SPRAM INES Intercluster 2009 soumission by 51fpX3D

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									                       CLUSTER DE RECHERCHE
« Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies »




     Appel à projet de recherche - Campagne 2009


                  Date limite pour le dépôt du dossier :

                  Vendredi 28 novembre 2008


           Dépôt exclusivement en ligne à l’adresse suivante :
                        http://www.cluster-micronano.fr




           Responsable scientifique : Pr Ahmad Bsiesy
            Chargée de mission cluster : Dr Valérie Rocchi

                          Tél : 04 76 82 51 68
               E-Mail : valerie.rocchi@cluster-micronano.fr
               Site web : http://www.cluster-micronano.fr




                             Appel à projet de recherche 2009
                                 Dossier de candidature
      Cluster de recherche « Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies »
                                         -1-
Le cluster de recherche Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies lance son appel à
projet de recherche 2009. Ci-dessous, vous trouverez les thématiques de recherche éligibles,
les critères d’éligibilité, les moyens alloués et les conditions générales pour la constitution du
dossier de candidature ainsi que le calendrier.


Les thématiques de recherche

Les projets relevant des thématiques suivantes sont éligibles :

   Micro et nano électronique
   Micro et nano technologies
   Micro et nano systèmes
   Nano magnétisme et électronique de spin
   Micro et nano photonique

   Micro/nano pour les énergies renouvelables :


           Appel à projet de recherche concerté avec le cluster Energies
                                  (http://www.cluster-energies.fr)


1. Cette année, le cluster de recherche Micro-Nano s’associe au cluster de recherche
   Energies pour soutenir des projets scientifiques interdisciplinaires et innovants autour
   des nouvelles technologies de l’énergie :

« Le développement des énergies renouvelables, la problématique de l’efficacité énergétique et du
management global de l’énergie sont devenus un enjeu sociétal et économique majeur, accentué
par le contexte actuel des difficultés posées par les énergies fossiles (coût, sécurité
d’approvisionnement, changement climatique,…). Aussi, la recherche autour des nouvelles
technologies de l’énergie connaît-elle actuellement un essor important en regard notamment des
conclusions du Grenelle de l’environnement appliquées au développement de marchés comme le
bâtiment, le transport ou les systèmes nomades. Le rôle que peuvent jouer les micro et
nanotechnologies dans ce domaine est fondamental, que ce soit dans le domaine de l’énergie
photovoltaïque, des micro-sources d’énergie, du « smart power », de la pile à combustible, du
thermoélectrique… De nombreuses études sont en cours aussi bien sur le matériau (nano-
composites, piézoélectrique, nano-fils semi-conducteurs,…), sur les structures (cellules
photovoltaïque à base de multi-jonctions ou à puits quantiques) que sur les phénomènes physiques
mis en œuvre (confinement optique, résonnance plasmonique,…).
Ce contexte nécessite une approche interdisciplinaire associant compétences en « micro/nano » et
compétences en matériaux, en gestion et production d’énergie. C’est pourquoi, les clusters
« Microélectronique, nanosciences et nanotechnologies » et « Energies » s’associent dans un appel
à projet concerté en 2008-2009.

Pr Ahmad BSIESY, responsable scientifique du Cluster Micro-Nano
Pr Yves FAUTRELLE, responsable scientifique du cluster Energies


2. Les projets fondés sur un partenariat entre des laboratoires issus des 2 communautés
   seront particulièrement bien appréciés ;

3. Le dossier de candidature est identique à celui des autres projets : remplissez
   soigneusement toutes les rubriques demandées.


                                    Appel à projet de recherche 2009
                                          Cluster de recherche
                          Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies
                                                 -2-
Critères d’éligibilité des nouveaux sujets:

Le cluster privilégiera les projets visant des ruptures technologiques à l’échelle de 5 à 10 ans, à
«l’amont de l’aval ». Par delà le soutien affirmé à l’excellence scientifique, le cluster a pour
mission principale la structuration régionale de la recherche autour de projets à retombées
économiques potentielles pour la région. Pour cela, les projets sélectionnés devront répondre à au
moins un des deux critères suivants :

                 la mise en réseau (effet « cluster ») de laboratoires régionaux, seront privilégiés
                  les projets associant des laboratoires pas ou peu habitués à collaborer.
                 l’impact socio-économique pour la Région. La participation ou le soutien d’un
                  acteur industriel n’est pas indispensable mais est souhaitable.

Enfin, dans la mesure du possible, on s’efforcera d’articuler les projets autour des politiques de
structuration régionales et nationales (politiques de site, pôles de compétitivité, réseaux
thématiques, …).

Moyens alloués par le cluster
Le cluster soutient des projets de recherche au moyen d’allocations de recherche et des
subventions (fonctionnement et équipement). Le montant global de la demande, hors ADR, est de
l’ordre de 40 à 100 k€ par projet, y compris les bourses d’accueil (voir annexe). Les crédits sont
alloués pour trois ans et versés en une seule fois lors du démarrage du sujet. Le comité de sélection
jugera les sujets dans leur globalité, sans aucun à priori entre le type de projet, l’axe thématique
considéré ou le soutien à des projets préexistants.

Conditions générales pour la constitution du dossier :
Le dossier de candidature est un élément important qui permet une évaluation dans des conditions
optimales. Il est donc souhaitable de le remplir au mieux des informations demandées.
En particulier, en page 6 et 7 se trouve une fiche récapitulative du projet à la fois scientifique et
administrative. Nous demandons aux porteurs de projets de faire signer cette fiche à leur directeur
de laboratoire mais également à chacun des directeurs des laboratoires impliqués dans le projet et
ce, dès le dépôt du dossier. Cette fiche doit nous être renvoyée par voie postale.

