de convertir jusqu'à 50 % du spectre de la lumière artificielle intérieure car la bande interdite de 1,7 eV de l'absorbeur permet l'absorption de tous les photons supérieurs à 1,8 eV du spectre des LED sans pertes de thermalisation excessives. La synthèse de films minces CGS homogènes et monophasés est un défi, en particulier à basse température, ce qui est nécessaire pour le dépôt sur des substrats flexibles. La croissance du CGS étant limitée par la lenteur de la cinétique de formation, les dispositifs à haut rendement sont généralement obtenus en utilisant de longues étapes de relaxation à une température élevée du substrat. Nous avons récemment démontré que les halogénures de métaux peuvent être utilisés pour réduire considérablement la température de synthèse des films CIGS ainsi que pour produire des films minces CGS monophasés avec de gros grains. Cette approche nouvelle et unique consistant à utiliser les halogénures de métaux comme agent de transport favorisant la croissance des grains a donc tous les ingrédients pour faire sauter les verrous technologiques qui, à ce jour, restreignent l'utilisation de composés CGS stables et industriellement compatibles pour les applications photovoltaïques intérieures sur substrats flexibles. Ce projet se concentrera également sur l'utilisation de traitements alcalins lourds afin d'améliorer la qualité de la jonction basée sur cet absorbeur. Enfin, la consommation de matériaux sera optimisée en réduisant l'épaisseur des couches constituant l'empilement de la cellule et la couche tampon de CdS toxique sera remplacée par une couche tampon alternative basée sur des matériaux non toxiques et abondants.

Propulser la conversion du CO₂ en e-carburants, carburants solaires et synthons chimiques via des énergies renouvelables au-delà de l'état de l'art.

Janvier 2023 - Juin 2029

Partenaire IMN du projet : Stéphane JOBIC  (équipe MIOPS)

Coordinateur :
Institut de recherches sur la catalyse et l’environnement (Ircelyon)

Partenaires :
Laboratoire d'Electrochimie Moléculaire (LEM, Paris)
Laboratoire de chimie des processus biologiques Paris
L’Institut Photovoltaïque d’Île-de-France (IPVF Palaiseau)
Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL Lyon)
Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers - IC2MP Poitiers
Institut de chimie et procédés pour l’énergie, l’environnement et la santé (ICPEES Strasbourg)
Département de Chimie Moléculaire de Grenoble
Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (BIP Marseille)
Laboratoire de chimie de coordination (LCC Toulouse)
Chimie Et Interdisciplinarité, Synthèse, Analyse, Modélisation (CEISAM Nantes)

Autonomous and combinatorial high-throughput exploration methods in solid-state chemistry

Juillet 2022 - Juin 2025

Partenaire IMN du projet : Romain GAUTIER   (équipe MIOPS)

Coordinateur :
Laboratoire Structures Propriétés et Modélisation des Solides
Partenaire :
'Institut de Chimie de la Matière Condensée (ICMCB Bordeaux)

Personnels IMN impliqués :
Thomas DEVIC (DR CNRS), Florian MASSUYEAU (IR CNRS)

In recent years, innovative approaches were developed to accelerate the discovery of novel materials: the combinational approach and autonomous research approach The combinational approach allows the production of materials libraries that formally include several hundreds, even thousands, of compositions. Autonomous research implies the deployment of materials which include synthesis and characterisation modules for automated structural and functional properties, and using AI models to select the areas to be explored. Such a combination allows the exploration of complex multidimensional areas to optimise the composition of materials without human action. Europe is lagging behind the United States and China in this research area. Under this targeted project, our objective is both to use high-throughput combinatorial approaches and to develop autonomous configurations to explore material composition spaces for low-energy applications. In practical terms, we will apply the approaches proposed to accelerate the discovery of oxide materials for smart windows, smart sensors, low-consumption lighting and electronic systems. The parallel combinatorial approach will be implemented and completed with AI models. Interactions with other targeted projects will help extend this oxide strategy to other types of materials. Finally, in addition to automating the discovery of novel materials, this strategy should help researchers gain statistically sound knowledge and an understanding of the composition-(micro)structure-property relationship.

