L’électronique verte

Le 8 décembre 2000 à l’Université de Stockholm, le Pr Alan Heeger conclut son discours de réception du prix Nobel de chimie par une curieuse formule: «Je suis convaincu que nous sommes à l’aube d’une révolution de l’électronique plastique.» Trente ans plus tôt, et avec ses 2 confrères, les Prs. Mc Diarmid et Shirakawa, le chercheur a démontré que, sous certaines conditions, des polymères pouvaient être conducteurs d’électricité. Autrement dit, des molécules constituées d’un assemblage de carbone, oxygène, hydrogène et tous les atomes de la chimie du vivant pouvaient soudain rivaliser avec des métaux dans le transport d’électrons.

Leurs recherches ont donné le coup d’envoi à l’étude des propriétés conductrices et semi-conductrices des molécules organiques à travers le monde. «L’électronique organique présente en effet d’immenses avantages par rapport à l’électronique classique, déclare Guillaume Schweicher, chercheur qualifié FNRS et qui travaille actuellement sur le transport de charges au sein de matériaux organiques à l’ULB. Nous sommes capables de synthétiser des composés sur-mesure avec un coût de production relativement faible grâce, entre autres, à des températures ne dépassant pas les 150 °C. De plus, ce sont des composés à la fois faciles à obtenir à partir de biomasse et solubles, ce qui permet de les déposer directement sur un substrat, et de les retraiter beaucoup plus facilement par la suite.»

Dans les années 1990, les travaux commencent à porter leurs fruits avec la fabrication des OLED, des diodes électroluminescentes à base de matériaux organiques. Présentes aujourd’hui dans les écrans de nombreux smartphones, elles demeurent très étudiées, comme au sein du centre de recherche montois Materia Nova. «Le principe consiste à insérer entre 2 électrodes une couche de matériaux organiques, présentant des niveaux électroniques adéquatement choisis, précise Jérôme Cornil, directeur de recherches FNRS à l’UMons. Sous l’effet d’une différence de potentiel, on injecte alors des électrons au niveau de la cathode et on en retire du côté de l’anode. Les électrons et les trous se déplacent ensuite pour converger vers la couche organique et lorsqu’ils se recombinent, l’énergie ainsi créée se dissipe sous la forme d’un photon.»

En utilisant des molécules qui émettent à des longueurs d’onde précises, on peut alors générer n’importe quelle couleur. Sur le papier, cela semble d’une simplicité déconcertante. Mais dans la réalité, les obstacles sont nombreux. «Rares sont les composés qui émettent beaucoup de lumière, révèle Jérôme Cornil, et l’énergie du couple électron-trou se dissipe plutôt sous forme de chaleur. Loin des 3 couches théoriques, les systèmes actuels comptent 7 à 8 couches, et sont le fruit de plusieurs générations» (voir illustration ci-dessous).

Les écrans OLED présentent de nombreux avantages par rapport à leurs concurrents, à commencer par l’épaisseur du dispositif, d’à peine 100 nanomètres. L’angle de vue est également meilleur, puisque la lumière est émise par la couche organique elle-même, et non par un rétroéclairage. Mais c’est grâce à ses capacités de flexibilité que cette technologie marquera sans doute une rupture dans les années à venir. Samsung commercialise depuis quelques temps déjà des smartphones pliables, et LG vient de présenter un écran de TV futuriste qui s’enroule sur lui-même. Une prouesse obtenue grâce à la flexibilité de l’organique, bien que les chercheurs s’interrogent encore sur les performances à long terme de ces dispositifs.

«Pour être stables, les molécules organiques doivent être protégées du milieu extérieur, raconte Pascal Viville, Project Manager en électronique organique à Materia Nova. Il faut donc les encapsuler dans un matériau qui soit à la fois souple et très peu perméable à l’air comme à l’humidité, sans compter les électrodes qui sont encore actuellement composées de matériaux cassants.» Les recherches dans ce domaine se poursuivent, mais de l’aveu même des 2 chercheurs, les contraintes actuelles pour la mise sur le marché d’une OLED sont telles qu’elles sont réservées à quelques grandes entreprises.

Plus simplement, les OLED pourraient, dans un futur proche, changer la façon dont nous éclairons nos intérieurs. «La souplesse et la légèreté des matériaux permettent de les intégrer dans des textiles architecturaux, comme les rideaux ou des papiers peints, ou entre 2 couches de verre, explique Pascal Viville. Il existe beaucoup de travaux, notamment en collaboration avec le secteur du transport, automobile ou ferroviaire, afin d’intégrer des éléments éclairants dans différentes pièces de l’habitacle, ou afficher des informations directement dans le pare-brise (voir photo 1, ci-dessous).»