Le calendrier :
       Les projets devront être renvoyés par voie électronique au plus tard
                             le vendredi 28 novembre 2008.
Attention ! Le dépôt du projet s’effectue en ligne à l’adresse suivante :
                    -> http://www.cluster-micronano.fr
-     Les projets seront ensuite examinés par un collège d’experts scientifiques extérieurs à la
      Région Rhône-Alpes puis par le comité de programme du cluster.
-     Les porteurs de projets sélectionnés seront informés dès la deuxième quinzaine de janvier
      2008 et un supplément d’informations administratives leur sera demandé pour finaliser leur
      dossier. Les porteurs de projet non retenus recevront un courrier officiel accompagné d’une
      synthèse des expertises courant mars.

Informations

Toutes les informations concernant les thématiques scientifiques sont disponibles sur le site du
cluster à l’adresse suivante :
http://www.cluster-micronano.fr

Pour toute autre demande, vous pouvez contacter la chargée de mission du cluster, Valérie Rocchi.
                                      Appel à projet de recherche 2009
                                            Cluster de recherche
                            Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies
                                                   -3-
                                   Projet de Recherche 2008



                                          Micro et Nano Electronique 
                                           Micro et Nano Systèmes 
     Thématique de                        Micro et Nano Technologies 
     rattachement :                 Nano Magnétisme et Electronique de spin 
           (X)                             Micro et Nano Photonique 
                                                         *
                                              Projet inter-cluster 

                                Développement de cellules photovoltaïques
     Titre du sujet :        organiques/inorganiques tandem à haut rendement
                                              de conversion

  Nom du porteur du
       projet
                                            Jérôme FAURE-VINCENT

                            Laboratoire : SPrAM
      Structures de         (Structures et Propriétés d’Architectures Moléculaires –
      rattachement          UMR 5819 – CNRS - UJF - CEA)
                            Etablissement :     CNRS
                            Mail : jerome.faure-vincent@cea.fr
      Coordonnées
                            Tél : 04.38.78.34.09
    Durée du projet         3 ans

                             Récapitulatif des moyens demandés en k€ :

       Equipements          78.5
     Fonctionnement         21.5

Demande d’une ADR
(oui/non)                     OUI
Nom du directeur de         Frédéric CHANDEZON (si Ecole Doctorale de physique)
thèse (HDR)                 ou Adam PRON (si Ecole Doctorale de chimie)
    * (nbre de mois)
BIR                         ( ) Mois
    * (nbre de mois)
BAC                         ( ) Mois

 Informations importantes
              Les budgets sont versés en une seule fois, l’année de labellisation du sujet
              Les sujets ont une durée de trois ans maximum (durée de vie d’une Allocation
               de Recherche)

         BIR : Bourse Internationale de recherche,
               BAC : Bourse d’accueil (post-doctorant, jeunes chercheurs ou chercheurs
                  confirmés). Voir en annexe les conditions et modalités.


                                      Appel à projet de recherche 2009
                                            Cluster de recherche
                            Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies
                                                   -4-
                               FICHE récapitulative sujet




                        Résumé du projet (10 lignes maximum) :



Le but de ce projet impliquant les laboratoires SPrAM (UMR 5819, Grenoble) et LCS de
l’Institut National de l’Energie Solaire (INES, Chambéry) est de développer des cellules
photovoltaïques organiques/inorganiques tandem à haut rendement de conversion.
Pour ce faire, nous élaborerons une cellule solaire tandem composée d’une partie
organique et d’une partie inorganique à base de nanocristaux semiconducteurs. Nous
optimiserons le rendement de conversion de ces cellules tandem via la maîtrise de la
synthèse des matériaux (structure, taille et monodispersité des nanocristaux, ligands de
fonctionnalisation) et via une étude détaillée des phénomènes physiques et des interactions
entre les divers éléments composant la cellule (propriétés électroniques et spectres
d’absorption des matériaux, nature de la couche intermédiaire dans la cellule tandem…).




                                 Appel à projet de recherche 2009
                                       Cluster de recherche
                       Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies
                                              -5-
                                  FICHE récapitulative budgétaire




                                           Budgets                                                 Signatures des
                                                                      Etablissement
                      Nom du             demandés en                                                directeurs de
   SUJET :                                                             d’affiliation*
                    Laboratoire              k€ ttc                                                 laboratoires
                                        Equip.    Fonct.
  Laboratoire
Porteur du projet      SPrAM              53.5          11.5                CNRS
                *
 Laboratoire 1          LCS                25            10                  CEA
 Laboratoire 2
 Laboratoire 3
 Laboratoire 4
 Laboratoire 5

TOTAUX (budget
     projet)
                                          78.5          21.5

 SI BAC ou BIR
(coût estimé en
     totalité)




                                           Appel à projet de recherche 2009
                                               Dossier de candidature
                    Cluster de recherche « Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies »
                                                       -6-
Description du projet : (En 2 à 3 pages maximum (Times 12 simple interligne), donner l’objectif de l’étude en précisant les
approches théoriques et expérimentales, les moyens mis en œuvre ainsi que le planning prévisionnel sur 3 ans)


