1 - Matériaux inorganiques et dispositifs photovoltaïques

Image par microscopie électronique à balayage de la coupe d’une cellule solaire à base de Cu(In,Ga)(Se,S)2. L’empilement des quatre couches minces déposées sur un substrat de verre n’excède pas 3 µm et permet de convertir plus de 20 % du rayonnement solaire en énergie électrique. Une telle structure peut aussi être déposée sur des substrats de type feuille plastique ou métallique.

La conversion photovoltaïque permet de convertir l’énergie solaire en énergie électrique. A ce jour, la technologie à base de silicium cristallin (c-Si) représente plus de 95% du marché mondial. Cette technologie va néanmoins atteindre ses limites de rendement industriel d’ici à 2030 et ne permet pas de couvrir de manière optimale l’ensemble des besoins des utilisateurs (marchés niches tels les panneaux flexibles et légers, indoor). La technologie photovoltaïque sur laquelle nous travaillons est à base de couches minces de matériaux chalcogénures à structure chalcopyrite, à savoir Cu(In,Ga)(Se,S)2. Elle permet d’atteindre des rendements de conversion supérieurs à 23 % en laboratoire et présente de nombreux atouts. Outre sa faible consommation en matériau et sa simplicité structurale, la cellule à base de Cu(In,Ga)(Se,S)2 peut être fabriquée sur des feuilles plastiques et son domaine d’absorption optique peut être adapté à des applications de type cellule tandem ou indoor. Nos travaux ont pour objectif de développer des connaissances et des concepts en relation avec ces deux types d’applications.

Expertises : Procédés de synthèse de couches minces ; propriétés structurales, optiques et électroniques des matériaux ; propriétés des surfaces et des interfaces.

 Mot clés : Photovoltaïque, couches minces, chalcogénures, caractérisation

Collaborations :

  • Nationales : IPVF, C2N, Institut FOTON, INL-Lyon, CRHEA, CEA-INES
  • Internationales : Université de Münster, Ecole Polytechnique de Varsovie, IES Madrid, HZB Berlin
  • Entreprises : B-Plan, AVANCIS

Personnes de l’IMN impliquées : Nicolas BARREAU, Ludovic ARZEL, Thomas LEPETIT, Sylvie HAREL

 Projets : ANR SIPHON, PEPR TASE-IOTA, PEPR TASE-MINOTAURE, ADEME PRINCIPE, Europe SITA, Europe PARACELSIS

Publications majeures :

  • Choubrac, L., Bertin, E., Pineau, F., Arzel, L., Lepetit, T., Assmann, L., … & Barreau, N. (2023). On the role of sodium and copper off‐stoichiometry in Cu(In,Ga)S2 for photovoltaic applications: Insights from the investigation of more than 500 samples. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 31(10), 971-980. (https://doi.org/10.1002/pip.3701)
  • Barreau, N., Bertin, E., Crossay, A., Durand, O., Arzel, L., Harel, S., Lepetit, T., … & Lincot, D. (2022). Investigation of co-evaporated polycrystalline Cu(In,Ga)S2 thin film yielding 16.0% efficiency solar cell. EPJ Photovoltaics, 13, 17. (https://doi.org/10.1051/epjpv/2022014)
  • Lepetit, T., Harel, S., Arzel, L., Ouvrard, G., & Barreau, N. (2017). KF post deposition treatment in co‐evaporated Cu(In,Ga)Se2 thin film solar cells: Beneficial or detrimental effect induced by the absorber characteristics. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 25(12), 1068-1076.
  • Lepetit, T., Harel, S., Arzel, L., Ouvrard, G., & Barreau, N. (2016). Coevaporated KInSe2: a fast alternative to KF postdeposition treatment in high-efficiency Cu(In,Ga)Se2 thin film solar cells. IEEE Journal of Photovoltaics, 6(5), 1316-1320.

2 - Photo(électro)catalyse / Carburants solaires

À travers une approche chimie des matériaux, l’Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN) développe des semi-conducteurs pour la conversion de l’énergie solaire en molécules à haute valeur ajoutée. L’équipe MIOPS travaille notamment sur des nouveaux matériaux chalcogénures et anions mixtes. Les recherches portent sur des dispositifs photocatalytiques et photoélectrocatalytiques pour la production d’hydrogène, la réduction du CO₂ ou la valorisation de N₂. Pour ce faire nous mobilisons des approches de synthèse variées (co-évaporation sous vide, à l’état solide, chimie douce), combinées à des outils de caractérisation avancés (diffraction des rayons X, microscopie électronique, spectroscopies XPS, analyses optiques) et à la modélisation ab initio des propriétés électroniques et optiques. Cette complémentarité permet de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux de conversion et d’optimiser les performances des matériaux photoactifs pour répondre aux défis énergétiques et environnementaux actuels.

