Brevet FR3023063A1 — publié le 20160101

DISPOSITIF PHOTOVOLTAIQUE ET SON PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne de manière générale un procédé de réalisation de dispositifs photovoltaïque, et plus 5 particulièrement un procédé dans lequel une ou plusieurs couches déposées par impression numérique à jet d'encre. L'invention appartient au domaine de la réalisation de dispositifs photovoltaïques et, plus particulièrement aux dispositifs photovoltaïques sous forme d'empilements de 10 matériaux de différentes natures. Ces dispositifs sont élaborés à partir d'un matériau dit fonctionnel puisque réagissant sous l'effet d'un facteur externe. On parle de matériau présentant une fonction photovoltaïque lorsque, sous exposition lumineuse, il absorbe 15 des photons et génère des charges. Dans un dispositif photovoltaïque, ces charges sont à l'origine du photocourant généré. Concernant la réalisation de ces dispositifs, plusieurs technologies sont actuellement disponibles. Il s'agit plus 20 particulièrement de technologies à base de silicium amorphe en couche mince (A-Si), d'alliages CIGS (cuivre, indium, gallium et sélénium) qui sont des dispositifs possédant leurs caractéristiques propres (électriques : performance, rendement de conversion ; et mécaniques : souplesse, rayon de courbure, 25 aspect). A cela, vient s'ajouter aujourd'hui la technologie à base de photovoltaïque organique, généralement désigné par l'OPV, mettant en oeuvre, pour la couche active, des matériaux fonctionnels organiques, donneurs et accepteurs d'électron, 30 comme par exemple le P3HT:PCBM, disposés entre deux électrodes conductrices avec potentiellement des couches interfaciales. Le tout est déposé successivement sur un substrat, rigide ou flexible, non conducteur. Les applications actuelles sont cependant limitées par : - des coûts élevés dus à un faible taux d'utilisation des matériaux mis en oeuvre (pertes importantes) en raison du type de procédé utilisé (sérigraphie ou « roll to roll »), - des épaisseurs limitées et des structures de couches non maitrisées. Afin de résoudre les inconvénients de l'art antérieur, le demandeur a mis au point un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque, dans lequel une ou plusieurs couches sont appliquées par impression numérique à jet d'encre ce qui rend possible la personnalisation, à façon, des couches ainsi appliquées. En outre, le procédé de fabrication selon l'invention permet d'obtenir des dispositifs possédant des formes plus ou moins complexes et personnalisables. Plus particulièrement, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque 20 comprenant les étapes suivantes : a) la fourniture d'un support conducteur, pouvant être : - soit un substrat non conducteur présentant au moins deux faces opposées, dont l'une est revêtue d'au moins une couche d'un premier matériau conducteur, 25 ou - soit un substrat de premier matériau conducteur ; b) le dépôt sur le premier matériau conducteur, d'au moins une première couche interfaciale composée : - soit d'un matériau organique semiconducteur, dopé 30 n ou p pour, - soit d'un matériau inorganique semiconducteur, dopé n ou p - soit d'un mélange hybride de matériaux semiconducteurs composé soit d'un matériau semiconducteur inorganique dopé n et d'un matériau semiconducteur organique dopé n, soit d'un matériau semiconducteur inorganique dopé p et d'un matériau semiconducteur organique dopé p ; c) le dépôt sur la première couche interfaciale, d'au moins une couche active photovoltaïque comprenant au moins un matériau semiconducteur organique dopé p et un matériau semiconducteur organique dopé n ; d) le dépôt sur la couche active photovoltaïque, d'au moins une deuxième couche interfaciale composée : - soit d'un matériau organique semiconducteur, dopé n si la première couche interfaciale est composée d'un ou plusieurs matériaux semiconducteurs dopés p ; ou inversement, - soit d'un matériau inorganique semiconducteur, dopé n, si la première couche interfaciale est composée d'un ou plusieurs matériaux semiconducteurs dopés p ; ou inversement, - soit d'un mélange de matériaux semiconducteurs dopés n, comprenant au moins un matériau semiconducteur organique et un matériau semiconducteur inorganique, si la première couche interfaciale est composée d'un ou plusieurs matériaux semiconducteurs dopés p ; ou inversement ; e) le dépôt d'au moins une couche d'un deuxième matériau conducteur ; f) le dépôt d'une reprise de contact au-dessus de la couche de deuxième matériau conducteur ; ledit