Contexte et enjeux du projet

        Dans le cadre du fort développement actuel du solaire photovoltaïque, les cellules
constituées de matériaux organiques (polymères pi-conjugués, molécules) présentent par rapport à
leur homologues inorganiques (silicium,…) l’avantage d’un faible coût de fabrication, de leur
flexibilité mécanique et d’un faible poids et la recherche dans le domaine s’est fortement
développée au cours des vingt dernières années [1, 2]. Le principe de fonctionnement d’une cellule
solaire organique peut être résumé comme suit : l’absorption d’un photon conduit à la formation
d’un exciton ; la dissociation de cet exciton génère un électron et un trou libres qui diffusent
jusqu’aux électrodes créant ainsi un courant. Pour les matériaux organiques, l’énergie de liaison de
l’exciton étant supérieure à l’énergie thermique kT, la dissociation de l’exciton ne peut se produire
qu’à une interface entre un matériau de grande affinité électronique (accepteur d’électrons) et un
matériau ayant un faible potentiel d’ionisation (donneur d’électrons). La façon la plus simple de
combiner ces deux types de matériaux est de les associer en une hétérojonction bicouche, une
structure qui a permis d’obtenir des résultats encourageants dès 1993 [3]. Mais du fait de la faible
longueur de diffusion des excitons dans les matériaux organiques (typiquement 10 nm), il s’est
avéré bien plus efficace d’utiliser une « hétérojonction volumique » où matériaux donneur et
accepteur sont mélangés en réseaux percolants interpénétrés à l’échelle nanométrique. Depuis les
premiers travaux appliquant ce concept [4], le rendement s’est régulièrement amélioré pour
atteindre à l’heure actuelle 5 % pour un mélange à base de P3HT 1 (donneur) et de PCBM2
(accepteur), un dérivé du C60 [5]. En parallèle de ces travaux pionniers, des équipes ont étudié
d’autres matériaux accepteurs comme alternative au PCBM : autres
polymères pi-conjugués semi-conducteurs [6] ; nanocristaux (NCs) de
TiO2 [7] ou de CdSe [8]. Récemment, Luther et coll. ont obtenu un
rendement de 2.1% en utilisant une couche de NCs de PbSe seuls, la
formation d’une barrière Schottky à l’interface avec la cathode assurant la
séparation des charges [9]. Malgré ces nouvelles voies prometteuses, les
meilleurs rendements ne dépassent pas 5%. La limitation principale est que
les cellules n’absorbent qu’une partie du spectre solaire. Pour augmenter
le rendement, il convient de mieux adapter le spectre d’absorption des
matériaux au spectre solaire. Un moyen d’y parvenir est d’utiliser la
structure « tandem » où deux cellules solaires sont superposées, le
spectre d’absorption de chaque cellule se complétant [10]. Le schéma
de principe d’une cellule tandem est présenté à la figure 1 : la lumière
                                                                               Figure 1 : principe d’une
incidente atteint d’abord le matériau de plus grand gap, et les photons cellule solaire tandem.
transmis, de plus faible énergie, sont absorbés par la deuxième cellule.

Description et objectifs du projet

      L’originalité de notre projet est de développer une cellule « tandem » associant une cellule
organique à une cellule inorganique constituée d’une couche mince de nanocristaux
semiconducteurs seuls.


1
    poly(3-hexylthiophène)
2
    Dérivé du fullerène [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester
                                             Appel à projet de recherche 2009
                                                 Dossier de candidature
                      Cluster de recherche « Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies »
                                                               -7-
        Pour la première cellule (large gap, voir Figure 1), nous utiliserons un mélange P3HT-
PCBM qui donne actuellement les meilleurs rendements au niveau mondial, un système par
ailleurs déjà optimisé par le partenaire LCS (5% obtenus en 2008, projet ANR photovoltaïque
Nanorgysol en 2005). Pour la deuxième cellule (faible gap, voir Figure 1), nous utiliserons des
nanocristaux semiconducteurs colloïdaux dont l’intérêt réside dans le caractère ajustable de
leurs propriétés optiques avec la taille et la composition ainsi que dans leur compatibilité avec les
techniques de dépôts de l’« électronique souple » : dépôt de couche mince (quelques dizaines de
nm) par spin- ou dip-coating, par impression à jet d’encre ou sur rouleau rotatif. Pour ajuster au
mieux la complémentarité des deux cellules en terme de gamme spectrale d’absorption – celle du
P3HT étant très faible au-delà de 650 nm (soit un gap d’environ 1,9 eV) - nous synthétiserons des
NCs de CuInS2, CuInSe2, SnS ou Cu2S dont le gap pour le solide massif est respectivement de
1.5 eV, 1.04 eV, 1.3 eV et 1.2 eV. Contrairement aux NCs utilisés actuellement pour le
photovoltaïque « hybride », ces matériaux présentent l’avantage de ne pas contenir de métaux
lourds comme le plomb ou le cadmium, toxiques pour l’environnement. Dans de tels dispositifs, la
couche intermédiaire joue un double rôle crucial : (i) autoriser le transport des électrons tout en
bloquant les trous à une interface et inversement à l’autre interface, et (ii) être transparente aux
radiations susceptibles d’être absorbées par la deuxième cellule. Actuellement, les meilleurs
matériaux utilisés pour remplir cette fonction sont une double couche de TiO x sol-gel/PEDOT:PSS3
[10] ou une double couche de nanoparticules de ZnO/PEDOT (30/15 nm) [11]. Enfin, ce projet
bénéficiera de l’expertise reconnue du partenaire LCS dans le domaine du photovoltaïque « tout
organique » pour (i) valider notre approche NC en cellule tandem, (ii) pour étudier et optimiser les
phénomènes aux interfaces notamment au niveau de la couche intermédiaire.

