Thèmes de recherche

L’équipe IRM-PV (Interaction Rayonnements Matière – PhotoVoltaïque) concentre ses thématiques de recherches sur la conversion photovoltaïque et la détection de rayonnements et/ou de particules en milieux sévères. Ces travaux s’appuient sur les compétences que portent les membres de l’équipe depuis de nombreuses années. En ce sens, IRM-PV possède et développe un panel d’outils de caractérisations spécifiques permettant de mener des études qui vont du matériau jusqu’au composant.

Ainsi les principaux domaines d’expertise couverts sont : Interaction rayonnement-matière ; Photovoltaïque (Silicium, couches minces,…) ; Caractérisation opto-électrique ; Couches minces optiques ; Détection neutrons et UV pour environnements sévères (semiconducteurs grand gap : SiC, diamant).

De par ses thématiques IRM-PV est naturellement membre actif du laboratoire commun LIMMEX (AMU/CEA) et du nouvel institut de convergence ISFIN (Institut des Sciences de la Fusion et de l’Instrumentation en environnements Nucléaires).

Activités de recherche 

• PV Silicium : caractérisation, modélisation / Vieillissement, Fiabilité des cellules et modules PV

Malgré la maturité des procédés de fabrication classique du silicium à usage solaire, des efforts de recherche sont toujours menés dans le domaine des nouveaux procédés de croissance du silicium car les mécanismes fondamentaux qui limitent les performances PV de ces matériaux ne sont pas parfaitement compris et ne peuvent donc pas être maîtrisés dans les procédés bas coûts. Les compétences historiques de l’équipe IRM-PV dans le domaine de l’interaction impuretés-défauts dans le silicium lui permettent d’être un acteur important de la recherche comme le témoigne son implication dans deux projets ANR récents (SiX et Crysalid).

Par ailleurs, les problématiques environnementales (projet Equipex DURASOL) ont amené l’équipe à étudier la fiabilité et le vieillissement des modules PV avec un accès à la plateforme DURASOL (www.durasol.com) dont fait partie le banc LBIC grandes surfaces développé dans l’équipe pour le silicium et parfaitement adapté aux autres filières. Cette thématique a conduit l’équipe a créer la conférence RS2 (Reliability of Solar materials and Systems) réunissant les principaux acteurs internationaux impliqués dans l’étude de la fiabilité et de la durabilité des systèmes à énergie solaire. Sur la thématique plus spécifique de la caractérisation, l’équipe est impliquée dans le projet H de l’IPVF (outils de caractérisations avancées pour couches minces).

• Carbure de Silicium (SiC)

Initiée en 2008, cette thématique a comme objectif principal l’étude de détecteurs de radiation haute énergie à base de Carbure de Silicium, et plus récemment de diamant.

Le point fort de ces recherches concerne les applications riches et variées de ces détecteurs, depuis le domaine énergétique (nucléaire, prospection Oil&Gas,…) pour la détection de particules (et de rayonnements) haute énergie (neutrons, ions,…) jusqu’aux domaines du spatial, des transports et du biomédical pour la détection d’électrons/photons haute énergie (UV, gamma, X).

La mise en œuvre d’un banc de mesure de la durée de vie des porteurs dans le SiC par la technique « Micro-Wave Phase shift » permet la mesure des propriétés électriques du SiC sans contact.

Cette thématique bénéficie d’une étroite collaboration avec le CEA-Cadarache et le LIMMEX (Laboratoire d’Instrumentation et de Mesures en Milieux Extrêmes CEA/AMU/CNRS), et s’inscrit dans le cadre des activités de recherche de l’Institut de la Fusion et de l’Instrumentation en Environnements Nucléaires.

Elle a permis de former sept doctorants dans le cadre de projets européens (KIC Inno Energy), nationaux (ANR) et régionaux, et a abouti au dépôt de 3 brevets.

