ALS - Magazine 6 - Septembre 2017

22 / ALS Mag SMART MATERIALS A côté des avancées réalisées dans le domaine des matériaux de structure concernant les probléma- tiques de l’allègement et de la production d’énergie, le développement de matériaux fonctionnels voire multifonctionnels conduit à des innovations de rupture dans la façon de capter l’énergie, de la stocker et de l’utiliser. Le développement de ces nouveaux matériaux parfois qualifiés de Smart repose sur la maitrise de leur microstructure et sur la capacité de les architecturer par des techniques de dépôts de couches minces ou de fabrication additive. Figure 6 : Nouvelle génération de cellules photovoltaïques obtenue par nanostructuration (source UMI GT-CNRS). Figure 7 : Procédé de nano-hétéro-épitaxie mis au point à l’UMI GT-CNRS (source UMI GT-CNRS) Eclairage à diodes électroluminescentes Le développement de cette technologie constitue sans doute l’une des meilleures illustrations de l’impact des matériaux sur la consommation d’énergie. Depuis l’apparition dans les années 2000 de diodes électroluminescente (LED) de forte puissance ce mode d’éclairage concurrence de plus en plus les technologies existantes grâce à leur efficacité énergétique (100 lumens par Watt contre 60 pour les lampes fluocompactes). Aux Etats-Unis, l’éclairage représentait en 2014 15% de l’énergie électrique consommée et avec une croissance de 35% par an depuis 2013, l’éclairage par LED y représente déjà 6% de l’ensemble des dispositifs d’éclairage installés. A cela s’ajoute que si dans les premiers temps de l’introduction de ce nouveau mode d’éclairage, les dispositifs utilisés se contentaient de répliquer à l’identique les dispositifs classiques, des appli- cations totalement innovantes font désormais leur apparition utilisant la possibilité offerte par les LED de contrôler la longueur d’onde de la lumière émise et ainsi de pouvoir optimiser le flux lumineux pour une application donnée : éclairage favorisant la photosynthèse dans les serres ou adapté au traitement de la jaunisse chez le nourrisson, lampe à 405 nm pour la dentisterie. L’utilisation des diodes électroluminescentes organiques (OLED) flexibles rend même possible le dévelop- pement d’écrans souples. Le potentiel d’amélioration de l’efficacité énergé- tique des LED est encore important et devrait dépasser les 200 lumens par Watt. Il dépend principalement de l’amélioration de la qualité des matériaux obtenus par épitaxie. La présence de défauts, comme les dislocations induites par le désaccord de maille entre le substrat et le semi- conducteur, limite les performances des LED. Le procédé de nano-hétéro-épitaxie mis au point à l’UMI GT-CNRS permet de réduire considéra- blement l’énergie de déformation dans la couche épitaxiée et d’accommoder élastiquement le désaccord de maille sans augmenter la densité de dislocations (Figure 7). Là-aussi la présence de l’Institut Lafayette constitue un atout considérable pour le passage du matériau au composant . Capteurs solaires Face aux menaces que fait peser le réchauffement climatique, le développement d’une production d’électricité basée sur l’emploi de technologies non productrice de CO 2 et exploitant des ressources renouvelables comme le vent, les marées, la géothermie, la biomasse ou le photovol- taïque est devenue un enjeu majeur. Le photovol- taïque constitue la principale de ces sources d’énergie. Cependant, les cellules solaires actuelles à base de Silicium approchent de leur limite théorique de rendement de conversion d’énergie. Accroitre ce rendement au-delà de 30% passe par l’utilisation de cellules solaires multi- jonctions en empilant plusieurs matériaux possédant des énergies de bande interdite diffé- rentes, chacun absorbant une petite portion du spectre solaire de manière plus efficace. Des rendements atteignant 46% sont ainsi obtenus avec des cellules à base de GaAs et InGaP. Cependant, le coût de cette technologie restreint son utilisation aux applications satellitaires et rend déraisonnable son déploiement dans les applica- tions terrestres. Le matériau InGaN, déjà commer- cialisé pour la fabrication des LEDs violettes et bleues (voir encart page 24) constitue une solution économiquement viable pour réaliser des cellules photovoltaïques à très haut rendement. InGaN se présente sous la forme d’une solution solide de nitrure de gallium et de nitrure d’indium dont l’énergie de bande interdite peut être accordée en fonction de la composition en indium et gallium permettant ainsi de couvrir l’ensemble du spectre visible. Cela implique cependant de surmonter deux verrous majeurs. Augmenter la concentration en indium, tout en conservant une solution solide, constitue un premier challenge et l’importance du désaccord de maille rend difficile la croissance par épitaxie d’une couche de GaN de bonne qualité cristallographique sur un substrat de silicium. Surmonter ces verrous nécessite d’architecturer le matériau à des échelles très fines. Les chercheurs de l’UMI Georgia-Tech CNRS ont développé une méthodologie de fabrication par nanostructuration ouvrant ainsi la voie à la réalisation d’une nouvelle génération de cellules photovoltaïques à base de nitrures d’indium et de gallium sur oxyde de zinc sur silicium (Figure 6). La difficulté pour toute nouvelle technologie consiste à passer du laboratoire à l’industrie. La plateforme d’innovation Institut Lafayette, établie sur le campus Georgia Tech Lorraine depuis 2014, permet de répondre à ce défi en disposant de salles blanches et d’un large éventail de techniques de fabrication et de moyens de caractérisation à même de réaliser le passage du matériau au composant pour un large spectre d’applications centrées sur l’optoélectronique. Les matériaux et l’énergie n-GaN Al203 (pasà l’échelle) p-GaN Contactp Contactn