Programme de travail :

1/ Synthèse (responsable : Peter REISS)
1.1 Synthèse et fonctionnalisation des NCs de CuInS2 (CIS), CuInSe2 (CISe), SnS, Cu2S
        Nous développerons et optimiserons la synthèse des NCs de manière à obtenir un bon
contrôle en termes de taille et morphologie des NCs, de la structure cristalline et de la
stœchiométrie ainsi que que la dispersion de la distribution de taille. A ce jour seule la synthèse des
NCs de CIS est maîtrisée au laboratoire SPrAM.
        Les ligands liés à la surface des NCs après la synthèse (par ex. acides gras) constituent une
barrière limitant le transfert de charge et doivent être remplacés par d’autres molécules. Nous
étudierons différentes molécules (pyridine, éthanedithiol, méthylamine, etc.) en nous basant sur nos
travaux et sur les résultats récents de la littérature [9, 12].

1.2 Double couche intermédiaire ZnO/PEDOT ou TiOx/PEDOT:PSS
        Nous élaborerons et étudierons une double couche de recombinaison efficace : elle doit
être transparente et continue, l’épaisseur doit être optimisée et le rôle électronique de l’interface doit
être étudié (SPrAM et LCS). Le partenaire LCS envisage de déposer cette couche soit par des
méthodes sol-gel ayant déjà fait leurs preuves dans des publications [10,11] soit par pulvérisation
cathodique à partir de cibles magnétron grâce au matériel à leur disposition.

2/ Caractérisation Amont des nouveaux matériaux
2.1 Etude de la structure (responsable : David DJURADO)
       La structure cristalline des nanocristaux sera étudiée par diffraction des rayons X et des
neutrons (Institut Laue Langevin). Des analyses en Microscopie Electronique à Balayage et à
Transmission complèteront ces études.

3
    Poly(3,4-éthylènedioxythiophène) : poly(styrènesulfonate)
                                            Appel à projet de recherche 2009
                                                  Cluster de recherche
                                  Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies
                                                          -8-
2.2 Etude des propriétés électroniques (responsable : Jérôme FAURE-VINCENT)
        Les niveaux électroniques (HOMO – Highest Occupied Molecular Orbital – et LUMO –
Lowest Unoccupied Molecular Orbital) des divers NCs synthétisés seront déterminés par
voltammétrie cyclique (A. Pron)
        Pour étudier la physique du transport de charge dans ces systèmes, le laboratoire SPrAM (J.
Faure-Vincent) développe un banc expérimental basé sur les méthodes complémentaires de Time of
Flight (ToF – Temps de Vol) et de Carrier Extraction by Linearly Increasing Voltage (CELIV
– Extraction de porteurs de charge par une rampe de tension) [13]. Ces techniques permettent de
mesurer la mobilité des porteurs de charges photogénérées dans nos matériaux ainsi que leur
coefficient de recombinaison bimoléculaire, qui est l’un des paramètres déterminants afin
d’optimiser le transport de ces charges du point de vue fondamental et d’améliorer le rendement du
point de vue applicatif (plus ce coefficient est faible et plus le rendement est élevé). Ce travail sera
effectué en relation étroite avec le partenaire LCS. Les mécanismes de recombinaison à des échelles
de temps plus longues seront étudiés en parallèle avec des expériences de Résonance
Paramagnétique Electronique sous excitation lumineuse [14, 15].
        Par ailleurs, pour étudier le transport à l’échelle locale dans les cellules, nous utiliserons la
microscopie à force atomique à pointe conductrice, C-AFM en abrégé (F. Chandezon). Cette
technique, dérivée de l’AFM en mode contact, consiste à balayer une pointe d’AFM métallisée et
polarisée sur une couche mince du matériau. Simultanément à l’enregistrement de la topographie, la
mesure du courant dans la pointe permet de cartographier localement les chemins de percolation des
charges [16]. La technique C-AFM a récemment montré son potentiel sur des mélanges donneurs-
accepteurs P3HT/PCBM et MDMO-PPV4/PCBM utilisés pour les cellules solaires organiques [16].

3/ Caractérisation Aval des nouveaux matériaux (responsable : Stéphane GUILLEREZ)
3.1 Optimisation de la double couche de recombinaison (ZnO/PEDOT, TiOx/PEDOT:PSS)
        Nous étudierons l’influence des conditions de dépôt, de l’épaisseur, du recuit sur l’interface
[P3HT-PCBM/couche intermédiaire] et sur l’interface [couche intermédiaire/CIS (CISe, SnS,
Cu2S)]. Cette étape risquée ne doit pas compromettre la réalisation de la tâche suivante (cellule tandem),
aussi nous envisageons une solution de repli en réalisant le dépôt par pulvérisation magnétron. Une
cartographie du potentiel de ces interfaces sera réalisée en utilisant la microscopie de sonde de Kelvin.

3.2 Réalisation, test et optimisation des cellules simples CIS (CISe, SnS, Cu2S)
       Nous optimiserons les paramètres suivants : épaisseur, absorption, taille des NCs, choix des
ligands, nature de l’électrode métallique (par ex. Ca, Mg, Al), dépôt couche par couche ou spin-
coating, rendement de conversion.

