EP3701574A1 - Dispositif de stockage d'énergie - Google Patents

Dispositif de stockage d'énergie

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EP3701574A1
EP3701574A1 EP18789156.9A EP18789156A EP3701574A1 EP 3701574 A1 EP3701574 A1 EP 3701574A1 EP 18789156 A EP18789156 A EP 18789156A EP 3701574 A1 EP3701574 A1 EP 3701574A1
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EP
European Patent Office
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cover
substrate
stack
electrode
storage system
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18789156.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Sami Oukassi
Christophe Dubarry
Séverine PONCET
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3701574A1 publication Critical patent/EP3701574A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical energy storage device.
  • microelectronic device any type of device made with the means of microelectronics. These devices include, in addition to purely electronic devices, micromechanical or electromechanical devices (MEMS, NEMS %) as well as optical or optoelectronic devices (MOEMS ).
  • MEMS micromechanical or electromechanical devices
  • MOEMS optical or optoelectronic devices
  • a specific interest of the invention is the production of electrochemical energy storage devices. This includes devices such as battery, accumulator or capacitor using an electrolyte. BACKGROUND
  • the electrochemical energy storage systems are generally made by successive deposits on a substrate of a first current collector, a first electrode, an electrolyte or ionic conductor, a second electrode, and a second current collector. Encapsulation, through additional layer deposition, or bonnet transfer, is often required to protect the system from chemical reactivity with oxygen and water vapor.
  • the migration of one or more ions between the two electrodes through the electrolyte allows either to store energy or to deliver it to an external circuit.
  • the energy storage component is formed with intrinsically transparent materials.
  • the storage component often battery or capacitor, consists of a stack of materials that all have intrinsic transparency. It can also be materials having a very small thickness so as to minimize the total opacity of the component.
  • This type of component has the disadvantage of a low overall energy storage performance. Indeed the thicknesses are often low for optimize the overall transparency, and thus limit the volume of material used for storage (insertion electrodes) or have an intrinsic storage capacity lower than that obtained by conventional materials, less transparent.
  • a component architecture integrating opaque materials structured in a grid on the support substrate.
  • a degree of transparency is obtained by structuring conventional materials in the form of a grid.
  • the geometry of the grid makes it possible to modulate the overall transparency of the component, while selecting conventional materials with high electrochemical performance, disregarding their optical properties.
  • This approach also makes it possible to decorrelate the transparency and the storage capacity of the components, since increasing the thickness of the electrodes makes it possible to increase the storage capacity without modifying the opening rate of the grid (opaque materials surface ratio / transparent surface) and therefore transparency.
  • the patent publication US 2013/0252089 A1 discloses an energy storage device formed in a network on a support. It comprises a stack of layers forming a capacitive assembly, the stack comprising a sealing layer covering the other layers and may have a light absorption character. This attempt to limit the effects of stray light, however, is not optimal.
  • a non-limiting aspect of the invention relates to an energy storage device, comprising a substrate having an optically transparent portion in a predefined wavelength range, and at least one electrochemical energy storage system comprising, from a face of the transparent portion, a stack having successively a first current collector, a first electrode, an electrolyte, a second electrode, a second current collector, the stack being covered at least partially with a cover .
  • at least part of the cover has a light absorbance coefficient greater than or equal to 80%, preferably greater than 90%.
  • the covering covers, preferably completely, the upper surface (that is to say, its opposite side to the substrate) of the second current collector.
  • this absorption is advantageously limited to the area corresponding to the second collector, and the sides of the stack are not covered.
  • This avoids increasing the width of the complete storage system in contact with the substrate to preserve a large opening of the substrate, and thus promote transparency. Nevertheless, the coverage remains effective in that it captures a majority of the heat from the impact light in the storage system and that the exchange surface it provides with the capacitive stack is high.
  • the cover is also concentrated at an interface with the stack, which is generally a good thermal conductor, as regards the second current collector. While US 2013/0252089 A1 provides complete coverage of the capacitive stack, which may be more effective, one aspect of the present invention combats this bias by limiting the absorbent coverage to a selected area of overlap of the stack. capacitive.
  • not covering the sidewalls of the capacitive stack avoids the effects of stray light that can occur when light incident on a sidewall portion of a blanket is diffused therein.
  • the coverage of this embodiment of the present invention is not likely to create its brightness defects near or at the interface between the base of the capacitive stack and the substrate.
  • Another separable aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a device.