procédé étant caractérisé en ce que le dépôt de la couche de premier matériau conducteur, et/ou le dépôt des deux couches interfaciales, et/ou le dépôt de la couche active photovoltaïque sont réalisées par un procédé d'impression numérique à jet d'encre suivant un motif prédéfini pouvant être réalisé à façon. La reprise de contact permet de réceptionner le courant électrique engendré par la réception de photons et circulant travers le dispositif. Le dépôt de chacune des couches appliquées peut nécessiter un traitement thermique, en respectant des contraintes dues aux couches antérieures et au support, ou un traitement UV, par insolation, afin d'obtenir ses propriétés fonctionnelles. L'impression numérique permet de maitriser et d'adapter l'intensité lumineuse reçue par le dispositif. La variation de cette intensité est rendue possible par la ou les variations de l'une au moins des caractéristiques suivantes : - la nature des couches interfaciales, - le contrôle de la nature de la couche active, - le contrôle de la nature d'un ou des matériaux conducteur, - le contrôle de l'épaisseur de la couche active, et - le contrôle de l'épaisseur de la ou les couches de matériaux conducteurs. En effet, le motif est défini de manière à ajuster l'intensité lumineuse reçu. En outre, l'utilisation de l'impression numérique à jet 25 d'encre permet de réduire considérablement le volume des matériaux utilisés pour la réalisation des couches dont le coût impacte de façon considérable le prix du produit final. Selon un mode de réalisation avantageux de la présentation, on applique, suivant un motif prédéfini, sur 30 l'une des faces du substrat non conducteur une encre conductrice possédant des propriétés physico-chimiques particulières : une viscosité comprise entre 1 et 60 mPa/s, la température de travail, et une tension superficielle comprise entre 18 à 46 mN/m. Un traitement thermique pourra avantageusement, après le dépôt de l'encre conductrice, être réalisé à une température comprise entre 50°C et 300°C, en respectant les contraintes des couches antérieurs et du support non conducteur. Avantageusement, les encres conductrices peuvent comprendre au moins un polymère conducteur comme par exemple le Pedot/PSS, ou au moins des nanoparticules métalliques de taille pouvant être comprise entre 10 nm et 5 pm. Avantageusement, on utilisera à titre de nanoparticules 10 métalliques, des nanoparticules d'aluminium, de cuivre, d'étain, ou d'argent. Le motif peut être réalisé par la variation de l'épaisseur de la couche de premier matériau conducteur. Les propriétés liées aux tailles des nanoparticules métalliques de 15 l'encre (du premier matériau conducteur) et à leur viscosité sont importantes, car ces nanoparticules doivent être projetables par une tête d'impression numérique. On dépose sur la couche de premier matériau conducteur, selon l'invention, soit une couche d'un matériau organique 20 semiconducteur, dopé n ou p, soit un matériau inorganique semiconducteur dopé n ou p, soit un mélange hybride de matériaux semiconducteurs, tous les deux dopés n ou p ; l'un des matériaux semiconducteurs étant organique et l'autre matériau semiconducteur étant inorganique. Cette couche est 25 appelée première couche interfaciale. Sur cette couche interfaciale, on dépose, selon l'invention, au moins une couche active photovoltaïque comprenant au minimum un matériau semiconducteur organique dopé p et un matériau semiconducteur organique dopé n. 30 Avantageusement, le matériau organique semiconducteur dopé n ou p est du poly(3-hexyltiophène (P3HT), ou du ZnO. Puis, selon l'invention, on dépose sur cette couche active photovoltaïque, selon un motif prédéfini, au moins une deuxième couche interfaciale composée : - soit d'un matériau organique semiconducteur, dopé n si la première couche interfaciale est composée d'un ou plusieurs matériaux semiconducteurs dopés p ; ou inversement, - soit d'un matériau inorganique semiconducteur, dopé n, si la première couche interfaciale est composée d'un ou plusieurs matériaux semiconducteurs dopés p ; ou inversement, - soit d'un mélange de matériaux semiconducteurs dopés n, comprenant au moins un matériau semiconducteur organique et un matériau semiconducteur inorganique, si la première couche interfaciale est composée d'un ou plusieurs matériaux semiconducteurs dopés p ; ou inversement. Avantageusement, le matériau inorganique semiconducteur de type n ou p est un matériau photosensible pouvant être du silicium, du CIGS, ou du CdTe. Après le dépôt de la deuxième couche interfaciale, on 20 dépose selon un motif prédéfini, conformément au procédé selon l'invention, au moins une couche d'un deuxième matériau conducteur. La couche de deuxième matériau conducteur peut être avantageusement transparente pour laisser pour que la couche 25 active photovoltaïque soit exposée à la lumière extérieure. Avantageusement, la couche de deuxième matériau conducteur pourra également être appliquée par impression numérique à jet d'encre de manière à optimiser la quantité de matière appliquée. 