4/ Cellule tandem (responsable : Rémi de BETTIGNIES)
       La tâche se focalisera sur la caractérisation des performances photovoltaïques des cellules
tandem complètes en conditions standard d’illumination (AM1.5@25°C). Des mesures de
photocourant sous éclairement monochromatique (External Quantum Efficiency, EQE)
complèteront cette étude. Le LCS a optimisé son procédé de réalisation de cellules
photovoltaïques organiques qui atteignent désormais 5% de rendement de conversion. Ce
sont ces cellules optimisées qui seront utilisées comme premier étage de la cellule tandem.
       La tâche portera sur la réalisation, le test et l’optimisation des cellules tandem
Organique/CIS (CISe, SnS, Cu2S). L’étude se focalisera sur l’épaisseur des couches actives pour
équilibrer les courants, la nature de l’électrode, le mode de dépôt (couche par couche ou spin-
coating), et le rendement de conversion.

4
    poly[2-méthoxy-5-(3,7-diméthyloctyloxy)]-1,4-phénylène vinylène

                                           Appel à projet de recherche 2009
                                                 Cluster de recherche
                                 Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies
                                                        -9-
Planning prévisionnel sur 3 ans

Tâche            Responsable                  Année 1                 Année 2             Année 3
                                            3  6   9 12            15 18 21 24         27 30 33 36
1         P. REISS
2.1       D. DJURADO
2.2       J. FAURE-VINCENT
3         S. GUILLEREZ
4         R. de BETTIGNIES

Bibliographie :
[1] E. Holder et al. J. Mat. Chem., 18, 1064 (2008)
[2] S. Günes et al. Chem Rev., 107, 1324 (2007)
[3] N. S. Sariciftci et al. Appl. Phys. Lett., 68, 585 (1993)
[4] G. Yu et al. Science, 270, 1789 (1995)
[5] W. Ma et al. Adv. Func. Mat., 15, 1617 (2005)
[6] M. Granstrom et al. Nature, 395, 257 (1998)
[7] A.C. Arango et al. Appl. Phys. Lett., 74, 1698 (1999)
[8] W.U. Huynh et al. Science, 295, 2425 (2002)
[9] J. M. Luther et al. Nanoletters, 8, 3488 (2008)
[10] J. Y. Kim et al. Science, 217, 222 (2007)
[11] J. Gilot et al. Appl. Phys. Lett,. 90 143512 (2007)
[12] M. Law et al. J. Am. Chem. Soc., 130, 5974 (2008)
[13] A.J. Mozer et al. Phys. Rev. B, 71, 035214 (2005) et références incluses.
[14] K. Marumoto et al. Appl. Phys. Lett., 84, 1317 (2004)
[15] M. Pientka et al. Nanotechnology, 15, 163 (2004)
[16] O. Douhéret et al. Appl. Phys. Lett, 89, 032107 (2006)


Sujet de thèse à détailler (une page maximum)

Afin de renforcer la collaboration et l’aspect « Intercluster » de ce projet, les partenaires LCS et SPrAM
souhaitent encadrer une thèse en co-tutelle.

Compte-tenu de la description du projet faite ci-dessus, le doctorant sera chargé :
- de synthétiser et fonctionnaliser les NCs (le développement de ces étapes sera effectué par l’équipe de
Peter REISS) (SPrAM) ;
- de caractériser les propriétés structurales des NCs par Microscopie Electronique à Balayage ou en
Transmission ainsi que par diffraction de rayons X (SPrAM) ;
- de caractériser les propriétés optiques (spectroscopie d’absorption UV-Vis et de photoluminescence,
EQE) et électroniques (voltammétrie cyclique, C-AFM, ToF, CELIV) des NCs en solution et sous
forme de dépôt afin de choisir les meilleurs candidats pour la cellule tandem finale (LCS, SPrAM) ;
- d’élaborer la double-couche de recombinaison (ZnO/PEDOT, TiOx/PEDOT:PSS) de la cellule
tandem soit par des méthodes sol-gel soit par pulvérisation cathodique, et d’optimiser cette double
couche (rôle électronique de l’interface, transparence…) (LCS) ;
- de réaliser, tester et optimiser des cellules solaires simples CIS (CISe, SnS, Cu2S) (LCS) ;
- de réaliser, tester et optimiser des cellules tandem organique/CIS (CISe, SnS, Cu2S) : épaisseur
des couches actives pour équilibrer les courants, nature de l’électrode, mode de dépôt (couche par
couche ou spin-coating), rendement de conversion (LCS).

Le doctorant travaillera de façon étroite avec les divers membres du projet, et il interagira de façon
équilibrée avec les deux partenaires.
                                           Appel à projet de recherche 2009
                                                 Cluster de recherche
                                 Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies
                                                         - 10 -
Connaissances et compétences requises
Le candidat recherché aura un profil d’expérimentateur, physico-chimiste spécialisé en science des
matériaux. Des compétences dans l‘étude structurale de matériaux et en électronique organique
seront un atout. Le candidat devra faire preuve d’initiative et de bonnes facultés de communication
au sein de ce projet multidisciplinaire.

Encadrement de la thèse :
Directeur de Thèse : Frédéric CHANDEZON (si Ecole Doctorale de physique) ou Adam PRON (si
Ecole Doctorale de chimie) – SPrAM
Co-directeur de thèse : Rémi de BETTIGNIES – LCS
Correspondant CEA : Jérôme FAURE-VINCENT – SPrAM



Adéquation à l’appel d’offre (En une dizaine de ligne, expliquez pourquoi la demande se positionne dans les objectifs
généraux du cluster, en particulier mettre en évidence l’effet cluster (mutualisation des équipements et/ou des compétences).