  • an energy storage device comprising a substrate having an optically transparent portion in a predefined wavelength interval, and at least one electrochemical energy storage system comprising, from one side of the transparent portion, a stack successively having a first current collector, a first electrode, an electrolyte, a second electrode, a second current collector.
  • the storage system has, in a dimension perpendicular to the thickness of the substrate, a decreasing width away from the face of the substrate.
  • the sides of the system are advantageously covered with the cover and thus form a large area of energy recovery. by optical absorption, so as to heat the stack of layers of the electrochemical storage system.
  • FIG. 1 illustrates in perspective an energy storage device provided with a grid-organized system on a substrate
  • FIGURES 2a to 2f show successive steps of a non-limiting embodiment of a device of the invention.
  • FIGURES 3 to 5 show possible alternative configurations of the energy storage system
  • FIGS. 6a to 6d show four examples of distribution of the energy storage system on the face of a substrate.
  • the at least part of the cover comprises at least one layer of a metal oxide or nitride or an oxide or nitride of a semiconductor material, preferably silicon, or amorphous silicon;
  • the at least part of the cover 30 has a textured exposed surface configured to increase the light absorbance
  • the textured exposed surface comprises patterns in relief; the textured exposed surface comprises an RMS roughness greater than or equal to 100 nm;
  • the at least part of the cover 30 has a surface coating antireflection
  • the at least part of the cover 30 covers the entirety of the stack 29; this means that the set of superimposed layers is covered at the level of the face of the substrate 10, limiting the possibly uncovered portions to the portions of collectors whose exposure is possibly useful for a resumption of contact by the face of the substrate 10 (a resumption of contact by the opposite face of the substrate, for example with vias, is also possible);
  • the stack 29 comprises an encapsulation layer 27 configured to encapsulate the stack in a sealed manner with water and / or air surmounted by the cover 30;
  • the cover 30 is configured to encapsulate the stack (29) in a watertight and / or airtight manner;
  • the cover 30 has a thickness greater than the largest wavelength of the predefined wavelength interval;
  • the storage system 20 has, in a dimension perpendicular to the thickness of the substrate 10, a decreasing width away from the face of the substrate 10;
  • the decreasing width defines two straight flanks whose slope is strictly greater than 0 ° and less than or equal to 45 ° relative to the thickness of the substrate 10;
  • the storage system 20 has a width, at the surface of the substrate 10, of between 5 and 50 microns and / or a height of between 5 and 50 microns;
  • the stack 29 has flanks directed according to the thickness of the substrate 10 and in which the decreasing width is conferred by the cover 30;
  • the decreasing width is conferred by the stack 29, the cover 30 conforming above the stack 29;
  • the predefined wavelength range is between 200 and 2000 nm, and is preferably included in the visible spectrum;
  • the cover 30 does not include charges absorbing light in its mass, and does not include in particular black pigment;
  • the upper surface of the stack 29 is flat, and preferably parallel to the face of the transparent portion of the substrate 10; in particular, the upper surface of the second collector 26 can define this flat portion;
  • the first collector, the first electrode, the electrolyte, the second electrode and the second collector all have a flat upper surface and preferably parallel to the face of the transparent portion of the substrate 10;
  • the electrolyte covers the underlying layers; the second electrode and the second collector have no portion covering the flanks of the stack in this case; also, it is possible that the first electrode and the first collector do not have an underlying layer overlap portion; in a preferred embodiment, the different components of the stack are layers parallel to the face of the transparent portion of the substrate 10 superimposed on each other are side cover, except, preferably, with respect to the electrolyte; this limits the lateral dimensions of the storage system; the possible lateral overlap by the electrolyte, at the level of the sidewalls of the stack, possibly make it possible to thermally isolate the most central part of the stack, the material of the electrolyte being preferably a good thermal insulator.
  • the electrolyte is configured to completely cover the first electrode and the first current collector; optionally, the stack 29 is covered with an encapsulation portion, for example based on at least one layer, preferably completely covering the stack 29; the cover 30 may be located above the encapsulation portion in this case, or below.
  • the term “over” or “above” does not necessarily mean “in contact with”.
  • the deposition of a layer on another layer does not necessarily mean that the two layers are directly in contact with each other but that means that one of the layers at least partially covers the other by being either directly in contact with it, or being separated from it by a film, or another layer or other element.
  • a layer may also be composed of several sub-layers of the same material or different materials.
  • the thickness of a layer or substrate is measured in a direction perpendicular to the surface according to which this layer or this substrate has its maximum extension.
  • the term collector includes a part of the device whose function is to connect an electrode to an element outside the device, that is to say located outside the stack layers of the device, usually encapsulated.