Perspectives :

Collaboration ITER

Développement de prototypes industriels de détecteurs de neutrons

Développement de capteurs UV pour applications spatiales

• PV couches minces / Nouveaux concepts PV

Une activité importante de l'équipe depuis plusieurs années consiste à étudier l'interaction lumière-matière dans des dispositifs PV couches minces comme les cellules solaires organiques. En particulier, des stratégies photoniques telle que l'ingénierie plasmonique peuvent être exploitées pour optimiser le couplage entre la lumière incidente et la zone photoactive de dispositifs, pour accroître l'absorption par exemple, et donc la génération excitonique. Ainsi l'intégration de nanostructures métalliques et l'influence de paramètres architecturaux et opto-géométriques sont étudiées de façon prédictive via des logiciels de modélisation optique 3D et de façon expérimentale par la réalisation des structures et leur caractérisation opto-électrique. Cette thématique a principalement été menée dans le cadre de la thèse de S. Vedraine (2009-2012), puis d'A. Sangar (2011-2014) notamment sur les aspects champ proche (thèse financée par l'ANR Carioca), et s'est poursuivie par la thèse de K. N'Konou (2015-2018) sur des nanostructures plasmoniques de type cœur-coquille métal-diélectrique. Les structures exploitées peuvent être réalisées par voie humide (synthèse) ou sèche (évaporation thermique sous vide). Nous avons dans ce cadre développé des collaborations fortes avec plusieurs laboratoires (XLIM-Limoges, INL-Lyon, ICMB-Bordeaux, ...). L'intégration hétérogène de ces nano-objets métalliques ou hybrides au sein de couches minces et de dispositifs, puis leur étude numérique et expérimentale, a mené à une forte activité scientifique en terme de publications et de communications.

• Electrodes Transparentes Conductrices

Nous poursuivons depuis 2011 une activité qui consiste en la mise au point de nouvelles électrodes transparentes conductrices (ETC), principalement sans indium, pour cellules solaires en couches minces. Si l'ITO est l'ETC la plus utilisée, en particulier dans l'OPV et certains dispositifs optoélectroniques, ce matériau n'est pas sans présenter certains inconvénients (rareté de l'indium, structure peu adaptée à des substrats flexibles,…), Une alternative consiste alors à exploiter des structures multicouches de type Diélectrique|Métal|Diélectrique, en particulier à base d'oxydes métalliques. Nous menons dans l'équipe des travaux de modélisation 2D et 3D, de réalisation de ces ETC et de caractérisation opto-électrique. Ces études ont été initiées dans le cadre du projet PTI "NECT" de la MRCT-CNRS (2012-2014), puis poursuivies par la thèse CIFRE d'A. Bou (2012-2015) avec la société CROSSLUX, et par le projet APRF "ENERGLASS" (2013-2016) du Conseil Régional PACA qui visait au développement d'un vitrage PV semi-transparent de grande dimension. Elles se placent actuellement au sein du projet Européen ERANET-MED "NInFFE" pour "New Indium Free Flexible Electrode for Organic Photovoltaic Cells" (2016-2020), financé par le 7ème Programme Cadre de la Commission Européenne, programme H2020. Les partenaires de ce projet sont : IMN-Nantes, MOLTECH-Anjou, LOPCM-Tanger (Maroc), LPCM2E-Oran (Algérie), UPDSC-Tunis El Mannar (Tunisie) et l'IM2NP ; une thèse en codirection internationale est aussi en cours (M.A. Cherif).

Highlights/actualités

Conférence ANIMMA : http://www.animma.com/

IPVF : http://www.ipvf.fr/

Conférence IEEE NSS : https://nssmic.ieee.org/2019/

Conférence RS2 : https://rs2.sciencesconf.org

Projets scientifiques (passés, en cours)

• 2016-2020 : Projet Européen ERANET-MED intitulé "NINFFE" pour "New Indium Free Flexible Electrode for Organic Photovoltaic Cells", financé par le 7ème Programme Cadre de la Commission Européenne (Programme H2020) (IMN-Nantes, MOLTECH Anjou, LOPCM-Tanger, LPCM2E-Oran, UPDSC-Tunis, IM2NP).

• 2015-2019 : ANR CrySaLID : Crystallisation of seeded Silicon, impact of Light Impurities and Defects (en collaboration avec l’équipe MCA)

• 2012-2019 : ANR Equipex DURASOL – Durabilité des systèmes solaires

• Projet collaboratif CEA-Cadarache : détection de neutrons à très forte dose en réacteur TRIGA JSI (Slovénie)