photovoltaïques organiques sur substrat souple
III.3.1. Méthodes de dépôt utilisées sur substrat souple
La nature du substrat est un point-clé du projet ISOCEL, et on la retrouve même mentionnée dans le titre des travaux de thèse décrits dans ce manuscrit. Les méthodes de dépôt adaptées au substrat PET seront tout d’abord présentées. Puis les étapes du développement du procédé de fabrication seront décrites, avec l’évolution de l’empilement OPV.
III.3.1. Méthodes de dépôt utilisées sur substrat
souple
La technique du spin-coating, utilisée pour le dépôt de la couche active sur des substrats de verre de petite dimension n'est plus adaptée pour des substrats de PET de plus grande surface. Nous nous sommes alors tournés vers d'autres techniques de dépôts telles que le "Doctor Blade" ou le "slot-die coating". De plus la découpe des substrats de PET peut aisément être réalisée avec une méthode très précise qui sera également présentée.
III.3.1.1. Dépôt par la technique de Doctor Blade
La méthode de Doctor Blade, développée à la fin des années 1960 pour l’industrie papetière [50], a été adaptée à d’autres applications d’impression comme pour l’électronique organique. Le principe de cette technique est illustré sur la Figure III.22. La solution est étalée manuellement le long d’une lame qui va ensuite se déplacer à vitesse constante et à une hauteur donnée au-dessus du substrat à recouvrir. Ce dernier peut être chauffé afin d’accélérer le séchage du film. Peu de paramètres régissent donc son fonctionnement : hauteur et vitesse de déplacement de la lame (appelées h et v lors de la description de ces paramètres), température de la plaque chauffante (appelée T lors de la description des paramètres).
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Figure III.22. Photographie d’un dépôt de couche active par Doctor Blade sur un substrat de verre avec légende (paramètres variables encadrés)
Le maintien sous vide du substrat permet d’assurer un bon alignement lors du dépôt. Cependant le maintien des substrats de PET peut s’avérer compliqué lorsque leur épaisseur est inférieure ou égale à 50 µm, dans le cas de ceux recouverts d’ITO par exemple. Afin de remédier à ce problème, un premier substrat plus large et plus épais a été mis en contact avec l’aspiration sous vide, les échantillons étant fixés à sa surface au moyen de quelques gouttes d’éthanol.
Cette technique présente le gros avantage par rapport au spin-coating, mis à part l’augmentation de la surface traitée, de minimiser la perte de matière [51]. En effet si le volume initial de l’encre mise en contact avec la lame est bien optimisé (environ 40 µL pour les films réalisés dans ces travaux), sa quasi-intégralité sera consommée à la fin du dépôt. La formulation va néanmoins impliquer une certaine optimisation avant l’obtention de films opérationnels dans un dispositif OPV.
III.3.1.2. Dépôt par la technique de slot-die coating
Le slot-die coating est une technique similaire au Doctor Blade, mais plus évoluée car plus de paramètres entrent en jeu. Elle consiste également à un dépôt sur grande surface dans une seule direction et est déjà intégrée à des lignes de fabrication de dispositifs OPV pouvant recouvrir des centaines de mètres de substrats plastiques en continu [52]. Au niveau du montage expérimental, il est relativement proche de celui décrit sur la Figure III.22 du Doctor Blade. Seule la lame qui se déplace est remplacée par une tête constituée de deux parties qui sont assemblées, et qui reçoivent l’encre en continu par une source extérieure (en général un pousse-seringue). Ces parties sont visibles sur la Figure III.23 en haut à gauche, où l’on distingue également un masque entre les deux [51].
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Figure III.23. Photographies décrivant la tête du slot-die : les deux parties à assembler et le masque entre les deux (en haut à gauche), la tête assemblée vue du dessous (en haut à droite), la tête assemblée vue du côté (en bas à gauche). Schéma du principe du slot-die en bas à droite [51]
Le masque constitue l’avantage principal du slot-die par rapport au Doctor Blade : il permet l’impression de lignes séparées dans le sens du déplacement de la tête. Des motifs en une dimension sont donc réalisables avec cette technique (voir un exemple sur la Figure III.24 [53]) et cela va s’avérer très pratique lors de la mise en forme de modules OPV comme nous le verrons dans la partie IV.3.2.
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III.3.1.3. Découpe des substrats par xurographie
Une méthode bien particulière est disponible pour la découpe de précision des substrats souples : la xurographie, dont le nom provient des termes grecs xuron (lame) et graphe (écrire). La lame d’une machine Craft ROBO ProS de chez Graphtec visible sur la Figure III.25 est ainsi capable de sectionner du plastique ayant une épaisseur entre 5 et 250 µm, avec une résolution latérale de 5 µm et à partir de fichiers créés sous un logiciel de type CAO (création assistée par ordinateur). Ceci s’avère extrêmement pratique dans le projet car les échantillons pourront être découpés à n’importe quelle étape de la fabrication de manière reproductible, et tout type de masque devient également envisageable tant que les dimensions et les formes restent dans la gamme de précision de la machine. Lorsque les substrats ont été récupérés, ils peuvent ensuite recevoir les couches supérieures de l’empilement OPV en suivant la procédure classique de fabrication. Idéalement, l’intégralité du processus de fabrication devrait se dérouler sur un grand substrat qui ne serait découpé que pour la caractérisation des cellules. Au fur et à mesure des avancées du projet, cette étape de découpage sera donc repoussée au plus tard dans la chaîne de préparation des dispositifs.
Figure III.25. Photographie de la machine de xurographie en découpe
Ces nouvelles techniques prévues dans le procédé vont maintenant être mises en pratique afin d’obtenir un procédé de fabrication de dispositifs OPV sur grande surface souple.