30 La couche de deuxième matériau conducteur peut comprendre au moins du PEDOT/PSS se présentant sous forme de solution colloïdale pulvérulente, avec ou sans grille métallique imprimée à particules d'argent. Cette grille a pour rôle d'améliorer la conductivité de cette couche. Dans le procédé de l'invention, les différents matériaux appliqués se présentent sous forme d'une formulation chimique spécifique afin de pouvoir être appliqués par jet d'encre et dans le but que l'adhésion et la compatibilité de chaque couche soient assurées. Avantageusement, la reprise de contact est également appliquée par impression numérique à jet d'encre. Selon l'invention, les couches de matériaux conducteurs matérialisant les deux électrodes et/ou les couches de 10 matériaux semiconducteurs organiques de type p et/ou n, formant les couches interfaciales et/ou la couche active photovoltaïque et/ou la reprise de contact, peuvent être appliquées par impression jet d'encre de type « goutte à la demande » ou « Drop On Demand » (DOD) d'après la terminologie 15 anglo-saxonne. La présente invention a encore pour objet un dispositif photovoltaïque susceptible d'être obtenu selon le procédé de l'invention. Selon un mode de réalisation particulièrement 20 avantageux de l'invention, l'empilement constitué du substrat non conducteur et de la première couche conductrice est constitué par un complexe associant un substrat non conducteur et un matériau métallique. L'utilisation d'un complexe substrat/métal (par exemple 25 (film plastique)/Al, (carton ou papier)/(film plastique)/Al, (film plastique)/Al/(film plastique)) peut permettre de réduire le nombre d'étapes pour la fabrication du support selon le procédé de l'invention. Avantageusement, ce matériau complexe peut être un 30 complexe polyester aluminisé. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, le dispositif photovoltaïque pourra comporter un substrat non conducteur en carton, en papier, à base de polymère, ou à base de matériaux inorganiques. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, le dispositif est souple. Par souple, on entend dans la présente demande, un dispositif pouvant en outre supporter une modification réversible de sa forme sous contrainte mécanique et ainsi se conformer en acceptant un rayon de courbure supérieur à 1 cm, cette épaisseur dépendant de l'épaisseur du support. Le dispositif photovoltaïque selon l'invention peut être appliqué sous forme souple ou rigide à des produits de type poussette, packaging (emballage, flaconnage, bouchon), article de sport, puériculture, bagagerie, décoration intérieur, publicité sur lieu de vente, afficheur, rétroéclairage, sécurité, signalétique, électronique, jouet, mobilier, parasol, textiles, cycle, automobile, luxe, intégrant des solutions électroluminescentes souples ou rigides. Le dispositif photovoltaïque selon l'invention peut être associé à un dispositif électroluminescent, l'association étant gérée par une carte électronique et une batterie.20 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque (1), comprenant les étapes suivantes : a) la fourniture d'un support conducteur, pouvant être : - soit un substrat non conducteur présentant au moins deux faces opposées, dont l'une est revêtue d'au moins une couche d'un premier matériau conducteur, ou - soit un substrat de premier matériau conducteur ; b) le dépôt sur le premier matériau conducteur (3), selon un motif prédéfini, d'au moins une première couche interfaciale composée : - soit d'un matériau organique semiconducteur, dopé n ou p, - soit d'un matériau inorganique semiconducteur, dopé n ou p, - soit d'un mélange hybride de matériaux semiconducteurs, tous les deux dopés soit n, soit p, l'un des matériaux semiconducteurs étant organique et l'autre matériau semiconducteur étant inorganique ; c) le dépôt sur la première couche interfaciale, selon un motif prédéfini, d'au moins une couche active photovoltaïque comprenant au moins un matériau semiconducteur organique dopé p et un matériau