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Projets financés

par Angélique Bousquet - 2 octobre

ANR Blanc HD Plasm-A-SINOCH  : « Plasmas Haute Densité Alternatifs pour les PACVD et PVD de couches minces SiNOCH » Projet ANR Blanc– 2013-2017 Consortium : PROcédés Matériaux et Energie Solaire (PROMES, Perpignan), Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN, Nantes), Institut Jean Lamour (IJL, Nancy) et l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (ICCF, Clermont –Ferrand).

Les films minces à base d’oxydes, nitrures ou carbures, à vocation optique, diélectrique (SiOx, a-SiCOH) et de passivation (a-SiNH), sont employés en microélectronique (isolation des contacts), dans le domaine des capteurs opto-électroniques, ou le domaine du photovoltaïque Ces films minces sont majoritairement réalisés à l’heure actuelle par décompositions plasmas de mélanges gazeux contenant du silane voir ses dérivés fluorés ou chlorés (PACVD) et paradoxalement rarement élaborés par PVD. Cependant, ces technologies conduisent à une limitation dans l’abaissement des coûts de production pourtant nécessaires au développement industriel. L’emploi de technologies plasma de dépôt n’utilisant pas la base silane gazeux et permettant d’accroître les vitesses de dépôt est donc une voie alternative. Au sein du consortium, nous proposons l’utilisation de nouveaux précurseurs liquides, les organosiliciés, pour la PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition), mais aussi l’emploi de plasmas hautes densités, afin d’augmenter les vitesses de dépôt. L’objectif principal de ce projet est la compréhension des phénomènes de croissance des films à partir de ces procédés innovants. Nous nous attacherons particulièrement à étudier les interactions plasma/surface et leur rôle dans le contrôler des interfaces films/substrats, qui conditionnent beaucoup de propriétés. Au sein de ce consortium, le groupe MATEPP travaille sur le développement d’un nouveau réacteur PVD (pulvérisation de cible de Si) associé à des sources micro-ondes (mélange gaz Ar/N2/CH4) pour le contrôle plus fin d’un dépôt hybride PVD/PECVD.


Action PhotoPLAS du LABEX IMOBS3 = « Développement d’un nouveau procédé plasma pour l’élaboration de couches minces fonctionnelles et l’amélioration des performances de cellules photovoltaïques (PV) silicium » depuis juin 2015. Collaboration avec l’Institut Pascal (Clermont-Ferrand).

Le rôle des diélectriques déposés par PACVD devrait devenir de plus en plus important dans les années à venir, car, pour réduire le coût de l’électricité photovoltaïque, la diminution du coût du substrat silicium et l’augmentation du rendement de conversion photovoltaïque sont nécessaires.Les techniques d’élaboration de ces films, majoritairement à partir de décompositions par plasma de mélanges gazeux contenant du silane, présentent cependant des caractéristiques (moyens importants de sécurité pour le silane, plasmas basse ou radio fréquences conduisant à de faibles vitesses de dépôt) qui limitent l’abaissement des coûts de production pourtant nécessaire au développement industriel. L’emploi de technologies plasma de dépôt n’utilisant pas la base silane gazeux et permettant d’accroître les vitesses de dépôt est donc une voie alternative pour limiter ces coûts. Le projet PhotoPlas propose, en collaboration avec l’Institut Pascal de Clermont-Ferrand, la mise en place d’un nouveau procédé de dépôt par pulvérisation réactive (assistance radiofréquence et micro-onde) couplé à une pré-nitruration des surfaces sous ultravide et l’étude des carbonitrures de silicium hydrogénés (SiNC:H) comme alternatives au traditionnel nitrure de silicium, i) pour la passivation en face avant et arrière des cellules de type p et n, ii) pour obtenir un large domaine d’indices optiques par le contrôle du dosage des éléments constitutifs de ces matériaux et ainsi assurer la fonction antireflet et/ou réflective. Les objectifs du projet sont l’étude de ce procédé et de la physico-chimie des films par différents moyens de caractérisations (notamment par spectroscopies électroniques AES, XPS, XAES ; ii) l’optimisation des propriétés optiques et de passivation des SiNC:H en se focalisant sur les interfaces plasma/surface et couche/substrat.


Action Nano-CAR du LABEX IMoBS3 = « NANO-structuration de Couches AntiReflets par Pulvérisation Réactive pour le Photovoltaïque Silicium » depuis juin 2012

L’objectif de cette action est de proposer des couches antireflets adaptées aux cellules photovoltaïques de seconde génération, c’est-à-dire en couche mince, et de les réaliser à partir de procédés à coût modéré (comme la pulvérisation cathodique). Dans ce contexte, nous avons travaillé sur la technique d’injection de gaz réactif pulsé pour piloter de manière fine le dépôt de couche mince d’oxynitrures à indice de réfraction contrôlé, lors de la thèse d’Amira Farhaoui. En parallèle, E. Centeno et R. Smaali de l’équipe Electromagnétisme et Nanophotoniques l’Institut Pascal de Clermont-Ferrand, spécialistes de la modélisation de la propagation d’onde électromagnétique dans des milieux structurés, ont simulés et optimisés les structures multicouches d’oxynitrures à atteindre. Finalement, des structures de faibles épaisseurs (< 200 nm), de faible réflectivité (4% moyenné entre 200 à 900 nm), pour une large gamme d’angle d’incidence de la lumière, ont été réalisées.


