Modulateurs de lumière photovoltaïques pour vitrage dynamique auto-activé – PSLM

Nous chercherons à mieux comprendre et contrôler les interfaces entre cristal liquide et semiconducteurs organiques, à améliorer la transparence du dispositif à l'état claire, à développer des architectures plus avancées et à augmenter la sensibilité à la lumière infrarouge.
Pour atteindre ces objectifs, nous synthétiserons de nouveaux polymères donneurs d'électrons et accepteurs d'électrons avec un seuil d'absorption de photons proche de l'UV ainsi que de nouvelles couches transporteurs d’électrons. Nous utiliserons des couches organiques orientées uni-axialement par un processus mécanique amélioré et effectuerons des études physiques approfondies des interfaces entre cristaux liquides/couche d'alignement. Enfin nous étudierons la dynamique des porteurs de charges dans les PSLM et développerons des architectures avancées capables d'améliorer la sensibilité et la transparence des dispositifs.

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Les systèmes de vitrage dynamique, c'est-à-dire les vitres capables de contrôler le rayonnement solaire entrant, peuvent réduire considérablement la consommation d'énergie pour l'éclairage et la climatisation des bâtiments. Cependant, l'utilisation répandue des technologies actuelles pour les fenêtres intelligentes dans les bâtiments est encore limitée par des coûts élevés, une consommation d'énergie importante, des temps de réponse lents ou un manque de contrôle par l’utilisateur. Ce projet se focalise sur un nouveau concept, que nous appelons le "modulateur spatial de lumière photovoltaïque" (ou PSLM), un système de verre dynamique à fort potentiel pour contourner certains des verrous technologiques qui limitent actuellement l'intégration des fenêtres intelligentes dans le bâtiment. Les PSLM sont des modulateurs de lumière hybrides à cristaux liquides optiquement adressables qui incluent une multicouche photovoltaïque organique comme élément photosensible et offrent de nombreux avantages potentiels par rapport aux autres systèmes. Ils peuvent fonctionner sans alimentation électrique externe, leur temps de réponse est très inférieur à celui de la plupart des autres dispositifs chromogéniques, ils peuvent être facilement contrôlés par l'utilisateur, leur aspect optique peut être ajustée par ingénierie moléculaire, et leur procédé de fabrication est compatible avec des dispositifs de grande surface. L'architecture du PSLM combine, de manière inédite, une couche de cristaux liquides (CL) nématique twistés avec une hétérojonction donneur/accepteur organique pour produire un nouveau système optiquement fonctionnel. La réponse optique du dispositif résulte du champ photoélectrique généré spontanément par l'hétérojonction donneur/accepteur, qui agit sur l’orientation des cristaux liquides et modifie la transparence. Cette architecture de composant très particulière soulève plusieurs défis scientifiques et techniques qui seront abordés dans le projet, dans le but d'améliorer les performances et d'élargir la portée des dispositifs PSLM. Nous chercherons à mieux comprendre et contrôler l'interface entre le CL et les couches organiques, à améliorer la transparence de l'appareil, à développer des architectures de dispositifs plus avancées et à rendre les PSLMs sensibles à la lumière infrarouge tout en restant transparent dans le domaine visible.
Pour atteindre ces objectifs, nous synthétiserons de nouveaux polymères donneurs d'électrons et accepteurs d'électrons avec un seuil d'absorption de photons proche de l'UV ainsi que de nouvelles couches transporteur d’électrons. Nous utiliserons des couches organiques orientées uniaxialement par un processus mécanique amélioré et effectuerons des études physiques approfondies des interfaces entre cristaux liquides/couche d'alignement. Enfin nous étudierons la dynamique des porteurs de charges dans les PSLM et développerons des architectures avancées capables d'améliorer la sensibilité et la transparence des dispositifs.
Le consortium du projet comprend des équipes de N. Leclerc de l'Institut de chimie et des procédés pour l'énergie, l'environnement et la santé (ICPEES) pour la synthèse des polymères, M. Brinkmann de l'Institut Charles Sadron (ICS) pour l'orientation uniaxiale de matériaux organiques semi-conducteurs et conducteurs, D. Ivanov de l'Institut des sciences des matériaux de Mulhouse (IS2M) pour les études d'interface, M. Kaczmarek de l'Université de Southampton pour la caractérisation des dispositifs à cristaux liquides et T. Heiser (coordinateur du projet) du laboratoire ICUBE pour la physique des dispositifs. Ainsi, la mise en œuvre du projet bénéficie des compétences complémentaires et nécessaire pour le projet en chimie des polymères, en analyse microstructurelle des matériaux organiques, en traitement des couches minces, en dynamique des porteurs de charges dans les semi-conducteurs, en cellules solaires organiques et en dispositifs à cristaux liquides.