Au moment même où les recherches sur les OLED commençaient à aboutir, d’autres laboratoires travaillaient sur des dispositifs organiques fonctionnant rigoureusement en sens inverse: exciter des électrons grâce à la lumière du Soleil, pour accroître leur mobilité et ainsi générer de l’électricité. Mais pendant longtemps, les résultats n’ont pas été à la hauteur des attentes. «Rapidement après leurs débuts en 1992, les rendements ont stagné aux alentours de 10%, loin en-dessous des cellules à silicium, se souvient Jérôme Cornil. Mais depuis 3 ou 4 ans, une nouvelle famille de matériaux a vu le jour, et les rendements sont montés en flèche pour atteindre les 20% !» De quoi, peut-être, pouvoir enfin concurrencer les panneaux photovoltaïques au silicium, qui sont loin d’être la panacée. «En réalité, le silicium absorbe peu la lumière du soleil, comparé aux molécules organiques qui couvrent l’ensemble du spectre visible, révèle Jérôme Cornil. Cela oblige à créer des couches de plusieurs microns et alourdit les panneaux solaires, qui ne peuvent donc être installés que sur les toits. De plus, ils sont fragiles, cassants, et la production comme la maintenance coûtent très cher.»

Depuis plusieurs années, les chercheurs de Materia Nova œuvrent donc au développement de ces nouvelles cellules solaires organiques. Légères et souples, les couches actives de ces cellules peuvent être déposées, via des solutions, sous la forme de couches très fines ou imprimées comme des journaux. «Il y a quelques temps, nous avions présenté un prototype de sac solaire, sourit Jérôme Cornil en présentant un sac en bandoulière avec des bandes rouges orangées sur la surface, ce qui permettait de charger son téléphone tout en marchant. Il a servi de preuve de concept, et aujourd’hui, le but est d’aller vers du photovoltaïque directement intégré au bâtiment: sur les murs, les cages d’ascenseur, les fenêtres… Et même en intérieur, où les performances du silicium sont très médiocres.»

Pour l’instant, les cellules organiques présentent encore quelques défauts, avec des problèmes de stabilité sur le long-terme, et des rendements qui chutent lorsque la surface est trop importante. «Actuellement, il est plus facile de produire de petits modules en séries, reconnaît Pascal Viville. Mais ce n’est pas forcément un inconvénient. Ils sont peu coûteux, faciles à produire et donc à remplacer par les sociétés de maintenance. Même si les rendements n’atteignent jamais ceux du silicium, cela sera largement compensé par les surfaces exploitables. On voit même arriver des parcs solaires, où les cellules sont produites en longs rouleaux imprimés !»

Cette exploitation sera sans doute plus aisée grâce aux recherches parallèles menées en design dans d’autres laboratoires. «On sait aujourd’hui que de nombreux foyers renâclent à installer des panneaux photovoltaïques à cause de l’esthétisme, regrette Pascal Viville. Or, avec l’organique et les technologies d’impression et de patterning, on peut créer de très jolis motifs, ou des fenêtres en forme de vitraux.»

Les chercheurs en sont convaincus: le solaire représente l’avenir, et leur technologie y contribuera. «Le silicium photovoltaïque est une technologie très mature, très bien maîtrisée, et il serait présomptueux de chercher à le concurrencer, admet Jérôme Cornil. Mais il existe de nombreuses niches où l’organique pourrait facilement le supplanter. Au final, il est crucial pour notre avenir d’investir dans le solaire, qui est la seule ressource suffisamment abondante pour couvrir l’ensemble de nos besoins énergétiques.»

Les semi-conducteurs organiques pourraient-ils aller encore plus loin, jusqu’à remplacer les processeurs de nos ordinateurs, qui deviendraient alors aussi souples et solides qu’une feuille de plastique ? «Lorsque les premiers transistors organiques ont vu le jour dans les années 2000, certains y ont cru, raconte Guillaume Schweicher. Mais aujourd’hui les vitesses de transport de charge, c’est-à-dire la vitesse à laquelle les électrons transitent à l’intérieur des matériaux, restent toujours inférieures de plusieurs ordres de grandeur à celles du silicium.»

Des performances stagnantes, qui expliquent pourquoi les industries se désinvestissent actuellement des recherches sur la question. Pour autant, le chercheur, qui planche actuellement sur le sujet, ne ferme pas la porte à de futurs processeurs organiques. Pour Guillaume Schweicher, «Les possibilités en chimie organiques sont extrêmement nombreuses, et il suffit souvent de trouver le bon composé. Mais même en n’atteignant qu’un dixième des performances du silicium, les applications de l’organique seraient d’ores et déjà multiples.» On se dirigerait alors vers des matériaux complémentaires. Charge au silicium d’opérer les hautes performances de calcul, où la vitesse est cruciale, tandis que l’organique pourrait se loger dans des niches où le silicium n’est guère fonctionnel. «L’organique présente l’avantage d’être à la fois flexible, et de disposer d’une bonne biocompatibilité, indique Guillaume Schweicher. On peut dès lors l’intégrer dans des vêtements intelligents, et piloter divers biosenseurs par exemple.»

Pour l’électro-chimiste, le premier défi consiste d’abord à augmenter les performances des composants organiques. «Actuellement, le problème se situe dans les modes de vibrations, inhérents à tout matériau, mais qui perturbent le passage des électrons d’une molécule à une autre, détaille Guillaume Schweicher. Une fois ce problème résolu, nous pourrons nous attaquer aux résistances de contact, afin que les transistors fonctionnent comme un interrupteur avec le temps de réponse le plus minimal possible.»