09 Octobre 2014  |  Traitement de surfaces
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 08/2014

Une méthode de production écologique de couches transparentes et conductrices

Les couches transparentes et conductrices sont devenues indispensables au quotidien, que ce soit dans les smartphones, les tablettes, les ordinateurs portables, les écrans plats ou les cellules photovoltaïques. Le procédé de fabrication de ces couches reste toutefois coûteux et difficile. Des chercheurs de l’Empa ont réussi à développer une méthode mois coûteuse et également plus écologique pour produire ces couches.

Les écrans tactiles de tous les gadgets que nous utilisons au quotidien se doivent d’être transparents et conducteurs d’électricité. Même les cellules photovoltaïques ne peuvent fonctionner sans une telle couche laissant pénétrer les rayons du soleil et capable de décharger l’électricité générée. Ces couches sont composées d’oxydes conducteurs transparents (transparent conductive oxides, TCO), un mélange d’indium et d’oxyde d’étain.
 
Fig. 1. Cellule photovoltaïque flexible sans indium comportant une couche transparente et conductrice produite selon la nouvelle méthode de l’Empa.
 
De l’oxyde de zinc mélangé à de l’aluminium
L’indium est très demandé dans l’industrie électronique, mais également rare et donc cher. 
Une variante moins coûteuse - du moins en termes de matériaux - utilise de l’oxyde de zinc, mélangé avec de l’aluminium, appliqué au substrat au moyen d’une technique dite de pulvérisation par plasma, le plus souvent sous vide poussé.
Le procédé de fabrication est toutefois complexe et donc également coûteux. De plus, il nécessite beaucoup d’énergie et n’est donc pas non plus optimal d’un point de vue écologique. Des chercheurs de la division «Films minces et photovoltaïque» de l’Empa ont mis au point une méthode à base d’eau, permettant d’appliquer une couche TCO à partir d’aluminium et de sels de zinc à un substrat, sans vide d’air.


 
Fig. 2. La couche transparente et conductrice vue au microscope électronique. Les cristaux poussent dans le sens de la largeur, proches l’un de l’autre, en utilisant un «couvercle moléculaire» qui confère à la couche une conductivité optimale.
 
Une plus faible consommation d’énergie 

Cette nouvelle méthode présente un autre avantage: lors du durcissement de la couche TCO, à savoir la dernière phase de production, le substrat ne doit plus être chauffé à 400 à 600 °C, mais uniquement à 90 °C. «Ainsi, notre méthode est non seulement meilleur marché et plus écologique, mais nécessite également moins d’énergie et peut même utiliser des substrats plus sensibles à la chaleur, tels que des plastiques flexibles», explique Harald Hagendorfer de l’équipe de chercheurs de l’Empa.
La plus grande différence réside cependant dans le principe sur lequel se fonde le procédé de fabrication. Alors qu’avec la méthode de pulvérisation, la couche est appliquée au substrat sous vide poussé à l’aide d’un plasma hautement énergétique, elle est créée par une sorte d’auto-organisation moléculaire dans la nouvelle méthode. La couche TCO grandit donc toute seule – et cela sans traitement thermique à des températures élevées. Une courte exposition à une lampe UV suffit pour garantir une excellente conductivité.

Mais un autre problème se présentait: l’oxyde d’aluminium-zinc (AZO) a tendance à se développer en pointe vers le haut – comme les stalagmites dans une grotte. Pour obtenir une conductivité optimale, il est toutefois indispensable d’éviter que des espaces se forment entre les «colonnes». L’équipe de l’Empa, dirigée par Ayodhya Tiwari, a trouvé une solution simple: elle a utilisé, au cours de la croissance des cristaux, un «couvercle moléculaire» qui limite la croissance verticale du matériau et le force à se développer en largeur. Il en résulte une couche parfaitement conductrice et transparente.

 
Fig. 3. Un substrat est introduit dans la solution aqueuse d’oxyde d’aluminium-zinc (AZO);
une couche polycrystalline ordonnée grandit dans celui-ci. Une exposition aux UV permet de rendre la couche transparente et conductrice.
 
Augmenter encore l’efficacité des TCO 

L’équipe de l’Empa, planche à présent sur l’amélioration des couches AZO. En termes de conductivité et de transparence, elles sont déjà comparables aux TCO contenant de l’indium; leur utilisation dans les cellules photovoltaïques demande toutefois d’être encore quelque peu optimisée. Les chercheurs prévoient de réduire l’épaisseur de la couche TCO de un à deux microns à quelques centaines de nanomètres. Cela permettrait également d’appliquer les couches AZO dans les cellules photovoltaïques flexibles et l’utilisation de matériaux s’en verrait encore réduite.
Par ailleurs, l’équipe d’Ayodhya Tiwari travaille en ce moment avec d’autres chercheurs de l’Empa sur les possibilités de produire des cellules photovoltaïques organiques sans indium et donc meilleur marché et plus durables. L’intérêt pour la nouvelle méthode semble en tout cas important. Divers partenaires industriels soutiennent déjà le projet, ce qui devrait permettre de bientôt produire ces couches transparentes et conductrices à grande échelle.
 
À propos de l’Empa
L’Empa est l’institut de recherche interdisciplinaire du Domaine des EPF pour la science des matériaux et la technologie. En tant que pont entre la recherche et ses applications pratiques, elle développe des solutions pour les défis majeurs de l’industrie et de la société.
 


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