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Hybriden, une plateforme pour la preuve de concept


Implantée au cœur du CEA Grenoble, la plateforme Hybriden a été minutieusement pensée et conçue dans le but de proposer un espace de recherche et des équipements destinés à l’étude de concepts, architectures et matériaux innovants dans les domaines de la production (cellules solaires) ou le stockage d’énergie (batteries, supercondensateurs).

Le terme plateforme véhicule également la notion d’échanges puisque le laboratoire ouvre ses portes aux chercheurs, étudiants et post-doctorants de la communauté scientifique mais également aux partenaires industriels. Cette plateforme est gérée par M. Jérôme Faure-Vincent (chercheur CEA, interface projets-chercheurs) et M. Clément Thomassé (assistant ingénieur CNRS, responsable technique).

Des outils performants au service de l’innovation énergétique


La plateforme s’axe autour de deux lignes de boîtes à gants composées de plusieurs bancs de réalisation et de test : une ligne centrale dédiée à la réalisation de dispositifs expérimentaux pour la production d’énergie et une seconde ligne destinée au stockage d’énergie. Des équipements complémentaires (mesure de rendement quantique externe, enceinte de vieillissement accéléré, hottes à flux laminaire, automatic film coater, broyeur planétaire à billes...) viennent enrichir ces installations. 

Production d’énergie


La ligne centrale est destinée à la réalisation ou à l’étude de cellules photovoltaïques de différentes technologies (cellules solaires organiques, sensibilisées avec des colorants ou des nanocristaux semiconducteurs, ou encore de type Perovskites).

Les outils utilisés pour mettre en œuvre le processus de fabrication consistent en une installation de trois boîtes à gants Jacomex interconnectées sous atmosphère argon (<1ppm O2/H2O) avec tournette, microbalance de pesée, plaque chauffante et dispositif d’évaporation de métal intégrés. La caractérisation des dispositifs photovoltaïques est effectuée grâce à un simulateur solaire connecté à des appareils de mesure qui permettent de tester les performances de la cellule.

 


Procédés mis en œuvre


Les matériaux, synthétisés au préalable par des chimistes dans des laboratoires annexes, sont intégrés dans des dispositifs au sein de la plateforme Hybriden afin d’en valider la preuve de concept.

Fabrication


Dans le cas de cellules solaires organiques, la première étape consiste à étaler à la tournette le matériau actif sur un substrat transparent et conducteur (typiquement du verre recouvert d’une fine couche d’oxyde d’indium-étain). Après une éventuelle étape de recuit sur une plaque chauffante dans la boîte à gants, l’échantillon est transféré dans l’évaporateur métallique. Le dépôt d’une électrode supérieure (par exemple en aluminium) permet alors de terminer le dispositif cellule solaire.

Test de performances


Une seconde étape consiste à mesurer les performances de la cellule (efficacité de rendement, courant de court-circuit, tension à circuit ouvert, puissance maximale…). Cette dernière est connectée à un appareil de mesure des courbes courant-tension (I-V), lui-même piloté par un ordinateur. L’efficacité des cellules solaires est déduite des courbes I-V obtenues sous éclairement. 

Mesures de mobilités des charges électriques


La plateforme Hybriden est également équipée avec un banc de mesure sous pointes permettant de mesurer la mobilité des charges électriques dans le matériau actif. L’étude comparative entre plusieurs matériaux permet, dans certains cas, de corréler mobilité et efficacité des dispositifs.

Stockage d’énergie 


La seconde ligne est destinée au stockage d’énergie s’effectuant sous forme électrochimique (par exemple batterie lithium ou supercondensateur). L’installation permet d’assembler, d’étudier et de tester les performances et la durée de vie de ces dispositifs.

 

Ligne de boîte à gants dédiée au stockage d’énergie s’effectuant sous forme électrochimique.


Les outils utilisés pour mettre en œuvre le processus de test consistent en une installation de deux boîtes à gants Jacomex connectées par un sas de transfert en « T » sous atmosphère argon (<1ppm O2/H2O) dont l’une est couplée avec un cycleur.

Procédés mis en œuvre


Les dispositifs assemblés en boîte à gants et constitués de trois couches de matériaux (électrode/électrolyte/électrode) sont connectés aux bornes positive et négative d’un cycleur. Le cycleur charge et décharge les dispositifs (jusqu’à plusieurs centaines de milliers de fois) pour quantifier l’évolution des performances (quantité d’énergie stockée, puissance, capacité…) au cours de l’utilisation.

Avenir de la plateforme Hybriden


Soutenue par le CEA, le CNRS, l’Université Grenoble Alpes et le labex Lanef, la plateforme Hybriden fait partie du projet Minatec Labs qui regroupe un ensemble de plateformes technologiques dédiées aux nanosciences (nanoélectronique, énergie, chimie, ADN…). Ces plateformes illustrent la volonté de l’Institut Nanosciences et Cryogénie du CEA de disposer de moyens à l’état de l’art au service de la communauté scientifique ainsi que des partenaires industriels impliqués dans ces projets.

Pour aller plus loin, nous vous invitons à contacter le responsable de la plateforme Hybriden, M. Jérôme Faure-Vincent, jerome.faure-vincent@cea.fr .

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