semiconducteur organique dopé n ; d) le dépôt sur la couche active photovoltaïque, selon un motif prédéfini, d'au moins une deuxième couche interfaciale composée : - soit d'un matériau organique semiconducteur, dopé n si la première couche interfaciale est composée d'un ou plusieurs matériaux semiconducteurs dopés p ; ou inversement,- soit d'un matériau inorganique semiconducteur, dopé n, si la première couche interfaciale est composée d'un ou plusieurs matériaux semiconducteurs dopés p ; ou inversement, - soit d'un mélange de matériaux semiconducteurs dopés n, comprenant au moins un matériau semiconducteur organique et un matériau semiconducteur inorganique, si la première couche interfaciale est composée d'un ou plusieurs matériaux semiconducteurs dopés p ; OU inversement ; e) le dépôt, selon un motif prédéfini, d'au moins une couche d'un deuxième matériau conducteur ; f) le dépôt d'une reprise de contact au-dessus de la couche de deuxième matériau conducteur ; ledit procédé étant caractérisé en ce que le dépôt de la couche de premier matériau conducteur , et/ou le dépôt des deux couches interfaciales, et/ou le dépôt de la couche active photovoltaïque sont réalisées par un procédé d'impression numérique à jet d'encre suivant un motif prédéfini pouvant être réalisé à façon. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel dans lequel on applique, suivant un motif prédéfini, sur l'une des faces opposées du substrat non conducteur, une encre conductrice pour former une couche d'un premier matériau conducteur possédant des propriétés physico-chimiques particulières : une viscosité comprise entre 1 et 60 mPa/s, à la température de travail ; et une tension superficielle comprise entre 18 à 46 mN/m ; après cette application, on procède à un traitement thermique à une température comprise entre 50 et 300°C. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel l'encre conductrice comprend au moins un polymère conducteur, ou au moins des nanoparticules métalliques soit d'aluminium, soit de cuivre, soit d'étain, soit d'argent. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau inorganique semiconducteur de type n ou p est un matériau photosensible pouvant être du silicium, du CIGS, ou du CdTe. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau organique semiconducteur dopé n ou p est du poly(3- hexyltiophène (P3HT), ou du ZnO. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 5, dans lequel les couches de premier et/ou de deuxième matériau conducteur sont transparentes. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la couche de deuxième matériau conducteur est appliquée par impression numérique à jet d'encre. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la reprise de contact est appliquée par 25 impression numérique à jet d'encre. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les couches de matériaux conducteurs, les couches de matériaux semiconducteurs organiques de type p 30 et/ou n, formant les couches interfaciales et/ou la couche active photovoltaïque, ainsi que la reprise de contact, sont appliquées par impression à jet d'encre de type goutte à la demande. 10. Dispositif photovoltaïque susceptible d'être obtenu selon le procédé tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 11. Dispositif photovoltaïque selon la revendication 10, dans lequel l'empilement du substrat non conducteur et de la première couche conductrice est constitué par un matériau stratifié associant un substrat non conducteur et un matériau métallique. 12. Dispositif photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, dans lequel le substrat non conducteur est en carton, en papier, à base de polymère, ou à base de matériaux inorganiques comme le verre ou le métal. 13. Dispositif photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, dans lequel le dispositif est souple. 14. Dispositif photovoltaïque, selon l'une quelconque des revendications 10 13, pouvant être appliqué sous forme souple ou rigide à des produits de type poussette packaging (emballage, flaconnage, bouchon), article de sport, puériculture, bagagerie, décoration intérieur, panneaux publicité sur lieu de vente, afficheur, rétroéclairage, sécurité, signalétique, électronique, jouets, mobilier, parasols, textiles, cycle, automobile, luxe. 15. Dispositif photovoltaïque selon l'un quelconque des revendications précédentes 10 à 14, caractérisé en ce qu'il 30 est associé à un dispositif électroluminescent, l'association étant gérée par une carte électronique et une batterie.