  • electrode refers in particular to a part of the device in electrical continuity with an active layer (in particular an electrolyte, preferably solid forming a solid ionic conductor).
  • the current collector is connected to its electrode so as to establish an electrical continuity between these two parts; these can also be derived from one or more common layers of materials; in this case, the collector will generally form an outgrowth of the electrode, to the outside of the encapsulated device.
  • the invention is based on a substrate 10 of which at least one portion is transparent according to its thickness. It is not necessary for the entire substrate 10 to be transparent; for example, the latter may have a non-transparent peripheral frame and a transparent inner volume, as is the case for a window.
  • transparency is meant the optical property of a volume to transmit light in a given direction, for a given wavelength or range of wavelengths without excessive losses, by absorption or reflection. A transmission rate of at least 80% is considered acceptable to justify the transparency of an object. .
  • FIG. 1 gives an illustration, in perspective, of a substrate 10 in the form of a transparent plate equipped with an energy storage system organized in the form of a grid and which is not, generally in the invention, transparent; in general, the stack used according to the invention is of a thickness such that the storage system is even completely opaque, the opening rate of the grid determines the degree of transparency of the assembly.
  • the optical properties discussed in the invention are in the range of wavelengths useful, that is to say, relevant for the application.
  • the term predefined wavelength range corresponds to this range, it being understood that the interval may consist of a single value, for example for monochromatic light treatment.
  • the wavelength range can be between 200 and 2000 nanometers. In most applications, the wavelength range will be included in the visible spectrum, ie in the range of wavelengths detectable by the human eye, which may correspond to the range between 380 and 780 nanometers.
  • the storage system 20 comprises a stack of layers making it possible to produce the various components of an electrochemical storage device, comprising a stack which itself comprises a first collector, a first electrode, an electrolyte, a second electrode and a second collector.
  • the electrolyte is a portion interposed between the two separate conductive portions constituted respectively of the first collector and the first electrode, and the second electrode of the second collector. Ionic exchanges between these two conductive portions occur through the electrolyte, following the principle of electrochemical energy storage.
  • one aspect of the operation of such devices is that the yield increases with temperature.
  • one aspect of the invention the absorption of a portion of the light by the storage system 20, absorption which will allow to increase the temperature at the location of this system 20.
  • this absorption of light is permitted thanks to a part of cover 30 of which geometrical examples will be given later.
  • the cover 30 is configured to cover at least a portion of the exposed surface of the stack 29, and preferably all of this surface.
  • it covers on the contrary that part of the sidewalls, without covering the upper face of the stack.
  • the efficiency in terms of light absorption will be greater in the case of complete coverage, which is the preferred case.
  • the cover 30 is in one piece, from a single layer manufacturing phase. This example is not limiting of the invention.
  • the cover 30 may itself consist of a plurality of sub-layers manufactured successively.
  • the cover 30 Since the cover 30 is intended to increase the light absorption of the storage system 20, its absorption coefficient, in the wavelength range considered, will be chosen to be greater than that or those of the layer or layers forming the exposed surface of the stack that the cover 30 covers.
  • the absorption coefficient is chosen greater than or equal to 80%. More preferably, it is chosen greater than or equal to 90%.
  • materials are used in the form of metal oxides or nitrides (for example tantalum nitride) or in the form of oxides or nitrides of a semiconductor material (preferably silicon) or else amorphous silicon to form all or part of the cover 30.
  • the thickness of the cover is greater than the largest wavelength of the predefined wavelength range.
  • another option of the invention is to select a surface condition for the exposed surface of the cover 30.
  • the roughness of this surface can be increased by chemical or physical etching.
  • it can be ensured that the RMS roughness obtained is greater than or equal to 100 nm.
  • patterns on the surface of the cover 30 can be formed using the following technique.
  • the invention does not make any hypothesis on the geometry of the texture produced.
  • the shape of the reliefs can form pyramids, and therefore having a triangular section in section, regularly spaced without this in any way limiting the application of the invention to any other type of texturing.
  • the reliefs could equally well have shapes of polygonal or circular section.
  • the reliefs may also have curved shapes. They may especially be corrugations of the surface of the cover.
  • the space between two patterns is not necessarily constant.
  • the reliefs may have various shapes.
  • the amplitude of a relief is defined as the distance between its highest point and its lowest point This distance is taken in a direction substantially normal to the surface of the cover.
  • the size of the base of the reliefs is also potentially between 3 and 25 microns and more particularly between 4 to 15 microns.