Le laboratoire SPrAM (Grenoble) est expert dans les domaines des nanocristaux colloïdaux et des
matériaux hybrides à base de nanocristaux et de polymères pi-conjugués pour des applications au
photovoltaïque organique [1-4]. Ainsi depuis plusieurs années, le SPrAM a développé un savoir-
faire autour de la fonctionnalisation et de la synthèse de nanocristaux inorganiques permettant
d’obtenir des populations de tailles et de morphologies bien contrôlées. Le SPrAM dispose
également de toute une palette de techniques physico-chimiques pour la caractérisation et l’étude
des nanocristaux et des matériaux hybrides : spectroscopie d’absorption UV-visible, et de
photoluminescence, voltamétrie cyclique, microscopie à force électrostatique, bancs expérimentaux
de transport ToF et CELIV.

De son côté, le partenaire LCS (Chambéry) possède la culture et le savoir-faire dans le domaine des
applications photovoltaïques de l’électronique organique [5-7]. Son expertise va de l’élaboration de
nouveaux matériaux jusqu’au test en cellule solaire. Le partenaire LCS se situe à l’interface entre la
recherche applicative en laboratoire et la mise en place de filière industrielle, son équipement
permettant de réaliser des démonstrateurs de cellules solaires répondant aux normes internationales
reconnues en la matière (Air Mass 1.5, géométrie de cellule bien respectées).

Ainsi, le partenariat que nous proposons s’appuie sur la complémentarité de nos compétences
(synthèse, caractérisations structurale et électronique en amont, réalisation et caractérisations
électriques de cellules en aval) ainsi que sur celle de nos équipements propres à nos
thématiques de recherche respectives, afin de synthétiser des nanocristaux, de comprendre
leurs propriétés et de les intégrer efficacement dans des cellules solaires souples
industrialisables.

[1] P.Reiss, New J. Chem. 2007, 31, 1843-1852
[2] M. Protière, P. Reiss, Chem. Commun. 2007, 2417-2419
[3] C. Querner et al. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 11574-11582
[4] D. Aldakov et al. Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2006, 36, 261-265
[5] S. Berson, et al. Adv. Funct. Mater, 2007, 17, 1377-1384
[6] R. de Bettignies et al. Synth. Metals, 2006, 156 (7-8), 510
[7] S. Berson, et al. Adv. Funct. Mater. 2007, 17 3363



                                               Appel à projet de recherche 2009
                                                     Cluster de recherche
                                     Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies
                                                                - 11 -
Adéquation à l’appel d’offre projet Inter-cluster                            (développer la dimension inter-clusters du projet en
mettant l’accent sur la pertinence du consortium, la complémentarité entre partenaires sur les deux aspects Micro-Nano et Energies)


Le consortium proposé associe d’une part les compétences Micro/Nano et matériaux du laboratoire
SPrAM (synthèse, caractérisations, compréhension et maîtrise des phénomènes physiques) et
d’autre part les connaissances, le savoir faire technologique du laboratoire LCS dans le domaine du
photovoltaïque organique (fabrication, caractérisation et optimisation de cellules solaires).

Ce projet novateur mise sur une double originalité (matériaux impliqués - système hybride
organique / inorganique- et architecture du dispositif final - cellule tandem-) afin d’aboutir à la
réalisation technologique de cellules solaires souples et à haut rendement de conversion, l’un des
défis majeurs dans le domaine des énergies renouvelables pour les années à venir. Ainsi, le projet se
positionne clairement à l’amont de l’aval et répond de plus parfaitement à l’appel d’offre entre les
deux communautés Micro/Nano et Energies, aussi bien en termes d’interdisciplinarité que de
complémentarité des partenaires. Afin de renforcer ce partenariat, les deux laboratoires ont décidé
de proposer un sujet de thèse commun, chacun de deux directeurs de thèse appartenant à l’un des
clusters.


Impact sur le tissu économique régional

Fruits d’une évolution continue, les rendements de conversion de la filière organique ont
aujourd’hui passé la barre des 5%. Des groupes industriels de niveau mondial tels que Merck, Ciba
ou Konarka s’intéressent au développement de matériaux actifs et des performances de l’ordre de
10% sont envisageables à moyen terme. Ainsi, les résultats obtenus dans le cadre de ce projet
constitueront une avancée significative permettant de rendre définitivement la filière photovoltaïque
organique compétitive du point de vue industriel. Au niveau national, la création de l’Institut
National de l’Energie Solaire (INES) a permis de fédérer la recherche sur le solaire en France, et à
la région Rhône Alpes de s’équiper d’une plateforme de compétences axée sur le photovoltaïque.
Le pôle de compétitivité TENNERDIS est aussi un nouveau moteur du développement de
l’économie régionale dans le domaine des énergies renouvelables et des nouvelles technologies de
l’énergie.



Partenaires universitaires (partenaires du projet, laboratoires et coordonnées téléphoniques/ électroniques)
Partenaire 1 : SPrAM (Structures et Propriétés d’Architectures Moléculaires-UMR 5819-CNRS-UJF-CEA)
17 avenue des Martyrs, F-38054 Grenoble Cedex 9

Directeur : J.-P. Travers (04.38.78.38.86, jean-pierre.travers@cea.fr )
Contact scientifique pour le projet : J. Faure-Vincent (04.38.78.34.09, jerome.faure-vincent@cea.fr )


Partenaire 2 : LCS (Laboratoire des Composants Solaires - CEA/DRT/LITEN/DTS)
Institut National Energie Solaire, Savoie TECHNOLAC, 50 Avenue du Lac Léman, BP 332, F-73375 Le
Bourget du Lac

Directeur : D. Heslinga (04.79.44.26.26, dick.heslinga@cea.fr)
Contact scientifique pour le projet : R. de Bettignies (04.79.44.45.82, remi.de-bettignies@cea.fr )


                                              Appel à projet de recherche 2009
                                                    Cluster de recherche
                                    Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies
                                                               - 12 -
Partenaires industriels (indiquer le niveau d’implication et si des moyens supplémentaires viendront abonder le projet)




Nature des moyens mobilisés (personnels et équipements existants, besoin d’accéder à des plateformes,
financements additionnels).


