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Des revêtements innovants pour les vitrages - PhD Olivia Bouvard

© 2019 EPFL

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Les vitrages à faible émissivité ont cessé de former des cages de faraday et de nouveaux matériaux pour les vitrages électrochromes ont été développés grâce aux recherches d'Olivia Bouvard sur les revêtements en couches minces. Vendredi 18 janvier, elle a obtenu le titre de doctorat pour ces deux projets de recherche, dont un a d'ores et déjà eu des retombées pratiques dans le cadre d'un projet de rénovation énergétique de trains primé récemment par le Watt d'Or.

Les vitrages modernes comportent des revêtements nanométriques permettant de modifier leurs caractéristiques. Les revêtements basse émissivité améliorent les performances thermiques d’un vitrage grâce à une fine couche métallique, cependant cette dernière nuit à la transmission des micro-ondes utilisées pour les télécommunications. Les revêtements électrochromes permettent de moduler les gains solaires d’un bâtiment tout en préservant la vue vers l’extérieur. Des produits commerciaux existent mais leur amplitude et vitesse de coloration ainsi que leur durabilité est perfectible.

Cette thèse de doctorat s’intéresse à l’étude des propriétés électroniques et optiques de ces revêtements pour mieux les adapter à leur application.

Une approche innovante afin d’améliorer le passage des micro-ondes à travers un revêtement conducteur transparent est présentée. De premiers tests sont réalisés pour valider le concept et une gamme de motifs réalisés par ablation laser est déterminée. Une transmission des micro-ondes quasiment aussi haute que le verre non revêtu est obtenue tout en préservant les qualités thermiques et visuelles. Des vitrages comprenant ce revêtement sont déjà utilisés par une entreprise ferroviaire suisse pour équiper les fenêtres de ses wagons et ainsi éviter l’usage d’amplificateurs de signal.

Les revêtements conducteurs transparents sont aussi utilisés comme électrode dans les vitrages électrochromes. Afin de ne pas endommager les couches sous-jacentes, un dépôt sans chauffage est préférable. Des paramètres de dépôt donnant des propriétés optiques et électriques convenables sont présentés.

La présence d’un électrolyte polymère ou gel limite la durabilité, justifiant l’étude de dispositifs electrochrome tout-solide et inorganiques. La cinétique et le contraste de coloration de l’oxyde de tungstène (WO3) peut être améliorée en augmentant la nanoporosité de la couche. Par ailleurs, l’utilisation d’un nanocomposite nickel-tantale-oxygène permet d’obtenir un meilleur rendu de couleur. En combinaison avec un électrolyte solide d’oxyde de tantale, le passage des ions lithium devrait être facilité.

D’autres électrolytes solides tels que l’oxynitrure de phosphate de lithium (LiPON) et l’oxyde de titane lithium lanthane (LLTO) sont envisagés. Il est montré que la stabilité du LiPON dans l’air ambiant peut être améliorée en augmentant la quantité d’argon dans un plasma argon-azote durant le dépôt. De plus, il est montré que le LLTO présente une transmittance solaire élevée.

L’insertion de lithium lors d’un procédé sous vide faciliterait la production des dispositifs électrochromes. Une méthode de lithiation par voie sèche, ne nécessitant pas l’usage d’éléments sensible à l’humidité, est présentée. Utilisée pour la lithiation d’un film de WO3, elle permet de réduire sa transmittance lumineuse de 83 à 2%.

Des dispositifs électrochromes tout solide, comprenant une étape de lithiation sous vide et un électrolyte inorganique sont produits, principalement avec des cibles métalliques, ce qui permet d’obtenir des vitesses de dépôt plus élevées qu’avec des cibles céramiques.

Par ailleurs, l’étude des interfaces, et des films lithiés, par spectroscopie photoélectronique permet d’obtenir des informations menant à une meilleure compréhension des hétérostructures composant la cellule électrochrome.

Ces connaissances visent à contribuer à l’élaboration de vitrages électrochromes optimisés pour une meilleure gestion des gains solaires et de la lumière du jour.

Cette thèse a été dirigée par le Dr Andreas Schueler et le Prof. Jean-Louis Scartezzini du Laboratoire d'Energie Solaire et de Physique du Bâtiment de l'EPFL.

Références

Bouvard Olivia, Scartezzini Jean-Louis and Schueler Andreas (Dirs.). Coatings with tailored electronic and optical properties for advanced glazing. EPFL Thesis n° 9199 (2019)


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