Projet IRDEP/EDF : CIGS par Pulvérisation réactive

Collaboration avec l’Institut de Recherche et Développement de l’Energie Photovoltaïque (IRDEP, Chatou).

L’Institut de Recherche et Développement de l’Energie Photovoltaïque (IRDEP UMR CNRS/EDF, Chatou) travaille depuis de nombreuses années sur les cellules solaires de deuxième génération, avec notamment une connaissance importante du Cu(In,Ga)Se2. Jusqu’à présent ce matériau, couche active de la cellule, était obtenu par électrodéposition ou co-évaporation. Cependant, dans un souci de futur développement industriel, ils désirent maintenant déposer ce matériau en une seule étape par co-pulvérisation de cibles métalliques en présence de vapeur de Sélénium (obtenue par évaporation). Afin de développer et de maîtriser ce nouveau procédé, une collaboration a été établie avec l’ICCF autour de la thèse de Jorge Posada. Sur ce projet, nous avons développé notre expertise sur la caractérisation de ce plasma et des outils à mettre en place pour contrôler la composition élémentaire du film au cours de son dépôt. Grâce notamment à des mesures de Spectroscopie d’Emission Optique, nous avons réussi à suivre dans ce plasma les espèces métalliques et séléniées, pour comprendre leur interaction avec les cibles et les parois du réacteur et ainsi établir un modèle de croissance du matériau.


Projet de collaboration avec l’Université de Beihang (Pékin, Chine) Collaboration avec le Pr. Cong Wang (Beihang University, Chine).

Depuis 2012, nous développons une collaboration pérenne avec le Pr. Cong Wang de l’Université de Beihang sur les dispositifs solaires thermiques, convertissant la lumière du soleil en chaleur. Nous nous sommes particulièrement attachés à trouver des systèmes conservant leurs propriétés pour des températures d’utilisation de l’ordre de 500°C.
Cette collaboration a bénéficié d’un programme MAEE (Ministère français des Affaires Etrangères et Européennes), puis d’un financement de l’UCA de post-doctorant étranger d’un an. Le Pr. Cong Wang vient par ailleurs très régulièrement à l’ICCF en tant que professeur invité. En 2016 et afin d’amplifier cette collaboration, une convention a été signée entre nos deux universités.


Bourse Recherche Filière « Fluoplast » = Développement de films et feuilles extrudés à propriétés spécifiques grâce aux technologies de traitement de surface (plasma, fluoration et leur combinaison) (2012-2015) Collaboration : Thématique Fluoration et Matériaux Fluorés (ICCF) et la JCEP

Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet « Fluoplast » établi entre différents partenaires académiques de l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand et des industriels du domaine de la plasturgie de la Jeune Chambre Economique de Plasturgie de Sainte Sigolène (43), et est soutenu par la région Auvergne et les Fonds Européens de Développement Régional (FEDER). Il propose de développer de nouvelles solutions de traitement de surface pour améliorer les propriétés usuelles de films polymères commercialisés dans le domaine de l’emballage. Deux principales techniques ont été étudiées de manière indépendante ou en combinaison : la fluoration et les traitements plasma. Ce travail est fédérateur de deux compétences fortes des deux thématiques de recherche « Fluoration et Matériaux Fluorés » et « Matériaux, Plasmas et Procédés » de l’équipe Matériaux Inorganiques (MI) de l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (ICCF). Pour tenter d’appréhender les mécanismes associés aux traitements par fluoration, plusieurs paramètres ont été modulés : la nature du matériau polymère à fluorer, l’espèce réactive fluorée utilisée (fluor moléculaire, fluor atomique provenant de la décomposition du difluorure de Xénon), et ses conditions d’utilisation (débit, dilution, durée d’exposition, temps d’exposition). En ce qui concerne les traitements par plasma, les paramètres modulés (nature des précurseurs gazeux employés, leurs conditions d’utilisation) ont permis de développer des traitements spécifiques permettant d’ajuster à la fois la morphologie et la composition chimique de surface. Le gaz neutre argon induit un processus de gravure (etching) et le diazote combiné ou non avec le dioxygène réagit chimiquement avec le polymère.


Projet Région Nouveau Chercheur : DEPOZON = « DÉpôt Plasma d’Oxyde de Zinc pour l’Optique et la Nanoélectronique » Financement Régional sur une Bourse Nouveau Chercheur (2012-2014)

Le projet DEPOZON a pour objet l’étude de nouveaux TCO (Transparent Conductive Oxyde) de type p. En effet, si les TCO de type n sont connus depuis de nombreuses années (ITO, ZnO:Al…), aucun matériau à l’heure actuelle ne possède à la fois une bonne transparence dans le visible et une conduction de type p. Pour résoudre ce problème, deux voies se dessinent : des matériaux de structure Delafossite (CuMIIIO2, AgMIIIO2) ou des oxydes de zinc dopés avec des éléments de la colonne V (N, P, As…). L’objectif du projet DEPOZON est d’explorer cette seconde voie en étudiant le dopage de l’oxyde de zinc au cours de sa croissance en pulvérisation réactive. A plus long terme, ces matériaux pourront être intégrés dans des dispositifs électroluminescents complétement transparents, de type diode (en association avec un TCO de type n comme ZnO:Al) ou à champ élevé (en association avec un matériau à forte constante diélectrique comme Ta2O5).