Projet SOLART

Study of Optical Layering and Advanced Research Techniques on Sb₂Se₃ for photovoltaic applications

Etude des Couches Optiques et Techniques de Recherche Avancées sur Sb₂Se₃ pour des Applications Photovoltaïques.

in english

Du 01/01/2026 au 31/12/2029

Coordinateur du projet : Camille LATOUCHE (Prof UNIV)

Partenaires : ISCR (UMR 6226 CNRS/Univ. Rennes 1, Michel CATHELINAUD (IR CNRS))

Personnels IMN impliqués : Stéphane JOBIC (DR CNRS), Thomas LEPETIT (MC UNIV), Jean-Yves NEVELLEC (IR CNRS), Jonathan HAMON (IE CNRS)

Financement total : 372 843 € dont 223 273,80 € pour l’IMN

Le projet s’intéresse au matériau Sb₂Se₃, un candidat très prometteur pour les cellules solaires. Il combine plusieurs avantages : une bonne stabilité, une faible toxicité et des propriétés électroniques intéressantes pour la conversion de l’énergie solaire en électricité.

Aujourd’hui, les cellules solaires à base de Sb₂Se₃ atteignent déjà de bons rendements, mais elles restent encore en dessous de leur limite théorique (environ 30 %). L’objectif est donc de trouver de nouvelles stratégies pour améliorer leur efficacité, et dépasser à terme les 15 % de rendement.

Pour y parvenir, le projet se concentre sur trois grands axes :

• La luminescence, qui donne des informations précieuses sur la qualité du matériau.
• L’ingénierie des défauts, afin de mieux contrôler la présence et le rôle des défauts qui influencent fortement les performances.
• L’optimisation des interfaces, en particulier entre le Sb₂Se₃ et une couche tampon comme le Zn₁₋ₓSnₓO (ZTO).

La démarche combine modélisation théorique et expériences en laboratoire. D’un côté, les calculs ab initio permettront de prédire les spectres de luminescence, d’étudier la formation des défauts et de proposer un alignement optimal des bandes électroniques entre le Sb₂Se₃ et ses couches associées. De l’autre, la synthèse et la caractérisation de films de Sb₂Se₃ de haute pureté permettront de tester ces prédictions. Le dopage contrôlé du matériau visera notamment à améliorer la concentration et la mobilité des porteurs de charge.

Différentes techniques expérimentales, comme la spectroscopie de luminescence, la spectroscopie Raman ou encore la spectroscopie photoélectronique UV (UPS), donneront une vision détaillée de la qualité des films obtenus et de leurs propriétés.

En réunissant théorie et expérience, ce projet ambitionne de renforcer la place du Sb₂Se₃ comme une alternative durable au silicium pour le photovoltaïque, et de mettre au point des cellules solaires de nouvelle génération, plus performantes et respectueuses de l’environnement.

Projet SOLART

Study of Optical Layering and Advanced Research Techniques on Sb₂Se₃ for photovoltaic applications

Etude des Couches Optiques et Techniques de Recherche Avancées sur Sb₂Se₃ pour des Applications Photovoltaïques.

Du 01/01/2026 au 31/12/2029

Coordinateur du projet : Camille LATOUCHE (Prof UNIV)

Partenaires : ISCR (UMR 6226 CNRS/Univ. Rennes 1, Michel CATHELINAUD (IR CNRS))

Personnels IMN impliqués : Stéphane JOBIC (DR CNRS), Thomas LEPETIT (MC UNIV), Jean-Yves NEVELLEC (IR CNRS), Jonathan HAMON (IE CNRS)

Financement total : 372 843 € dont 223 273,80 € pour l’IMN

Le projet s’intéresse au matériau Sb₂Se₃, un candidat très prometteur pour les cellules solaires. Il combine plusieurs avantages : une bonne stabilité, une faible toxicité et des propriétés électroniques intéressantes pour la conversion de l’énergie solaire en électricité.

Aujourd’hui, les cellules solaires à base de Sb₂Se₃ atteignent déjà de bons rendements, mais elles restent encore en dessous de leur limite théorique (environ 30 %). L’objectif est donc de trouver de nouvelles stratégies pour améliorer leur efficacité, et dépasser à terme les 15 % de rendement.

Pour y parvenir, le projet se concentre sur trois grands axes :

• La luminescence, qui donne des informations précieuses sur la qualité du matériau.
• L’ingénierie des défauts, afin de mieux contrôler la présence et le rôle des défauts qui influencent fortement les performances.
• L’optimisation des interfaces, en particulier entre le Sb₂Se₃ et une couche tampon comme le Zn₁₋ₓSnₓO (ZTO).