MOFs à base de lanthanides pour une application de nanothermomètres luminescents
(Projet-ANR-18-CE09-0008)

Octobre 2018 - Septembre 2022

Coordinateur du projet : Hélène BRAULT   (équipe MIOPS)

Personnels IMN impliqués :
Thibault AMIAUD (Doctorant)

Mesurer précisément la température à l'échelle sub-micrométrique représente un défi important, notamment dans les domaines des nanotechnologies et de la nano-médecine. Il est essentiel de développer des thermomètres à haute résolution spatiale et non-invasifs pour une mesure précise de température lors de certains phénomènes présents dans des dispositifs électroniques et photoniques (transport thermique, réactions thermiques). Les premières approches de nano-thermométrie consistaient à miniaturiser les thermomètres conventionnels à contact, dans lesquels la mesure de la température est obtenue par un flux de chaleur au cœur d’une sonde invasive. La miniaturisation a cependant atteint ses limites et devient insuffisante pour la mesure de température d’objets en mouvement ou bien à des échelles en-dessous d’une dizaine de micromètres (par exemple la fluctuation de température intracellulaire, la température à l’échelle moléculaire, dans des micro-circuits électroniques ou bien dans des nanofluides). Il y a donc actuellement une forte demande de nano-thermomètres sans contact pouvant être utilisés pour des objets nanométriques. Les MOFs à base d’europium et de terbium sont récemment apparus comme une génération prometteuse de thermomètres répondant à cette nouvelle problématique. La mesure température est alors basée sur la dépendance en température du rapport d’intensité d’émission de deux transitions électroniques bien distinctes, à savoir les transitions 5D4?7F5 et 5D0? 7F2 des ions Tb3+ et Eu3+, respectivement. Dans ce contexte, le projet THERMOF vise à identifier les paramètres clés (topologie, composition) régissant les principales caractéristiques optiques des thermomètres à base de MOFs, au travers d’une corrélation structure-propriété approfondie sur une famille de matériaux. Une seconde partie du projet consistera à synthétiser les MOFs sous formes de nanoparticules et à étudier l'impact de la nanostructuration sur les performances des matériaux pour envisager une utilisation pratique à long terme

Sequential, high Uniformity, Cost Competitive Elemental Selenization and Sulphurization for CIGSSe2
(Projet-ANR-19-SOL2-0003)

Septembre 2019 - Août 2023

Partenaire IMN du projet : Nicolas BARREAU (équipe MIOPS)

Coordinateur :
TNO Solliance
Partenaires :
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
Smit Thermal Solutions BV
AVANCIS GmbH

With a cell record efficiency of 23.35% [A1], Copper-Indium-Gallium-Sulfur-Selenide (“CIGS”) is a leading thin-film solar cell technology. Its record efficiency is above mc-Si (22.3%) [A2], the technology currently dominating the PV-market [A3]. Over the past two years, CIGS has been the fastest growing thin film PV technology. Around 600 MW of CIGS production capacity was added in 2018, with expansion plans for
multiple GWs of production in the next years.

The SUCCESS project will bring together the full value chain for CIGS development: PV module manufacturer Avancis (AVS), equipment supplier Smit Thermal Solutions (Smit), R&D institutions HZB and TNO and research lab CNRS-IMN.

The project has two goals:

Cost-reduction of sequential CIGS.
The project will deliver industrially viable technology for OPEX and CAPEX reduction by optimizing an in-line, vacuum-free CIGS formation process, which uses elemental selenium vapor. This absorber formation process is cheaper than the industrially-dominant batch process, which uses the expensive and highly toxic gas H2Se.