Expertises : Dépôt par co-évaporation sous vide, synthèse solvothermale, synthèse micro-ondes, synthèse par voie sol-gel, caractérisation DRX, caractérisation MET/MEB, caractérisation XPS, mesures optiques test photocatalytique, test photoélectrocatalytique

Mots clés : Matériaux, Ingénierie de structure électronique, Carburants Solaires, Photocatalyse, Photoélectrocatalyse.

Collaborations : Chimie Et Interdisciplinarité, Synthèse, Analyse, Modélisation (CEISAM), L’Institut des Sciences Chimiques de Rennes (ISCR), Institut de recherches sur la catalyse et l’environnement (IRCELYON), Institut Parisien de Chimie Moléculaire (IPCM), Institut de Chimie et Procédés pour l’Energie, l’Environnement et la Santé (ICPEES), TU Darmstadt

Personnes de l’IMN concernées : Nicolas Barreau, Hélène Brault, Maria Teresa Caldes, Sylvie Harel, Stéphane Jobic, Houria Kabbour, Camille Latouche, Clément Maheu

Projets de recherche en cours : GreeNH3 (PEPR, 2022-2026), OMATSOLFUEL (MSCA-PF, 2023-2025), Power-CO2 (PEPR, 2023-2029), GASPER (ANR, 2024-2028), PACHAS (ANR, 2025-2029)

Publications majeures :

3 - Matériaux inorganiques et dispositifs photovoltaïques

Photographie d’une cellule solaire organique fabriquée sur un substrat plastique

Élaborer et étudier des électrodes originales exemptes d’indium à partir d’une technologie ne nécessitant pas de traitement haute température, ni de procédé agressif et compatible avec l’utilisation d’un substrat flexible et permettant un transfert technologique à grande échelle dans l’industrie de l’électronique souple, pour applications dans le domaine du photovoltaïque et PV semi transparent pour intégration dans le bâtiment « intelligent ». Nos travaux de recherche sont organisés en deux axes : (i) électrode transparente conductrice et flexible exempte d’indium, (ii) couche active (tendre vers une couche exempte de fullerène).

 Expertises : Dépôts de couches minces sous vide, Caractérisation électrique, Caractérisation optique, Caractérisation physico-chimique

 Mots clés : Cellules Photovoltaïque Organiques, Électrodes Transparentes Conductrices et flexibles, Couches d’interfaces, PV semi transparent, intégration au bâtiment

 Personnes de l’IMN concernées : Linda CATTIN, Guy LOUARN

 Projets de recherche en cours : PHC Imothep, IFCAR/ CEFIPRA

Publications majeures :

  • Facile enhancement of bulk heterojunction solar cells performance by utilizing PbSe nanorods decorated with graphene. El-Menyawy, EM; Cattin, L; (…); Arzel, L. Oct 1 2019  JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 553 , pp.117-125
  • Graphite-Based Localized Heating Technique for Growing Large Area Methylammonium Lead Bromide Single Crystalline Perovskite Wafers and Their Charge Transfer Characteristics. Gandhi, MB; Mohan, A; (…); Padmanabhan, P, Mar 4 2025, ACS OMEGA 10 (10) , pp.10220-10229
  • Low temperature synthesis of MoS2 and MoO3:MoS2 hybrid thin films via the use of an original hybrid sulfidation technique. Ftouhi, H; Lamkaouane, H; (…); Cattin, L. Aug 2022, SURFACES AND INTERFACES
  • Electrochemical fabrication of nanowires poly (Indole-6-carboxylic acid) adorned with nanorod MnO2 for evaluation of its capacitive properties. Lorca-Ponce, J; Cisterna, J; (…); Ramírez, AMR, Oct 1 2023, ELECTROCHIMICA ACTA
  •  Semi-transparent organic photovoltaic cells with dielectric/metal/dielectric top electrode: Influence of the metal on their performances. Nanomaterials 2021, 11(2), 393; https://doi.org/10.3390/nano11020393
  • On the use of multiple stacked active layers in organic photovoltaic cells. J Mater Sci 55, 9762–9774 (2020). https://doi.org/10.1007/s10853-020-04568-9
  • New dielectric/metal/dielectric electrode for organic photovoltaic cells using Cu:Al alloy as metal, Journal of Alloys and Compounds, 819, 2020, 152974. http://www.elsevier.com/locate/jalcomhttps://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152974

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