De nouvelles électrodes transparentes à faible coût pour l’optoélectronique
Les matériaux à base d’indium constituent l’élément essentiel de pratiquement tous les écrans plats de la génération actuelle, des cellules solaires à haut rendement, et font partie des LED organiques et inorganiques. Cependant, l’indium est de plus en plus rare et coûteux. L’objectif principal du projet INREP financé par l’UE était de créer des candidats solides mais économiquement viables pour remplacer l’indium dans les composants optoélectroniques. Le consortium multidisciplinaire a adopté une approche holistique intégrant des entreprises renommées dans la chaîne de valeur des oxydes transparents conducteurs (TCO) ainsi que des instituts de recherche qui étudient les options possibles pour des TCO et des technologies de dépôt sans indium. «Nous avons utilisé une combinaison d’études de physique fondamentale et des matériaux, de dépôts conventionnels en couches minces, ainsi que des techniques de croissance et de caractérisation pour développer des films de TCO répondant aux exigences spécifiques des nouveaux dispositifs optoélectroniques», souligne le Dr. Duncan Allsopp. Les films minces de TCO nouvellement développés sont actuellement utilisés comme électrodes pour les cellules solaires, les moniteurs à écran tactile, les LED organiques et inorganiques. Cellules photovoltaïques à haut rendement Les TCO avant et arrière jouent un rôle crucial dans la fabrication de cellules solaires hautement efficaces. «Plutôt que l’oxyde d’indium-étain (ITO), devenu un matériau standard dans la conception des TCO des cellules solaires, nous avons prouvé que l’oxyde d’aluminium et de zinc (AZO) pouvait faire des réflecteurs arrière très efficaces pour les cellules solaires à émetteur avant et arrière. En tant que matériau, l’AZO constitue une alternative à l’indium bon marché, plus facilement disponible, tout aussi transparente et électriquement conductrice», note le Dr. Allsopp. Pour les cellules solaires à émetteur arrière, l’AZO offre une alternative viable aux électrodes de surface avant à base d’ITO, avec une conductivité, un facteur de remplissage et une tension en circuit ouvert similaires. Pour les cellules solaires à hétérojonction de silicium amorphe de type p, les couches minces de TCO à base d’AZO préparées par dépôt de couche atomique (ALD) ont augmenté le facteur de remplissage du réflecteur arrière des cellules solaires à émetteur arrière. Nitrure de gallium (GaN) sur silicium Le GaN est le principal semi-conducteur utilisé pour la fabrication de LED à lumière visible. Dans des conditions de croissance standard, le GaN cristallise dans la structure wurtzite qui n’est pas centro-symétrique: les croissances le long des axes de polarité Ga et N ne sont pas équivalentes. Cette polarité a un impact profond sur les caractéristiques du matériau et les performances de l’appareil. La préparation des LED avec des électrodes en films d’AZO impliquait la tâche difficile de synthétiser des TCO sur du GaN polaire azoté de type n et d’explorer de nouvelles architectures LED. L’équipe a développé avec succès des contacts à faible résistance entre le TCO et le GaN polaire azoté de type n en soignant spécifiquement l’ingénierie de l’interface via un prétraitement au plasma. «Les nouveaux matériaux TCO ont ouvert la voie à de nouveaux modèles d’appareils à LED visibles plus efficaces, plus fiables et moins coûteux», note le Dr. Allsopp. Des anodes sans indium pour les OLED Contrairement aux LED, les LED organiques (OLED) peuvent émettre une lumière douce et diffuse et permettre une dissipation thermique plus facile. En outre, à mesure que les techniques d’encapsulation à film mince s’améliorent, elles peuvent fournir des panneaux de lumière aussi souples qu’un morceau de papier. La nécessité d’améliorer la transparence et la conductivité à des températures élevées rend l’utilisation d’ITO en combinaison avec un substrat flexible et des matériaux d’encapsulation plus difficiles. Les chercheurs ont surmonté ce défi, en montrant que les anodes d’AZO dans les dispositifs OLED préparées soit par pulvérisation cathodique, soit par dépôt chimique en phase vapeur, soit par ALD, donnent une efficacité lumineuse élevée, similaire à celle des dispositifs de référence avec des anodes en ITO. Des capteurs d’écran tactile Les chercheurs de l’INREP ont étudié des alternatives aux matériaux d’électrode en ITO produits par sérigraphie pour les capteurs tactiles transparents. Le défi consistait à synthétiser des pâtes d’impression à base de formulations d’encre à nanofils d’argent présentant des caractéristiques rhéologiques compatibles avec des capteurs tactiles transparents. «Les écrans tactiles en nanofils d’argent se sont avérés nettement supérieurs aux structures équivalentes fabriquées avec de l’ITO en termes de transparence», explique le Dr. Allsopp. Une réalisation majeure, le consortium a développé les technologies et les procédés capables d’exploiter les encres à nanofils d’argent pour la fabrication commerciale d’une large gamme d’écrans tactiles. Ils ont également établi des plateformes de microprogramme nécessaires pour ces applications.
Mots‑clés
INREP, oxyde conducteur transparent (TCO), cellule solaire, oxyde d’aluminium et de zinc (AZO), écran tactile, nanofils d’argent, électrode transparente, LED organique (OLED), électrode à base d’indium
