Mots-clés:

Nanofils d'argent, la stabilité, oxyde métallique, percolation

Résumé

Cette étude est axée sur l’élaboration et l'optimisation d'électrodes transparentes (TE) basées sur des réseaux de nanofils d'argent (AgNW). Les TE constituent l'un des principaux composants de nombreux dispositifs modernes tels que les cellules solaires, les diodes électroluminescentes, les fenêtres intelligentes, les films chauffants transparents et les panneaux d'affichage. Ces dispositifs exigent une transmission optique élevée (> 90 %), une faible résistance électrique et, dans certains cas, une grande souplesse mécanique. Actuellement, le matériau le plus commercialisé pour les TE est la famille des oxydes conducteurs transparents (TCO) et l'oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO) est le TCO leader sur le marché des TE. Malgré les très bonnes propriétés électro-optiques de l'ITO, il présente des inconvénients, notamment la rareté des ressources en indium, les techniques de dépôt sous vide et coûteuses, la grande quantité d'indium nécessaire et enfin la faible flexibilité mécanique. Les réseaux percolants composés de nanofils métalliques (MNW) à fort rapport d'aspect, principalement des AgNW, sont des candidats prometteurs parmi les matériaux émergents pour remplacer les électrodes à base d'ITO.

En utilisant la méthode de spray, des réseaux AgNW ont été déposés sur du verre, avec une résistance de feuille de 5,9 Ωsq-1 et une transmission optique à 500 nm de 84,3%. Cependant, l'absence de stabilité thermique et électrique suffisante, la tendance des MNW à l'oxydation ou à la sulfuration, la rugosité de surface élevée et la mauvaise adhérence des MNW aux substrats sont parmi les principaux inconvénients. L’amélioration de la stabilité a été le principal objectif des études expérimentales dans le cadre de cette thèse. Nous avons choisi des couches minces d'oxydes métalliques (quelques dizaines de nanomètres) pour améliorer la stabilité des TE à base d'AgNW. L'AP-SALD a été utilisée pour déposer des revêtements de haute qualité de ZnO et Al₂O₃. Nous avons confirmé que les revêtements de ZnO et d'Al₂O₃ peuvent améliorer considérablement la stabilité électrique, thermique et de vieillissement des réseaux AgNW ; plus l'épaisseur de l'oxyde est importante, plus la stabilité est élevée. Des revêtements bicouches de ZnO/Al₂O₃ ont été proposés et testés. Le revêtement Al₂O₃ a été utilisé comme revêtement anti-reflet sur les films ZnO. Enfin, la flexibilité mécanique des réseaux AgNW nus, revêtus de ZnO et de ZnO/Al₂O₃ bicouches a été mesurée et a montré une supériorité significative par rapport aux électrodes ITO de référence.

Nous avons également utilisé des simulations de Monte Carlo pour étudier la percolation des réseaux composés de nano-objets aléatoires avec différents ordres de symétrie afin de trouver les formes élémentaires ayant le seuil de percolation le plus bas possible. Nous avons observé que la prise en compte d'un ordre de symétrie optimal des nano-objets, tels que les nano-étoiles, peut entraîner une diminution de la densité surfacique de matière jusqu'à 50 % par rapport à des réseaux similaires composés de nanofils. Ces résultats peuvent être utilisés comme guide pour les chimistes afin de synthétiser de nouvelles formes de nano-objets. Enfin, nous nous sommes concentrés sur l'efficacité de collecte des TE basées sur les MNW pour les cellules solaires en étudiant l'effet de paramètres tels que la densité du réseau MNW, la longueur NW et les longueurs de diffusion des porteurs de charge photo-générés dans le matériau actif. Nos résultats indiquent, pour chaque type de cellules solaires et longueur des NW, quelle serait la densité de réseau idéale pour optimiser la performance des électrodes. Nous pensons que l'amélioration de notre modèle peut fournir une ligne directrice fiable pour concevoir une TE pour une application ciblée de cellules solaires, de la géométrie NW au niveau des propriétés du réseau