Partenaire 1 : SPrAM – Grenoble
                                    Personne        Rôle / Responsabilité           Equipements         Equipements
      Nom               Statut
                                      .mois            dans le projet                 existants          à acquérir
                                                                                     Rampe à vide,
                                                                                      boîte à gants     Boîte à gants
                      Ingénieur-                          Synthèse et                pour synthèse,      pour spin
 Reiss Peter          chercheur          9        fonctionnalistion de surface       spectroscopie      coating sous
                         CEA                          des nanoparticules                 UV-Vis,        atmosphère
                                                                                    Photoluminesce       contrôlée
                                                                                           nce
                      Ingénieur-                                                         cellule
  Pron Adam           chercheur          9           Voltammétrie cyclique          électrochimique,
                         CEA                                                           potentiostat
                      Ingénieur-                       Etude du transport à
  Chandezon
                      chercheur         15        l’échelle locale (conducting           AFM             Tête C-AFM
   Frédéric
                         CEA                               –AFM, EFM)
                                                      Etude du transport de
                      Ingénieur-                                                                        Matériel pour
Faure-Vincent                                     charge (mesure de mobilité
                      chercheur         20                                              CELIV            développer
   Jérôme                                             et recombinaison) par
                         CEA                                                                            CELIV et ToF
                                                    techniques CELIV et ToF
                                                     Etude cristallographique           Banc de
                     Chargé de
                                                    des nanocristaux (rayons         diffraction de
Djurado David        Recherche           9
                                                          X, MEB, MET)                Rayons X,
                       CNRS
                                                           Mesures RPE                MEB, TEM
                                                            Synthèse et
                        Post
        X                                9         fonctionnalisation de NCs
                      Doctorant
                                                    (Projet ANR MYOSOTIS)
                        Post                          Mesures de transport                    voir ci-dessus
        X                                9
                      Doctorant                     (Projet ANR MYOSOTIS)
                                                     Thèse en co-tutelle avec
        X             Doctorant         18
                                                               LCS

Le SPrAM accèdera à la Plateforme Technologique Amont pour la préparation de surface d’échantillon
pour C-AFM et CELIV.


Partenaire 2 : LCS – Chambéry
                                    Personne        Rôle / Responsabilité           Equipements         Equipements
      Nom               Statut
                                      .mois            dans le projet                 existants          à acquérir
                     Ingénieur-                                                     Boîte à gants,
 de Bettignies                                      Réalisation des cellules                            Pulvérisation
                     chercheur          20                                           évaporateur
     Rémi                                                   tandem                                       magnétron
                     CEA                                                              sous vide
                     Ingénieur-
   Guillerez                                       Caractérisation Aval des           Simulateur
                     chercheur           9                                                                  SKPM
   Stéphane                                         nouveaux matériaux               solaire, EQE
                     CEA
    Bailly                                         Réalisation des cellules
                     Technicien          9                                          Boîte à gants
   Séverine                                                tandem
                                                   Thèse en co-tutelle avec
        X             Doctorant         18                                                    voir ci-dessus
                                                           SPrAM
                                             Appel à projet de recherche 2009
                                                   Cluster de recherche
                                   Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies
                                                          - 13 -
Financements additionnels :
      - Projet ANR MYOSOTIS (démarrage en janvier 2009) : Achat d’un oscilloscope à large
        bande passante 42 500 euros
      - L’achat d’un laser pour le banc expérimental de CELIV ainsi qu’une partie de
        l’électronique ont été financés par des crédits de l’Université Joseph Fourier (22 000
        euros) et du CNRS (13 000 euros)


Détail des ressources demandées au cluster (subventions TTC : fonctionnement, équipement)
Fonctionnement :
Partenaire 1 : SPrAM – Grenoble
             consommables et verrerie chimie : 5 000 euros
             pointes C-AFM : 2 000 euros
             accès PTA : 50h/an sur 3 ans soit 150h à 50 euros/h = 4 500 euros

                                                                                   Sous-total : 11 500 euros

Partenaire 2 : LCS – Chambéry
             accès BAG PV-Orga et consommables pour machines de dépôts, substrats ITO, gaz de
                 travail, lampes simulateurs solaires, maintenance des équipements: 6 000 euros

Les deux partenaires prévoient également des réunions communes impliquant des déplacements Chambéry
– Grenoble ainsi que notre participation à des conférences nationales et internationales, frais pour lesquels
nous demandons 4 000 euros.