La démarche combine modélisation théorique et expériences en laboratoire. D’un côté, les calculs ab initio permettront de prédire les spectres de luminescence, d’étudier la formation des défauts et de proposer un alignement optimal des bandes électroniques entre le Sb₂Se₃ et ses couches associées. De l’autre, la synthèse et la caractérisation de films de Sb₂Se₃ de haute pureté permettront de tester ces prédictions. Le dopage contrôlé du matériau visera notamment à améliorer la concentration et la mobilité des porteurs de charge.

Différentes techniques expérimentales, comme la spectroscopie de luminescence, la spectroscopie Raman ou encore la spectroscopie photoélectronique UV (UPS), donneront une vision détaillée de la qualité des films obtenus et de leurs propriétés.

En réunissant théorie et expérience, ce projet ambitionne de renforcer la place du Sb₂Se₃ comme une alternative durable au silicium pour le photovoltaïque, et de mettre au point des cellules solaires de nouvelle génération, plus performantes et respectueuses de l’environnement.

Projet SOLART

Study of Optical Layering and Advanced Research Techniques on Sb₂Se₃ for photovoltaic applications

Etude des Couches Optiques et Techniques de Recherche Avancées sur Sb₂Se₃ pour des Applications Photovoltaïques.

Du 01/01/2026 au 31/12/2029

Coordinateur du projet : Camille LATOUCHE (Prof UNIV)

Partenaires : ISCR (UMR 6226 CNRS/Univ. Rennes 1, Michel CATHELINAUD (IR CNRS))

Personnels IMN impliqués : Stéphane JOBIC (DR CNRS), Thomas LEPETIT (MC UNIV), Jean-Yves NEVELLEC (IR CNRS), Jonathan HAMON (IE CNRS)

Financement total : 372 843 € dont 223 273,80 € pour l’IMN

Le projet s’intéresse au matériau Sb₂Se₃, un candidat très prometteur pour les cellules solaires. Il combine plusieurs avantages : une bonne stabilité, une faible toxicité et des propriétés électroniques intéressantes pour la conversion de l’énergie solaire en électricité.

Aujourd’hui, les cellules solaires à base de Sb₂Se₃ atteignent déjà de bons rendements, mais elles restent encore en dessous de leur limite théorique (environ 30 %). L’objectif est donc de trouver de nouvelles stratégies pour améliorer leur efficacité, et dépasser à terme les 15 % de rendement.

Pour y parvenir, le projet se concentre sur trois grands axes :

• La luminescence, qui donne des informations précieuses sur la qualité du matériau.
• L’ingénierie des défauts, afin de mieux contrôler la présence et le rôle des défauts qui influencent fortement les performances.
• L’optimisation des interfaces, en particulier entre le Sb₂Se₃ et une couche tampon comme le Zn₁₋ₓSnₓO (ZTO).

La démarche combine modélisation théorique et expériences en laboratoire. D’un côté, les calculs ab initio permettront de prédire les spectres de luminescence, d’étudier la formation des défauts et de proposer un alignement optimal des bandes électroniques entre le Sb₂Se₃ et ses couches associées. De l’autre, la synthèse et la caractérisation de films de Sb₂Se₃ de haute pureté permettront de tester ces prédictions. Le dopage contrôlé du matériau visera notamment à améliorer la concentration et la mobilité des porteurs de charge.

Différentes techniques expérimentales, comme la spectroscopie de luminescence, la spectroscopie Raman ou encore la spectroscopie photoélectronique UV (UPS), donneront une vision détaillée de la qualité des films obtenus et de leurs propriétés.

En réunissant théorie et expérience, ce projet ambitionne de renforcer la place du Sb₂Se₃ comme une alternative durable au silicium pour le photovoltaïque, et de mettre au point des cellules solaires de nouvelle génération, plus performantes et respectueuses de l’environnement.

Study of Optical Layering and Advanced Research Techniques on Sb₂Se₃ for photovoltaic applications

January 1^st 2026 – December 31^th 2029

IMN coordinator of the project : Camille LATOUCHE (Prof UNIV)

Partners :     ISCR (UMR 6226 CNRS/Univ. Rennes 1, Michel CATHELINAUD (IR CNRS))
        

Persons of IMN involved : Stéphane JOBIC (DR CNRS), Thomas LEPETIT (MC UNIV), Jean-Yves NEVELLEC (IR CNRS), Jonathan HAMON (IE CNRS)

Total financing : 372843 € with 223 273.80 € for IMN

This project focuses on Sb₂Se₃, a very promising material for solar cells.
It combines several advantages: good stability, low toxicity, and favorable electronic properties for converting sunlight into electricity.

