Pour le solaire et la photocatalyse

Dispositif antireflet pour le photovoltaïque

Il existe de manière générale deux types de dispositifs antireflets. D’un côté, les dispositifs à gradient d’indice permettent d’accommoder la différence d’indices entre le milieu incident (généralement l’air) et l’objet (d’indice plus élevé) pour ainsi maximiser l’intensité lumineuse transmise. Cependant, ces dispositifs présentent l’inconvénient d’être souvent épais ou obtenus via la nano-structuration de couche mince par des techniques coûteuses. D’un autre côté, les dispositifs basés sur des effets interférentiels permettent de réduire la part de lumière réfléchie. Le plus simple d’entre eux est l’utilisation d’une couche mince quart d’onde. Cependant, pour augmenter leur efficacité, il est nécessaire d’augmenter le nombre de couches de ce dispositif, rendant à nouveau la production de cet antireflet coûteux.
Dans l’équipe MATEPP, nous travaillons sur la formation de dispositifs antireflets grâce à la seule pulvérisation réactive. En effet, la maîtrise de ce procédé nous permet de déposer des couches minces d’oxynitrures ou de carbonitrures d’indices de réfraction parfaitement contrôlés et variables sur une large gamme. Il est alors possible d’obtenir des dispositifs antireflets plus ou moins complexes à partir d’une seule technique de dépôt et sans nécessité de nano-structuration.

Gamme d’indices de réfraction (à 1,96 eV) atteignables pour les différents types de matériaux déposés.

Des dispositifs simples, quart d’onde, sont étudiés pour les cellules solaires de première génération, dans le cadre de l’ANR HD-Plasma. Dans ce contexte, il s’agit de produire une couche qui combine à la fois la propriété antireflet et de passivation (grâce à la présence d’hydrogène) avec des procédés moins dangereux qui ceux actuellement utilisés (faisant intervenir le silane).

Dans le cadre de l’action NANO-CAR, financée par le LABEX IMoBS3, nous travaillons en collaboration avec des chercheurs de l’Institut Pascal qui simulent et optimisent des dispositifs plus ou moins complexes, basés à la fois sur des effets de gradient et des effets interférentiels (Figure de gauche). Ces dispositifs sont ensuite réalisés dans l’équipe MATEPP grâce au dépôt de SixOyNz, puis caractérisés (Figure de droite). Nous avons ainsi pu former des dispositifs de moins de 200 nm atteignant une réflectivité basse de 4% (moyennée sur une gamme de 200 – 900 nm), conservée pour des angles d’incidence élevés, sur un substrat initialement réfléchissant, du silicium poli. Des valeurs encore plus basses ont depuis pu être atteintes, ce qui est très encourageant pour envisager ces dispositifs comme antireflets très efficaces pour le solaire en couche mince de deuxième génération.

(gauche) Exemple de modèle de multicouche utilisé pour l’optimisation des dispositifs (droite) mesures de réflectivité sur des systèmes multicouches déposés.

Publications sur ce sujet :

Reactive Gas Pulsing Sputtering Process, a promising technique to elaborate silicon oxynitride multilayer nanometric antireflective coatings
A. Farhaoui, A. Bousquet, R. Smaali, E. Centeno J. Cellier, C. Bernard, R. Rapegno, F. Réveret and E Tomasella – J Phys D : Appl Phys – 50 (2017) 015306.

Structural and ellipsometric study on tailored optical properties of tantalum oxynitride films deposited by reactive sputtering
A. Bousquet, F. Zoubian, J. Cellier, C. Taviot-Gueho, T. Sauvage, E. Tomasella – J. Phys. D., 47 (2014) 475201.
 

Dispositif pour le solaire thermique

Les dispositifs solaires thermiques ont pour objectif de convertir la lumière du soleil en chaleur. Suivant leur utilisation, domestique ou à l’échelle industrielle, ils fonctionnent dans des gammes de températures différentes. Dans notre cas, nous nous intéressant aux dispositifs industriels devant résister à des températures de plusieurs centaines de degrés Celsius. Ils doivent présenter une forte absorption dans le visible et le proche infra-rouge (jusqu’à 2.5 microns) et une faible émissivité au-delà. Pour cela, nous étudions en collaboration avec le Pr C. Wang de l’Université de Beihang (Pékin, Chine) des systèmes multicouches basés sur une bicouche de cermets à faible (LMVF) et fort taux de métal (HMVF) (Figure de gauche). Comme il s’agit de trouver des matériaux chimiquement stables et qui présentent un faible coefficient de diffusion jusqu’à des températures proches de 500°C, nous avons investigués de nombreux matériaux, comme par exemple des NbTiO_xN_y, en étudiant particulièrement le maintien des propriétés à haute température.

(gauche) Image MEB sur dispositif solaire thermique et (droite) évolution de la réflectivité du dispositif après recuit à différentes températures.

