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Chimie des matériaux et interfaces
La mise en place d’une recherche globale et interactive sur les couches minces prises sous toutes leurs formes implique pour chacun des groupes un effort important sur les aspects liés à la chimie des différents types d’absorbeurs et des interfaces associées dans lesquelles ils sont inclus. Plusieurs types d’actions transversales sont à définir. Elles vont prendre des formes différentes selon le type de couches minces inventoriées. Ce besoin d’une approche chimique des systèmes est partout présent dans les structures de seconde génération. Il est aussi très présent lorsqu’on aborde les nouveaux concepts ou les structures à très hauts rendements.
Une chimie des interfaces et des films minces: un travail de recherche alliant des concepts fondamentaux sur la relation propriétés chimiques et propriétés photoélectriques des interfaces est fondamental. Il prolonge la réflexion sur la réactivité chimique des empilements concernés, pour aboutir à de l’ingénierie dans la conception optimale et la mise en forme des interfaces (développement si nécessaire de couches de passivation, de stabilisation, etc.) dans les dispositifs photovoltaïques. Il relève de l’ensemble des axes de recherche verticaux structurant le projet. Il y a des spécificités liées à la conversion photovoltaïque dans le choix des matériaux, tant dans les parties liées à la séparation des paires e-/h+ que dans celles liées à la connectique qui nécessitent des travaux dédiés en physique & chimie des matériaux, en physicochimie des interfaces. Ce besoin est très présent dans toutes les voies « couches minces » : inorganiques, hybrides ou organiques à l’échelle micronique. Il devient essentiel lorsqu’on entre dans le domaine des structures ultraminces, dans la conception d’architecture photonique, dans le développement de structures hybrides ou, lorsqu’on développe des structures avec des architectures nanométriques. Le travail où la dimension chimique est importante, est partagé entre les étapes de synthèse et les étapes de caractérisations, qui sont totalement imbriquées. Dans son volet synthèse il fait appel à des procédés de dépôt des films ou de traitement ultérieurs qui relèvent de processus en voies sèches ou humides, c’est une originalité du domaine. Il faut disposer au travers des compétences des équipes engagées, des outils de croissances, des outils de traitements, des conduites de procédés, qui permettent d’explorer toutes les voies en laboratoire pour ensuite les extrapoler rapidement en lignes pilotes. Un échange de connaissance entre les différentes filières doit être une préoccupation permanente. Côté caractérisation il est nécessaire d’établir une approche expérimentale multiple capable de travailler en amont et en aval de la conception des concepts et dispositifs. Cette capacité de caractérisation est à améliorer voire à créer dans certains domaines. Elle est faite d’une combinaison de spectroscopies, de mesure de morphologie, de test mécanique et bien évidemment d’évaluations électriques ou photovoltaïque des structures étudiées. Le point essentiel est que cet ensemble est pour partie déjà développé par tous les partenaires. Il nous reste à affiner une structuration des transferts d’échantillons et une interactivité très poussée. Il nous faut aussi faire interagir les pratiques des différentes filières couches minces qui sont associées dans notre projet. L’acquis de nos expériences est la capacité de nos approches pluridisciplinaires à créer une dynamique qui débouchera sur des solutions et des concepts originaux. C’est vrai sur les programmes ANR UltraCIS & THRIPV il faut en mettre d’autres déjà engagés.
Une physicochimie des interfaces : le travail de recherche pour préparer les surfaces avant création des interfaces en visant la reproductibilité maximale. Travail de recherche pour développer des stratégies de passivation basées sur des connaissances déjà acquises ou sur des formulations et/ou concepts nouveaux d’architectures d’interfaces.
Le traitement chimique des surfaces et films minces : Il s’agit de mettre en place des travaux visant à proposer des traitements chimiques d’adaptation des couches ou de leurs surfaces. En voie sèche via une ingénierie des traitements thermiques sous atmosphère contrôlée, via une ingénierie des traitements plasma, via une ingénierie de fonctionnalisation Inorganique/ organique. En voie humide, via des dissolutions contrôlées, des gravures sélectives, des texturations ou dé-texturations de couches, des adaptations des procédés chimiques aux impératifs optiques électriques de leurs utilisations.
La question clé de la relation dispositifs photovoltaïque/ support d’intégration ou support de protection : Ce point nécessite un travail d’ingénierie très poussé qui peut aller jusqu’au développement d’interfaces nouvelles. La notion de support est essentielle dans la mise en œuvre des dispositifs. Chaque filière nécessite des efforts de recherche ciblés en ce sens. C’est probablement une zone de progression majeure ou la chimie du solide, celle des polymères, etc , ont un rôle central à jouer.
La chimie et la physique du vieillissement : La fiabilité des composants, l’évolution des performances photovoltaïques en relation avec les évolutions chimiques globales ou localisées des couches et/ou de leurs interfaces sont des questions majeures pour chaque type de filière. La conception de configuration de test et la mise en œuvre d’approches de caractérisations pertinente pour la rétro-ingénierie sont des actions à mener en parallèle sur l’ensemble des filières.
Les outils de caractérisation chimique directs /indirects ; spectroscopies d’analyse optique ou électronique, diffraction X des couches minces, les microscopies champ- proches multi- sondes, les technique de profilage de composition de films d’interfaces, les techniques de mesure de composition absolues et de détections de traces propriétés mécaniques des interfaces et empilements sont autant de techniques d’analyse à mettre à profit sur toutes les filières.
Réactivité aux interfaces : Une réactivité intrinsèque, qui est liée a la nature de l’édifice et à la réactivité chimique en zone d’interface et qui apporte des évolutions de structure des interfaces ; Une réactivité extrinsèque qui est liée à l’activité du composant en condition de fonctionnement réel qui va jusqu'à la notion de vieillissement. Sur les structures couches minces l’importance de la chimie des interfaces est centrale, dans un concept ultra mince ou de multicouche ce paramètre devient prépondérant
Une chimie de la connectique face avant face arrière : C’est aussi un champ d’investigation important qui a selon la nature des filières une spécificité plus ou moins grande. Il s’agit dans ce cas de croiser les compétences pour aboutir à des solutions nouvelles combinant aux mieux les impératifs de collecte et les optimisations optiques des systèmes.