Currently, Sb₂Se₃-based solar cells already reach decent efficiencies, but they are still below their theoretical limit (about 30%).
The main goal of this project is to develop new strategies to improve their performance and eventually achieve efficiencies above 15%.

To reach this goal, the project is built around three main directions:
•    Luminescence, which provides valuable information about the quality of the material.
•    Defect engineering, to better control the type and role of defects that strongly influence performance.
•    Interface optimization, especially between Sb₂Se₃ and a buffer layer such as Zn₁₋ₓSnₓO (ZTO).

 The different stages of work

The approach combines ab initio modeling and laboratory experiments.
On the one hand, ab initio calculations will predict luminescence spectra, study defect formation energies and concentrations, and propose an optimal band alignment between Sb₂Se₃ and its buffer layers.
On the other hand, the synthesis and characterization of high-purity Sb₂Se₃ films will test these predictions. Controlled doping of the material will further improve electronic properties such as carrier concentration and mobility.

Different experimental techniques, such as luminescence spectroscopy, Raman spectroscopy, and UV photoelectron spectroscopy (UPS), will provide detailed insights into the quality and properties of the materials.
By combining theory and experiment, this project aims to strengthen Sb₂Se₃ as a sustainable alternative to silicon in photovoltaics, and to develop next-generation solar cells with higher efficiency and lower environmental impact.

Study of Optical Layering and Advanced Research Techniques on Sb₂Se₃ for photovoltaic applications

Etude des Couches Optiques et Techniques de Recherche Avancées sur Sb₂Se₃ pour des Applications Photovoltaïques.

in english

Du 01/01/2026 au 31/12/2029

Coordinateur du projet : Camille LATOUCHE (Prof UNIV)

Partenaires : ISCR (UMR 6226 CNRS/Univ. Rennes 1, Michel CATHELINAUD (IR CNRS))

Personnels IMN impliqués : Stéphane JOBIC (DR CNRS), Thomas LEPETIT (MC UNIV), Jean-Yves NEVELLEC (IR CNRS), Jonathan HAMON (IE CNRS)

Financement total : 372843 € dont 223 273,80 € pour l’IMN

Ce projet cible l'optimisation du Sb₂Se₃ pour des applications photovoltaïques (PV).

Sb₂Se₃ est un matériau prometteur grâce à sa grande stabilité, sa faible toxicité et ses propriétés électroniques favorables.

Malgré des avancées récentes, l'efficacité de conversion énergétique (PCE) des cellules à base de Sb₂Se₃ reste inférieure à sa limite théorique de 30 % d’où la nécessité de recherches supplémentaires. L'objectif principal du projet est d'améliorer l'efficacité des dispositifs PV à base de Sb₂Se₃. Les propriétés de luminescence seront privilégiées ainsi que l'ingénierie des défauts. L'optimisation des interfaces avec notamment Zn₁₋ₓSnₓO (ZTO) comme couche tampon sera également étudiée.

Des calculs de premiers principes et une validation expérimentale seront combinés. Ils permettront au consortium de simuler et de prédire les spectres de luminescence. La formation des défauts et la modélisation d’un alignement optimal des bandes entre le Sb₂Se₃ et sa couche tampon seront ainsi explorées. Ces approches théoriques orienteront la synthèse et la caractérisation de films de Sb₂Se₃ de haute pureté. Leur dopage améliora des propriétés électroniques comme la concentration et la mobilité des porteurs de charge. Des techniques de caractérisation comme la luminescence, la spectroscopie Raman et l'UPS (UV photoelectron spectroscopy soit en français : spectrométrie photoélectronique UV), fourniront des informations détaillées sur la qualité et les performances des matériaux. Ce projet vise donc à développer des cellules solaires de nouvelle génération avec une efficacité supérieure à 15 % en renforçant le potentiel du Sb₂Se₃ en tant qu'alternative durable au silicium dans l'industrie PV.

