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Des cellules solaires miniatures pour des MEMS autonomes

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Construites comme des circuits intégrés, ces cellules photovoltaïques peuvent alimenter des nanomécanismes (MEMS) et ne mesurent qu'un millimètre carré, une surface que les chercheurs sont sûrs de pouvoir diviser par dix.

Groupées en un réseau, les vingt cellules photovoltaïques occupent à peine plus de 2 centimètres carrés. © Xiaomei Jia et al.

Les nanotechnologies produisent avec régularité de nouvelles familles de capteurs, pour mesurer pressions et températures ou détecter la présence de substances chimiques dans l'environnement (eau, atmosphère) ou dans le corps humain. Mais il reste un problème à résoudre : l'alimentation électrique. A côté de ces systèmes miniaturisés, à peine visibles à l'œil nu, voire invisibles, la plus modeste des piles bouton est d'un gigantisme incongru. Il faut donc aussi réduire la taille des sources électriques, un objectif  que visent de nombreuses équipes.

Celle de Xiaomei Jiang, du Department of Physics (University of South Florida, Tampa, Floride) s'est attelée au cas des cellules photovoltaïques et a utilisé la photolithographie, technique classique de la fabrication de circuits électroniques. Leur cellule mesure seulement 1 millimètre carré et le prototype réalisé en contient 20, occupant 2,2 centimètres carrés. L'anode est constituée d'un oxyde métallique (alliage d'étain et d'indium), avec une cathode d'aluminium. Entre les deux est installée la couche dite active, c'est-à-dire photosensible. Elle est composée de l'association désormais considérée comme la plus prometteuse pour les cellules photovoltaïques, de deux molécules organiques, le P3HT et le PCBM.

La cellule élémentaire réalisée par les auteurs de cette étude. Sur la cathode, (bande bleue ciel), de 1 mm de large et 6 mm de long, est déposée l'anode, de 1,5 mm de large, avec son connecteur (0,1 mm de largeur). Entre les deux est installée une couche active, photosensible. © Xiaomei Jia et al.

Puissance électrique miniature...

Le premier est un polymère organique (polyhexylthiophène) et le second (ester méthylique d'acide butyrique) est un dérivé du fullerène (molécule de forme sphérique comportant 60 atomes de carbone). Ces deux composés forment ce que l'on appelle une hétérojonction, c'est-à-dire une jonction entre deux matériaux semi-conducteurs différents. Dans ce couple, le P3HT est un donneur d'électrons et le PCBM un accepteur.

Sous un éclairage standardisé (dit AM 1.5 dans le domaine des cellules photovoltaïques) de 132 mW/cm2, ce réseau de vingt cellules fournit 55 microampères avec une tension de 7,8 volts. On est très loin des besoins du plus économe des baladeurs mais cette modeste production peut suffire à des MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), des systèmes micromécaniques réalisés avec les techniques de microgravure utilisées pour la confection des circuits électroniques et comportant un ou plusieurs éléments mobiles. Servant de capteurs ou d'actionneurs, ils fonctionnent à l'électricité mais en réclament très peu.

Dans la revue The Journal of Renewable and Sustainable Energy (JRSE), les auteurs de l'étude affirment que la technique mise au point permettrait de réaliser des réseaux de cellules de 0,01 millimètre carré. L'équipe s'emploie maintenant à concrétiser cette promesse mais aussi à augmenter la tension électrique fournie.

Réduit à une taille minuscule, un dispositif comportant un ou plusieurs MEMS et un tel capteur solaire serait complètement autonome pourvu qu'il ait un peu de lumière, provenant du soleil ou d'éclairages artificiels. Pour contrôler la qualité de l'air ambiant, détecter une molécule toxique ou effectuer différentes mesures, il suffirait alors d'un appareil plus petit qu'un confetti.

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