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.