Electrolyte innovant et cathode organique ou soufrée pour une batterie Magnésium performante
(Projet-ANR-18-CE05-0022)

Octobre 2018 - Septembre 2022

Partenaire IMN du projet : Philippe POIZOT   (équipe ST2E)

Coordinateur :
Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et des Interfaces (LEPMI Gtrnoble)
Partenaires :
Institut de chimie moléculaire et des matériaux (ICGM Montpellier)

Notre société moderne est largement tributaire des ressources en énergie. Les préoccupations environnementales liées à l'utilisation de combustibles fossiles ainsi que leur quantité limitée imposent le développement d’énergie électrique à partir de sources renouvelables. Ces sources renouvelables ont besoin d'un stockage d'énergie électrique pour pallier l'intermittence de leur production d'énergie. Le développement des véhicules hybrides et électriques accentue la demande d’un stockage efficace, écologique et économique de l'énergie électrique. Depuis leur apparition commerciale, les batteries Li-ion ont inondé le marché du stockage de l'énergie, la production de lithium a doublé au cours des dix dernières années Même si les réserves de lithium semblent être importantes, leurs concentrations dans certaines zones géographiques en font un métal stratégique. De plus, le lithium métal ne peut pas être utilisé, comme électrode négative ultime en présence d’un électrolyte liquide en raison de problèmes de sécurité liés à la formation de dendrites très réactives. De ce fait, le développement de dispositifs rechargeables utilisant des électrodes métalliques, plus stables est au cœur d’une activité de recherche qui s’est récemment intensifiée. Dans ce contexte concurrentiel, les batteries au magnésium présentent des caractéristiques très intéressantes, en termes de performances, de coût, de sécurité et de moindre impact sur l’environnement. L'émergence d’une batterie magnésium commerciale présentant des performances concurrentielles à celles des batteries Li-ion est cependant conditionnée au développement de nouveaux électrolytes et matériaux d’électrode dépassant l'état de l’art actuel. En effet, l'utilisation de cations divalents, Mg2+, impose le développement de stratégies en rupture à celles développées pour le Li-ion, tant au niveau du design de nouveaux sels de magnésium que de matériaux d'électrode positive adaptés au caractère divalent du magnésium. De nombreuses avancées scientifiques sont nécessaires pour proposer des électrolytes non corrosifs, stables électrochimiquement dans une large plage de potentiel, permettant la réversibilité de l’électrode de magnésium et des électrodes positives présentant des capacités et potentiel permettant des densités d'énergies élevées.

Ainsi le projet MAIOSC, "MAgnesium batteries with innovative electrolyte and efficient Organic or Sulfur Cathodes", vise à adresser ces verrous scientifiques et propose des électrolytes et des électrodes positives performantes comprenant soit un matériau organique, soit du soufre, couplés à une négative en magnésium métallique. En effet, contrairement aux matériaux actifs inorganiques, les matériaux d'électrode organiques et les électrodes de soufre s’adaptent bien au caractère divalent du Mg2+, et ouvre ainsi un large potentiel d’étude permettant le développement d'électrodes innovantes et performantes.

Cet aspect matériaux innovants du projet est couplé à une approche fondamentale d'études des électrolytes et des interfaces électrode métallique Mg/électrolyte afin d'avancer dans la compréhension de l'effet de complexation en solution du magnésium II sur la réactivité aux interfaces par des mesures in situ et operando.

De plus les solutions innovantes et performantes proposées dans le projet sont, respectueuses de l’environnement par l’utilisation d’une chimie verte pour la synthèse des matériaux d'électrode positive et permettront, à moyen terme, le développement de la technologie batterie magnésium

PEPR Hydrogène décarboné FLEXISOC : FLEXIbilité des cellules SOC vis-à-vis du combustible
(Projet PEPR PROTEC)

Juin 2022 - Mai 2027

Coordinateur du projet : Annie LE GAL LA SALLE   (équipe ST2E)

Partenaires :
FEMTO-ST Institut Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
Institut de Chimie de la Matière Condensée (ICMCB Bordeaux)
Institut de chimie et procédés pour l’énergie, l’environnement et la santé (ICPEES Schiltigheim)
Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER Limoges)
Institut de Recherche de Chimie (IRCP Paris)
Institut des Sciences Chimiques (ISCR Rennes)
Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (LAPLACE Toulouse)
Laboratoire Georges Friedel (LGF Saint-Étienne)
Unite de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS Lille)
Structures, Propriétés et Modélisation des Solides (SPMS Gif-sur-Yvette)


Personnels IMN impliqués :
Olivier JOUBERT (PR UNIV), Clément NICOLLET (CR CNRS), Eric QUAREZ (CR CNRS)

