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Une nouvelle façon de fabriquer de grandes feuilles de graphène de haute qualité et d’une finesse atomique pourrait déboucher sur des cellules solaires ultra-légères et flexibles, ainsi que sur de nouvelles catégories de dispositifs émetteurs de lumière et d’autres produits électroniques à couche mince.

Un nouveau procédé de fabrication

Le nouveau procédé de fabrication, qui a été développé au MIT et devrait être relativement facile à mettre à l’échelle pour la production industrielle, implique une couche intermédiaire « tampon » de matériau qui est la clé du succès de cette technique. Cette couche tampon permet de détacher facilement de son substrat la feuille de graphène d’une épaisseur de moins d’un nanomètre, ce qui permet une fabrication rapide de rouleau à rouleau.
Trouver un moyen de fabriquer des électrodes minces, avec de grandes surfaces, transparentes et stables à l’air libre a été l’une des grandes quêtes de l’électronique en couches minces ces dernières années, qui peut être utilisé pour une variété d’applications dans les dispositifs optoélectroniques – des choses qui émettent de la lumière, comme les écrans d’ordinateurs et de smartphones, ou la récoltent, comme les cellules solaires. La norme actuelle pour de telles applications est l’oxyde d’indium et d’étain (ITO), un matériau à base d’éléments chimiques rares et coûteux.
De nombreux groupes ont travaillé à la recherche d’un substitut à l’ITO, en se concentrant sur les matériaux candidats tant organiques qu’inorganiques. Le graphène, une forme de carbone pur dont les atomes sont disposés dans un réseau hexagonal plat, possède de très bonnes propriétés électriques et mécaniques, il est très mince, physiquement flexible et fabriqué à partir d’un matériau abondant et peu coûteux.
En outre, il peut facilement être fabriqué sous la forme de grandes feuilles par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), en utilisant le cuivre comme couche de départ. Cependant, pour les applications de dispositifs, le plus difficile a été de trouver des moyens de libérer le graphène fabriqué par CVD de son substrat de cuivre natif.

Processus de transfert de graphène

Cette fabrication, connue sous le nom de processus de transfert de graphène, tend à entraîner un réseau de déchirures, de plis et de défauts dans les feuilles, ce qui perturbe la continuité du film et réduit donc considérablement leur conductivité électrique. Mais grâce à cette nouvelle technologie, nous sommes maintenant en mesure de fabriquer de manière fiable des feuilles de graphène de grande surface, de les transférer sur le substrat de notre choix, et la manière dont nous les transférons n’affecte pas les propriétés électriques et mécaniques du graphène vierge », explique le potdoc Giovanni Azzellino.
En guise de démonstration de cette technologie, l’équipe a fabriqué des cellules solaires de démonstration, en adoptant un matériau en polymère en couche mince, ainsi que la couche de graphène nouvellement formée pour l’une des deux électrodes de la cellule, et une couche de parylène qui sert également de substrat au dispositif. Ils ont mesuré un facteur de transmission optique proche de 90 % pour le film de graphène sous la lumière visible.
La cellule solaire prototype à base de graphène améliore d’environ 36 fois la puissance délivrée par poids, par rapport aux dispositifs à base d’ITO. Elle utilise également 1/200 de la quantité de matériau par unité de surface pour l’électrode transparente. Et il y a un autre avantage fondamental par rapport à l’ITO : « le graphène est presque gratuit », explique M. Azzellino.

Une nouvelle génération d’applications

« Les dispositifs ultra-légers à base de graphène peuvent ouvrir la voie à une nouvelle génération d’applications », dit-il. « Donc, si vous pensez aux appareils portables, la puissance par poids devient très importante. Et si nous pouvions déployer sur votre tablette une cellule solaire transparente capable d’alimenter la tablette elle-même ? » Bien qu’un certain développement soit nécessaire, de telles applications devraient finalement être réalisables avec cette nouvelle méthode, dit-il.
Cette recherche a été publiée dans Advanced Functional Materials.
Source : MIT
Crédit photo sur Unsplash : Jason Blackeye

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