Efficiency-improvement of sequential CIGS.
Heavy alkali metal doping led to great CIGS efficiency improvement in the past few years. Thanks to this, CIGS now outperforms mc-Si at the record cell level. However, CIGS efficiencies still lags behind mc-Si at the module scale, where heavy alkali doping has yet to be implemented in an industrially viable manner. This consortium will bridge this efficiency gap by co-optimizing the CIGS formation, the alkali doping and the buffer interface using state-of-the-art semi-fabricates of AVS.

The expertise on heavy alkali doping still lies mainly in labs using co-evaporation CIGS, whereas AVS uses the industry-dominant sequential CIGS route. Hence, CNRS-IMN and HZB, who demonstrated high efficiencies with alkali doping for co-evaporated CIGS, will apply their expertise to sequential CIGS for implementation at AVS, one of the largest CIGS module manufacturers in the world

Contrôle des pièges dans les matériaux à luminescence persistante
(Projet-ANR-18-CE08-0012)

Octobre 2018 - Juin 2023

Partenaire IMN du projet : Stéphane JOBIC  (équipe MIOPS)

Coordinateur :
Institut de Recherche de Chimie Paris (IRCP Paris)
Partenaires :
BreValor Brevalor SARL / Brevalor SARL
Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute température et Irradiation (CEMHTI Orléans)

Dans les matériaux à luminescence persistante, sous irradiation ultraviolette, il est possible de « stocker de l’énergie » dans des pièges/défauts du matériau. Cette énergie est, une fois l'excitation arrêtée, libérée par une émission de lumière s'échelonnant sur plusieurs heures. La recherche de matériaux innovants sous forme de poudre de taille nanométrique à micrométrique est très active, principalement en Asie, et a tout récemment conduit à des nouvelles applications en bioimagerie. Toutefois, le mécanisme à l’origine de la luminescence persistante n’est pas clairement identifié. Si différents modèles ont été proposés au cours des deux dernières décennies, peu sont corroborés par des techniques expérimentales.

Dans le cadre du projet PERSIST trois groupes de recherche complémentaires (IRCP-Paris, CEMHTI-Orléans et IMN Nantes) et une entreprise (BREVALOR-Suisse) sont réunis pour proposer des avancées dans le domaine. Le but du projet PERSIST est double :

(i) Une meilleure adaptation aux nouvelles exigences d'éclairage LED et au rayonnement solaire. Nous visons si possible à dépasser les propriétés actuelles de luminescence persistante du composé de référence SrAl2O4 de variété monoclinique par son polymorphe hexagonal via différentes substitutions cationiques. Ces dernières permettront de surcroît de varier la couleur de l’émission persistante du bleu ou du vert au blanc.
(ii) Le deuxième volet du projet PERSIST s'appuie sur un effet de volume pour l’absorption et l’émission. Si seulement quelques micromètres de la surface de luminophore participent dans le cas d’échantillons en poudre, en utilisant des matériaux transparents les propriétés de persistance se trouveront exaltées. Le projet PERSIST sera axé sur les vitrocéramiques et une voie originale de cristallisation du verre sera testée, des céramiques et cristaux transparents, et nous avons récemment obtenu un premier résultat pour l'aluminate de strontium monocristallin avec notre partenaire BREVALOR. D'autres matériaux seront élaborés dans le cadre du projet, tels que les spinelles, des grenats ou des aluminates mixtes en vitrocéramique et sous forme de monocristaux par la méthode Czochralski.

Dans ces nouveaux matériaux, les capacités de charge et de décharge seront testées pour des applications intérieures et extérieures. Les processus mis en jeu seront caractérisés par des techniques expérimentales de pointe (RMN, RPE, EXAFS, XANES, photoconductivité, thermoluminescence) et des calculs de structure de bande. Si les applications actuelles de ces matériaux consistent principalement en la signalisation d’issues de secours, d’aiguilles et cadrans de montres et de jouets. Nous envisageons grâce à une luminescence plus intense et une bonne persistance de nouvelles applications en « extérieur » (matériaux de construction, marquage routier …) tandis que les matériaux transparents de grande taille ouvrent sur des nouvelles applications dans le luxe et les bijoux.