Actuellement, la conversion de l’hydrogène en électricité dans des systèmes piles à combustible à membrane polymère se positionne à un haut niveau de maturité technologique, mais nécessite de l’hydrogène de très haute pureté. Les piles à combustible haute température à membrane céramique (SOC : Solid Oxide Cell) à conduction anionique ou protonique, bien que moins matures, permettent l’utilisation de combustibles variés, et peuvent fonctionner en mode réversible alternant les fonctions d’électrolyseur et de générateur. L’objectif du projet est donc de mettre au point une cellule complète à la fois robuste et flexible vis-à-vis du combustible, et fonctionnant à relativement basse température (600°C). Ce projet s’articule autour de plusieurs axes, à savoir l’identification de nouveaux matériaux capables d’activer les réactions de reformage interne tout en présentant une bonne tolérance aux poisons de catalyseur généralement rencontrés dans ces systèmes (CO, suies, H₂S), l’architecturation des électrodes pour mettre en œuvre les matériaux sélectionnés, la mise en forme des matériaux d’électrolyte et l’assemblage des cellules avec la mise en œuvre d’interfaces, ainsi qu’une approche par modélisation afin d’optimiser les conditions de fonctionnement des dispositifs et limiter ainsi l’encrassement.

En pratique, la mise au point de catalyseurs actifs et stables à plus basse températures que ceux existant actuellement, avec une cible de vitesse de formation de carbone autour de 0,5 mg_carbon g_cat^-1 h^-1 à 600°C, constituera la première brique du projet. Simultanément, les matériaux d’électrodes à combustible seront adaptés afin de les rendre tolérants à plusieurs polluants, et notamment le sulfure d’hydrogène, en visant des valeurs tolérables minimum en fin de projet de 3 à 5 ppm. De même, la partie électrolyte sera optimisée, notamment en termes de composition et d’épaisseur, avec comme objectif une épaisseur maximale de 10-20 microns.  L’accroissement de la durée de vie des systèmes grâce au contrôle complet du système sous atmosphères diverses et de façon automatisée, ainsi que la mise au point de stratégies efficaces de nettoyage compléteront le projet. Pour la co-génération et mobilité lourde, avec reformage et désulfuration, la durée de vie visée en 2024 est de 60 000h, avec des rendements de Rdt_el > 45% PCI et Rdt_th > 25% PCI. Dans le cas du projet FLEXISOC, avec une cellule permettant de s’affranchir de ces étapes amont, une durée de vie de 30 000 h est visée. Finalement, l’objectif de densité de puissance de la cellule complète, qui permettrait à la fois de faire du reformage interne, de résister à une teneur de 5 ppm de H₂S, et de présenter une durée de vie satisfaisante pourrait être de 1 W cm^-2 en 2027.

[widgetkit id="2" name="Stockage et Transformation Electrochimiques de l’Energie"]

Afin de construire et consolider un leadership français dans des domaines scientifiques considérés comme prioritaires, des Programmes et Equipements Prioritaires de Recherche (PEPR) ont été mis en place.

Le PEPR Hydrogène décarboné, piloté scientifiquement par le CEA et le CNRS a inauguré le lancement des PEPR en 2021. Le but de ce programme est de soutenir des activités de R&D en amont au plus haut niveau mondial tout en appuyant les industriels de la filière hydrogène en suivant les priorités définies par la stratégie nationale.

L’activité de l’équipe ST2E se fonde sur la synthèse et la caractérisation de matériaux et sur l’analyse des mécanismes susceptibles d'intervenir dans le fonctionnement de dispositifs de stockage ou de transformation électrochimique de l’énergie.

L'équipe est structurée en 3 thèmes de recherche : Batteries & Spectroscopie, Supercondensateurs, Piles à combustibles & électrolyseurs

L'équipe regroupe 18 chercheurs permanents et une vingtaine de non-permanents avec des compétences dans les domaines de la physico-chimie des oxydes, de la chimie inorganique et organique, de l’électrochimie, de la modélisation et de la science des matériaux dont leur mise en forme dans des dispositifs. Le cœur des activités de recherche de l’équipe porte sur des matériaux d’électrodes conducteurs mixtes ionique et/ou électronique et des électrolytes solides conducteurs ioniques avec comme objectifs d'améliorer les performances énergétiques, la fiabilité, la durée de vie, la sécurité des systèmes en cours de développement ou commercialisés. Il s'agit par exemple d'élargir la gamme de température d'utilisation, en modifiant les matériaux existants, en concevant de nouveaux matériaux et en contrôlant toutes les interfaces. Les aspects recyclage et éco-conception sont aussi traités.

Notre recherche a donné lieu sur les 5 dernières années à :

• 234 publications avec comités de lecture (3800 citations)
• 13 brevets
• 124 conférences invitées internationales
• 24 organisations de congrès internationaux