Les Oxydes transparents Conducteurs (OTC)

I.1.1- Qu’est-ce qu’un OTC

La découverte des Oxydes Transparents Conducteurs (OTC) remonte au début du vingtième siècle, quand Bädeker [1,2] a constaté que les couches minces d’oxyde de Cadmium (CdO) déposées à l’intérieur d’une chambre à décharge luminescente était à la fois conductrices et transparentes. Cette première observation a donné naissance à un thème de recherche nouveau qui demeure après un siècle un sujet d’actualité. De nombreux matériaux OTC sont apparus ensuite, citons en particulier In₂O₃, SnO₂, ZnO, Cd₂SnO₄, CdSnO₂, In₂O₃ :Sn (ITO), ZnO :Al, SnO₂ :Cd, SnO₂ :F, CdInO_x, In₂O₃ ;F…etc.

L’obtention de tels matériaux, présentant un bon compromis entre transparence à la lumière visible et bonne conductivité électrique, constitue un enjeu industriel important. Ces OTC sont des matériaux très utilisé, car beaucoup d’applications recherchent cette combinaison de la transparence optique avec la conductivité électrique. Quelques-unes de ces applications sont listées ci-dessous :

-          Ecrans plats, fenêtres anti-gel, fenêtres réfléchissants la chaleur (bâtiments, four, etc…), miroirs et fenêtres électrochromiques, écrans de contrôle tactiles, protection électromagnétique, dissipation des charges électrostatiques.

-          Cellules solaires : comme contact avant à travers lequel la lumière doit passer à fin d’entrer dans la cellule solaire.

I.1.2- L’utilisation des OTC comme anode

Les oxydes transparents et conducteurs (OTCs) les plus étudiés en tant qu’électrodes dans les cellules solaires organiques sont principalement l’oxyde d’indium dopé à l’étain (ITO), l’oxyde d’étain dopé au fluor (FTO) ou encore l’oxyde de zinc dopé à l’aluminium (AZO). Aujourd’hui, l’ITO demeure le plus utilisé en raison de ses excellentes propriétés optiques et électriques, comparé aux autres OTCs. Cependant, il présente des inconvénients comme la rareté de l’indium, son coût très élevé (dans les cellules solaires, une anode en ITO représente environ 50% du prix du dispositif), ses propriétés mécaniques peu adaptées à l’utilisation de substrats flexibles, ou encore des techniques de dépôts destructives pour les matériaux organiques (chauffage du substrat ou recuit thermique à haute température).

Des travaux avec une architecture tri-couches ITO/métal/ITO ont permis d’améliorer considérablement le compromis conductivité/transmission et de diminuer significativement la quantité d’ITO nécessaire. En utilisant l’argent (Ag) comme couche métallique intermédiaire (10 nm à 16 nm), la transmission des électrodes ITO/Ag/ITO varie entre 80% et 90%, avec des valeurs de résistances carrées comprises entre 4 et 15 Ω/sq [3,4]. D’autres métaux comme le cuivre (Cu) et l’or (Au) ont aussi été utilisés [5,6] : une transmission de 88% avec une résistance carrée de 6 Ω/sq est obtenue en utilisant une couche de 16 nm de Cu [7], une transmission de 76% avec une résistance carrée de 20 Ω/sq est obtenue en utilisant une couche de 20 nm d’Au [8]. L’utilisation des électrodes ITO/métal/ITO dans les cellules solaires organiques a permis d’améliorer les rendements grâce à une transmission optimale dans le domaine d’absorption de la couche active [9]. En ce qui concerne la rareté de l’indium, il est vrai que l’utilisation de films très minces d’ITO dans une structure tri-couches permet de réduire considérablement la quantité d’indium, mais une pénurie de l’indium est tout de même prévisible à moyen terme. De plus, le coût de l’indium est très élevé avec la percée du marché des panneaux photovoltaïques de CIGS (Cu(In,Ga)Se2). Ces éléments d’ordre économique incitent à chercher des nouvelles électrodes conductrices et transparentes sans indium.