Description du sujet de thèse

En 2021, 12,2 milliards d'appareils de l'internet des objets (IoT) étaient déjà connectés et les prévisions tablent sur 20 milliards en 2025. Parmi ces appareils connectés, la plupart sont sans fil, fonctionnent à l'intérieur et sont alimentés par une batterie primaire qui dure généralement entre 8 et 25 mois. Le taux de prolifération des appareils IoT est si élevé que dans quelques années, des centaines de millions de batteries IoT pourraient devoir être remplacées chaque jour, impliquant des coûts de maintenance élevés, sans parler de la production et du recyclage ou de la mise au rebut des batteries. Les récents développements dans le domaine de l'électronique et des protocoles de communication sans fil à faible consommation d'énergie ont considérablement réduit la demande d'énergie et de puissance des appareils IoT et ont ouvert de nouvelles perspectives pour les alimenter grâce à la collecte d'énergie de la lumière ambiante à l'intérieur des bâtiments.
Les dispositifs photovoltaïques d'intérieur basés sur des absorbeurs organiques ou hybrides ont atteint des rendements de conversion de puissance (PCE) significatifs et de nombreux matériaux ont été testés au cours des dernières années. Cependant, ces derniers souffrent encore de problèmes de stabilité qui limitent leur acceptabilité commerciale. La principale conclusion d'une récente revue sur le sujet est qu'"une cellule solaire inorganique qui conserve plus de 80 % de sa valeur PCE initiale même après 10 ans de fabrication doit être développée pour concurrencer les sources d'énergie actuellement utilisées dans les appareils IoT".

L'objectif du projet est de produire de l'énergie pour les appareils IoT à partir de la lumière artificielle ambiante en utilisant des cellules solaires flexibles en couches minces basées sur un semi-conducteur inorganique stable de CuGaSe2 (CGS) à structure chalcopyrite. Ces dispositifs ont le potentiel de convertir jusqu'à 50 % du spectre de la lumière artificielle intérieure car la bande interdite de 1,7 eV de l'absorbeur permet l'absorption de tous les photons supérieurs à 1,8 eV du spectre des LED sans pertes de thermalisation excessives. La synthèse de films minces CGS homogènes et monophasés est un défi, en particulier à basse température, ce qui est nécessaire pour le dépôt sur des substrats flexibles. La croissance du CGS étant limitée par la lenteur de la cinétique de formation, les dispositifs à haut rendement sont généralement obtenus en utilisant de longues étapes de relaxation à une température élevée du substrat. Nous avons récemment démontré que les halogénures de métaux peuvent être utilisés pour réduire considérablement la température de synthèse des films CIGS ainsi que pour produire des films minces CGS monophasés avec de gros grains. Cette approche nouvelle et unique consistant à utiliser les halogénures de métaux comme agent de transport favorisant la croissance des grains a donc tous les ingrédients pour faire sauter les verrous technologiques qui, à ce jour, restreignent l'utilisation de composés CGS stables et industriellement compatibles pour les applications photovoltaïques intérieures sur substrats flexibles. Ce projet se concentrera également sur l'utilisation de traitements alcalins lourds afin d'améliorer la qualité de la jonction basée sur cet absorbeur. Enfin, la consommation de matériaux sera optimisée en réduisant l'épaisseur des couches constituant l'empilement de la cellule et la couche tampon de CdS toxique sera remplacée par une couche tampon alternative basée sur des matériaux non toxiques et abondants.

Le travail proposé sera hautement expérimental. Ainsi, la personne recrutée synthétisera entièrement les dispositifs photovoltaïques en couches minces et les caractérisera à la fois optiquement et électriquement, afin de corréler les performances avec les paramètres de synthèse et les propriétés matériaux/optoélectroniques des films synthétisés. En particulier, la personne recrutée sera chargée de synthétiser les couches minces de CGS par co-évaporation sous vide sur des substrats en verre. Elle sera également en charge de la réalisation de l'ensemble de l'empilement (CGS / couche tampon / conducteur d'oxyde transparent / grilles) qui constitue la cellule solaire. Elle sera responsable de la mise en place de solutions techniques pour le dépôt sur des substrats flexibles en polyimide. Elle sera également en charge du développement d'un banc de mesure optique dédié spécifiquement aux mesures en intérieur. Toutes les analyses de routine des matériaux (XED, SEM, spectroscopies vibrationnelles) seront réalisées au sein de l'IMN ainsi qu'une partie des analyses optoélectroniques des dispositifs (IV, EQE, I(V,T)).

Contexte de travail

La thèse proposée sera réalisée à l'Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel, au cœur de la ville de Nantes, en France. Elle s'inscrit dans le cadre du projet SIPHON financé par l'Agence Nationale de la Recherche et labellisé par le pôle de compétitivité spécialisé dans la maîtrise de l'énergie S2E2.

L'Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN, UMR6502, http://www.cnrs-imn.fr) est une unité mixte de recherche CNRS - Nantes Université, composée de plus de 200 personnes, dont environ 110 permanents et 90 doctorants et post-doctorants, regroupant des physiciens et des chimistes menant des activités de recherche pour développer une compréhension fondamentale des matériaux et de leurs propriétés à partir de l'échelle atomique. Cela permet la conception, la caractérisation et l'optimisation de nouveaux matériaux pour une gamme variée d'applications de haute technologie, y compris les cellules solaires de nouvelle génération, les piles à combustible, les batteries de voitures électriques, la nanotechnologie, les matériaux intelligents, les matériaux pour la microélectronique, les matériaux photoniques et optiques. La personne recrutée évoluera au sein de l'équipe MIOPS (Innovative Materials for Optics, Photovoltaics and Storage) qui est impliquée dans plusieurs projets nationaux ou internationaux dans le domaine du photovoltaïque. Tous les moyens communs de l'IMN seront mis à disposition pour la réussite du projet, en particulier les outils de caractérisation par microscopie, spectroscopie optoélectronique et spectroscopie vibrationnelle.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

La personne recrutée devra être titulaire d'un master (ou équivalent) d'une formation garantissant des connaissances approfondies en science des matériaux et sur les composants optoélectroniques (en particulier dans les dispositifs photovoltaïques). Elle devra faire preuve d'une forte aptitude aux sciences expérimentales (synthèse et analyse), d'un sens de l'organisation et d'une grande facilité de communication en anglais. Des connaissances dans le domaine des dispositifs photovoltaïques en couches minces seront un atout indéniable. Des déplacements hors région auront lieu durant la thèse.