Le laboratoire des couches minces de l’IMT ― Institut de microtechnique ―, fondé par le professeur Arvind Shah, est depuis 18 ans un pionnier mondialement reconnu de la recherche sur les cellules photovoltaïques. Visant une réduction systématique des coûts de production, il a approfondi une filière prometteuse : l’utilisation de silicium amorphe déposé en couches minces par plasma à basse température. Cette filière est notamment à l’origine de la popularisation des cellules solaires sur les calculatrices de poche et autres petits appareils électroniques. Moins coûteux, mais aussi moins performant que le silicium cristallin des cellules photovoltaïques traditionnelles, le silicium amorphe a confirmé son énorme potentiel de développement, mais restait jusqu’ici essentiellement limité aux applications de faible consommation. L’absence d’installations de production sur des grandes surfaces, dans des quantités industrielles et avec un rendement acceptable ne permettait en particulier pas d’atteindre des prix commercialement intéressants.
• Plasma haute fréquence et cellules "micromorphes". Pour y remédier, l’équipe de l’IMT a réussi plusieurs percées majeures. Dans une première étape, elle est parvenue à améliorer sensiblement la productivité grâce à l’application d’une méthode d’activation du plasma à très haute fréquence (VHF). Cette invention a déjà donné naissance à une start-up établie au Locle ― VHF TECHNOLOGIES ―, fondée en 2000 par Diego Fischer, ancien collaborateur de l’IMT, et vouée à la production, par ce procédé, de cellules solaires amorphes sur supports en plastique souple (cf. en direct n° 167, novembre 2002). Dans une deuxième étape, l’IMT a créé de nouvelles structures de cellules solaires nettement plus performantes. Il a notamment mis au point un nouveau type de couches minces en silicium microcristallin. Plus récemment, il a réalisé une cellule tandem combinant les deux formes de silicium : le silicium amorphe et le silicium microcristallin. Fruit du travail de pionnier de Johannes Meier, cette cellule, appelée "micromorphe", allie les avantages des deux formes de silicium et n’augmente que peu le coût de production. Elle reste déposable en couches minces par plasma à basse température, tout en élargissant considérablement le spectre de la lumière captée et donc le rendement électrique. Ce dernier va encore être accru grâce à la mise au point, toujours par l’IMT, de contacts transparents rugueux en oxyde de zinc, particulièrement adaptés à la cellule micromorphe dans laquelle ils permettent de piéger la lumière. Restait à faire passer cette nouvelle génération de cellules du stade du laboratoire à celui de l’industrialisation. C’est là qu’entre en jeu le partenariat.
• Un nouveau procédé de production industrielle. Dans le cadre d’un programme de recherche soutenu par la Commission fédérale pour la technologie et l’innovation (CTI), une collaboration s’est instaurée entre l’équipe de l’IMT dirigée par Ulrich Kroll, celle de Christoph Hollenstein du CRPP/EPFL ― Centre de recherches en physique des plasmas de l’École polytechnique fédérale de Lausanne ― , ainsi qu’avec l’entreprise UNAXIS. Celle-ci est notamment un leader mondial des installations de production d’écrans plats tels qu’on les rencontre de plus en plus sur nos ordinateurs et dans la dernière génération de postes de télévision. Or, ces installations utilisent aussi la technologie du dépôt en couches minces par plasma. UNAXIS a d’ailleurs inventé un système particulièrement efficace de réacteurs à plasma, le Plasmabox. Quant au CRPP/EPFL, il a mis à disposition ses connaissances approfondies dans le domaine des plasmas industriels en les appliquant au dépôt sur grandes surfaces. Les trois partenaires se sont donc fixés pour but d’optimiser les équipements d’UNAXIS pour les adapter à leur nouvelle destination. Il s’agit notamment de les convertir au plasma VHF, d’affiner les processus de telle manière que toutes les couches successives nécessaires d’une cellule solaire puissent être déposées dans le même Plasmabox (alors qu’elles exigeaient jusqu’ici plusieurs passages dans des réacteurs successifs) et de maîtriser des dimensions supérieures à 1 m2 sans concessions sur la régularité et la qualité de déposition.
• Des perspectives prometteuses. D’ores et déjà, les avancées obtenues par l’IMT suscitent un très vif intérêt de l’industrie spécialisée, notamment dans l’Est asiatique où sont actuellement produits 99 % des écrans plats. La collaboration instaurée avec UNAXIS doit permettre à terme de mettre à disposition des industriels, dans le monde entier, des systèmes aptes à assurer une production de masse, automatisée et en continu, de modules photovoltaïques sur des substrats bon marché (verre et autres matières transparentes), faciles à mettre en oeuvre. Ils seront alors destinés non seulement aux appareils électroniques mobiles (qui représentent déjà un potentiel énorme d’applications), mais également, et surtout, à l’intégration photovoltaïque aux bâtiments. Les partenaires ont déjà obtenu des résultats encourageants qui leur permettent d’envisager une industrialisation à court terme. L’IMT poursuit en outre les recherches dans ce domaine à l’échelle internationale, dans le cadre d’un projet européen regroupant des chercheurs allemands, français, tchèques et grecs, de hautes écoles ainsi que de l’industrie.
Arvind Shah – Luc Feitknecht
Institut de microtechnique
Université de Neuchâtel
Tél. 41 32 718 33 35 / 33 62
arvind.shah@unine.ch
luc.feitknecht@unine.ch