D’autre part, dans le cadre de l’ANR NANOPLAST, nous travaillons sur des dispositifs dans lesquels la couche absorbeur classiquement constituée d’empilement de couches de métal et de diélectrique est remplacée par une couche nano-composite d’inclusion métallique dans une matrice diélectrique. Ce projet, en collaboration avec PROMES (Perpignan, coordinateur projet ANR), l’IMN (Nantes), le CEMHTI (Orléans) et IREIS (Saint-Etienne) a pour objectif de développer un dispositif complet, mais aussi d’étudier l’évolution des propriétés optiques et thermomécaniques des couches individuelles et de l’empilement complet en condition d’utilisation, c’est-à-dire en température à l’air (500 < T < 700°C) et sous flux lumineux.

Dans ce contexte, nous sommes plus particulièrement chargés de développer la couche antireflet d’oxynitrure de tantale supportant les conditions d’utilisation de ces dispositifs, en la déposant par pulvérisation réactive assistée MW d’une cible de Tantale en atmosphère Ar/O₂/N₂.

Publications sur ce sujet :

The investigation of thermal stability of Al/NbMoN/NbMoON/SiO2 solar selective absorbing coating
P. Song, Y. Wu, L. Wang, Y. Sun, Y. Ning, Y. Zhang, B. Dai, E. Tomasella, A. Bousquet, C. Wang, Solar Energy Materials and Solar Cells, 171 (2017) 253-257.

Optical simulation and preparation of novel Mo/ZrSiN/ZrSiON/SiO2 solar selective absorbing coating Solar Energy Materials and Solar Cells
Y. Ning, W. Wang, L. Wang, Y. Sun, P. Song, H. Man, Y. Zhang, B. Dai, J. Zhang, C. Wang, Y. Zhang, S. Zhao, E. Tomasella, A. Bousquet, J. Cellier, Solar Energy Materials and Solar Cells, 167 (2017) 178-183.

Tuning of reflectance transition position of Al-AlN cermet solar selective absorbing coating by simulating
Y. Ning, W. Wan, Y. Sun, Y. Wu, H. Man, C. Wang, S. Zha, E. Tomasella, A. Bousquet, Y. Zhang – Infrared Physics & Technology, 80 (2017) 65–70.

Effects of substrates, film thickness and temperature on thermal emittance of Mo/substrate deposited by magnetron sputtering
Y. Ning, W. Wang, Y. Sun, Y. Wu, Y. Liu, H. Man, M. I. Malik, C. Wang, S. Zhao, E. Tomasella, A. Bousquet – Vacuum 128 (2016) 73e79.

Investigation on low thermal emittance of Al films deposited by magnetron sputtering” Y. Ning, W. Wang, Y. Sun, Y. Wu, Y. Liu, H. Man, C. Wang, Y. Zhang, S. Zhao, E. Tomasella, A. Bousquet, Infrared Physics & Technology (2016),76, 133-138.

Study on the thermal stability of Al/NbTiSiN/NbTiSiON/SiO2 solar selective absorbing coating
Y. Wu, C. Wang, Y. Sun, Y. Ning, Y. Liu, Y. Xue, W. Wang, S. Zhao, E. Tomasella, A. Bousquet – Solar Energy, 119 (2015) 18-28.

Optical simulation and experimental optimization of Al/NbMoN/NbMoON/SiO2 solar selective absorbing coatings
Y. Wu, C. Wang, Y. Xue, Y. Ning, Y. Sun, S. Zhao, E. Tomasella, A. Bousquet – Solar Energy Materials & Solar Cells – 134 (2015) 373-380.

Matériaux photocatalytiques pour la dégradation de polluants dans l’eau

Le dépôt de matériaux photocatalytiques constitue un nouvel axe d’application pour les matériaux étudiés dans le groupe MATEPP. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la photodégradation dans l’eau de molécule modèle telle que le methyl orange grâce à des matériaux en couches minces de type oxydes et oxyfluorures de bismuth. Pour cette application, nous avons pu montrer l’intérêt d’utiliser la pulvérisation réactive, qui permet de former en une étape une hétérojonction via un une couche mince composite semiconducteur/métal. En effet, en maîtrisant les régimes de pulvérisation du procédé, il est possible de former des couches minces d’oxydes de bismuth photocatalytiques avec une teneur contrôlée en bismuth métallique.

(gauche) Vitesse de dégradation du méthyl-orange pour des films d’oxydes de bismuth déposés avec différents flux d’oxygène et (droite) Réutilisation d’un film durant 3 cycle de photo-dégradation du méthyl-orange.

Dans les bonnes proportions, la présence de métal favorise la séparation des charges photogénérées et augmente ainsi les performances photocatalytiques du revêtement. La présence de nanoparticules métalliques dans le semiconducteur, selon leur taille, pourrait également avoir un effet de résonance de plasmon de surface, lui aussi renforçant l’effet photocatalytique du matériau. Ce second phénomène est actuellement à l’étude.

 

Publications sur ce sujet:

“Tailoring the Structural and Optical Properties of Bismuth Oxide Films Deposited by Reactive Magnetron Sputtering for Photocatalytic Application” S. Ibrahim, P. Bonnet, M. Sarakha, C. Caperaa, G. Monier, A. Bousquet, Materials Chemistry and Physics, accepté.