TOTAL FONCTIONNEMENT : 21 500 euros

Equipement :
Partenaire 1 : SPrAM – Grenoble
             boîte à gants pour la préparation des échantillons (spin coating des NCs sous atmosphère
                contrôlée) : 14 000 euros
             tête de mesure pour C-AFM : 24 000 euros
             Matériel pour développer la partie optique du CELIV :
                   - Achat de petit matériel annexe (fibres optiques 355nm et 532nm, kits de fixation sur
                        table optique, beam stopper, diaphragme, filtres, loupe binoculaire vidéo, miroirs et
                        supports haute précision…) : 4 000 euros
             Matériel pour développer la partie électronique du CELIV
                   - sonde active large bande passante et haute impédance + kit de connectique
                        « single-ended » + configuration en usine (compatible avec l’oscilloscope haute
                        performance qui sera acheté courant 2009) : 11 000 euros
                   - divers connecteurs large bande passante (4 GHz – acquistion de courants
                        transitoires) pour assurer la compatibilité inter-appareils (connecteurs SMA/BNC,
                        coax/triax, connecteurs en « T ») : 500 euros

                                                                                   Sous-total : 53 500 euros

Partenaire 2 : LCS – INES
             Scanning Kelvin Probe : upgrade d’une SKP manuelle en scanning : 15 000 euros
             Source de pulvérisation magnétron : 10 000 euros
                                                                           Sous-total : 25 000 euros

TOTAL EQUIPEMENT : 78 500 euros


TOTAL FONCTIONNEMENT + EQUIPEMENT : 100 000 euros TTC

                                       Appel à projet de recherche 2009
                                             Cluster de recherche
                             Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies
                                                   - 14 -
Motivation pour la demande d’une Bourse d’Accueil ou d’une Bourse Internationale de
Recherche* (BAC-BIR)
 Pas de demande de BAC ou BIR



Autres soutiens pour le projet (ANR, 7ème PCRD, contrats industriels, ..)

           - Projet ANR PNANO MYOSOTIS (démarrage en janvier 2009) :
                      Achat d’un oscilloscope à large bande passante 42 500 euros
                      Le travail de développement de la synthèse et de la fonctionnalisation des
                       NCs sera effectué par un postdoctorant du projet MYOSOTIS (18 mois)
                      Une partie du travail de développement du banc expérimental de transport
                       CELIV sera effectué par un autre post-doctorant du projet MYOSOTIS (18
                       mois)

       -     L’achat d’un laser pour le banc expérimental de CELIV ainsi qu’une partie de
             l’électronique ont été financés par des crédits de l’Université Joseph Fourier (22 000
             euros) et du CNRS (13 000 euros)



Confidentialité du sujet
Fiche diffusable : oui  / non 
Domaine public : oui  / non 
Espace cluster : oui  / non 
Espace dédié et confidentiel : oui  / non 




                                       Appel à projet de recherche 2009
                                             Cluster de recherche
                             Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies
                                                   - 15 -
                                       ANNEXE Technique


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Informations
      L’établissement d’affiliation : une des tutelles dont dépend votre laboratoire et que vous
       choisissez comme lieu d’affectation prioritaire des moyens demandés. Ce choix est définitif.
      Les budgets sont versés par laboratoire via les établissements. Les porteurs de sujets ne
       sont en aucun cas destinataires et gestionnaires des subventions pour l’ensemble de leurs
       partenaires.



* Mode d’emploi des BIR et des BAC

Les budgets consacrés à une bourse BAC ou une bourse BIR sont considérés comme des
subventions régions à part entière et donc à ajouter aux budgets totaux demandés dans le
cadre du projet. Ils sont affectés à l’établissement de votre choix. La somme est identifiée comme
telle, à côté des subventions fonctionnement/équipement.

Le porteur de projet doit prendre contact avec l’établissement gestionnaire pour évaluer le salaire
en coût chargé. Ce montant sera ensuite reporté dans la fiche récapitulative du projet. L’évaluation
s’effectue selon des critères multiples que les établissements vous communiqueront. A titre
indicatif, on estime le montant mensuel d’une BAC, pour un post-doctorant, en coût chargé, à 4k€
sachant que le séjour est au minimum de trois mois.


Extrait du document officiel de la Région Rhône-Alpes 2007 :

Les bourses internationales de recherche sont destinées à financer des étudiants rhônealpins
souhaitant travailler dans un laboratoire étranger. Elles s’adressent à des étudiants déjà titulaires
d’un doctorat ou qui doivent le soutenir au cours de l’année universitaire en cours.

Les bourses d’accueil sont de 2 types :

Les bourses d’accueil pour un séjour de durée limitée en Rhône-Alpes sont destinées à financer la
venue dans des laboratoires de recherche publics de chercheurs étrangers titulaires d’un doctorat.

Les bourses d’accueil pour une installation définitive en Rhône-Alpes sont destinées à financer le
séjour de transition entre le stage post-doctoral effectué obligatoirement à l’extérieur de Rhône-
Alpes et le recrutement définitif dans un organisme public de recherche rhône-alpin. Elles
s’adressent à de jeunes chercheurs français ou étranger n’ayant pas bénéficié d’une bourse
internationale de recherche de la Région Rhône-Alpes.




                                     Appel à projet de recherche 2009
                                           Cluster de recherche
                           Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies
                                                 - 16 -
Modalités d’attribution (suite)

Les bourses internationales de recherche sont accordées pour un séjour de 5 mois minimum et
12 mois maximum. Montant (2 cas de figure)

1/Chercheur ayant un salaire : montant forfaitaire 1906 €/mois. Cette subvention est
considérée comme une participation aux frais occasionnés par la mobilité.
2/Chercheur non salarié : montant fixé par l’établissement en fonction du niveau scientifique
du candidat et du nombre de mois à l’étranger.

Bourses d’accueil
Les bourses d’accueil pour un séjour de durée limitée en Rhône Alpes sont accordées pour une
durée de 3 mois minimum et de 10 mois maximum.
Les bourses d’accueil pour une installation définitive en Rhône Alpes sont accordées pour une
durée de 12 mois maximum.




                                     Appel à projet de recherche 2009
                                           Cluster de recherche
                           Microélectronique, Nanosciences et Nanotechnologies
                                                 - 17 -

								
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