  • the size of the base of the reliefs corresponds to the maximum dimension of the relief taken level of its protruding portion relative to the surface of the cover taken between two reliefs.
  • the pitch of a textured surface is the average distance between two consecutive reliefs.
  • the pitch of the textured surface is between 2 and 20 microns and more particularly between 4 to 15 microns.
  • reliefs shaped inverted pyramid are 6 ⁇ deep, and for a step of 15 ⁇ , they are 10 m deep.
  • the steps are measured between two pyramid peaks.
  • FIGS. 2a to 2f are partial sections oriented along a plane directed along the thickness of the substrate and containing the line A-A of FIG. That being so, no consistency of dimensional proportions has been sought between FIG. 1 and FIGS. 2a to 2f.
  • the storage system 20 is made on a substrate 10 which may be glass, of thickness for example between 0.5mm and 1.5 mm.
  • the first potential step is a relaxation of the stresses of the glass, achieved by annealing at 600 ° C for two hours. This step will allow the glass not to expand during future annealing; this corresponds to the step of Figure 2a.
  • the second step is to deposit, in particular by PVD (acronym for Physical Vapor Deposition, that is to say a physical vapor deposition), the first collector, which is in the illustrated case, a bilayer composed of a first layer 21 (for example 50 nm Ti) and a second layer 22 (for example 250 nm Pt).
  • the shaping can be done by photolithography, thanks to which a suitable design is transferred to the layers, and by wet etching, by which the materials are etched one after the other: the engraving of the Pt is carried out for example in a bath of HNO3 / HCl at 57 ° C, with an etching rate of the order of 25 nm / min.
  • Etching of the Ti for its part, is carried out for example with a bath of NH 3 H 2 SO 4 H 2 O 2 H 2 O (1/1/1), with an etching rate of about 50 nm / min. the configuration illustrated in Figure 2b is reached.
  • the next step is the deposition of the first electrode 23, generally positive electrode, which may be LICO (contraction of the term Lithium-Cobalt), and which can be deposited by PVD, in order to obtain a thickness layer in particular between 3 ⁇ and 20 ⁇ .
  • a photolithography step and a wet etching step allow the realization of the patterns, aligned with respect to the patterns of the first collector 21, 22.
  • the etching is carried out for example in a bath of H 2 SO 4 / H 2 O 2 / H 2 O (1/5/32), the etching rate being of the order of 6 m / min. Annealing at 600 ° C for two hours completes the realization of the first electrode 23. The result of Figure 2c is reached.
  • the electrolyte 24, preferably LiPON, as well as the negative electrode 25, for example silicon, and the second collector 26 Ti, will be deposited successively.
  • the electrode 25 and the second collector 26 can at this stage be shaped.
  • a photolithography will make it possible to locate the future patterns of these parts, which will then be created by a plasma including Ar / O2 / CHF 3 , at 40T of pressure, under a RF power of 280W and a power LF of 400W (etching rate of the order of 0.7 nm / min).
  • Figure 2d gives a result.
  • the next step is etching of the material of the electrolyte 24, carried out in the case of LiPON in a bath of TMAH (tetra methyl ammonium hydroxide) after development of photoresin, with an etching rate of about 2 m / min.
  • TMAH tetra methyl ammonium hydroxide
  • the face 1 1 of the substrate 10 remains exposed outside the stacking zones 29.
  • the cover 30 is then formed directly. This can be done by a step of depositing an amorphous silicon layer. As indicated above, this layer can be textured so as to increase the level of optical absorption.
  • An example of coverage 30 is given in Figure 2f. According to a possibility not illustrated in FIG. 2f, an encapsulation layer is previously formed around the stack 29, below the cover 30.
  • the cover 30 comprises an antireflection layer; it may be a surface coating constituted or comprising one or more dielectric materials, for example a multilayer SiO 2 Si 3 N 4 .
  • An aspect of the invention separable from the other aspects is the optimization of the passage of light in the areas of the substrate 10 not occupied by the storage system.
  • Figures 3 to 5 show three non-limiting embodiments of configurations adapted for this purpose.
  • the storage system forms on the substrate a battery which must preserve the transparency and form a grid for the storage of energy in association with a transparent part (of the substrate 10) where it is advantageous to optimize the direct optical transmission.
  • the invention takes into account dimensions of non-transparent elements in order to apprehend optical phenomena such as diffusion, diffraction, angular effects. Indeed, the thicker the structure - to increase the storage capacity of the component - the greater the optical effects.
  • the diffraction of light is the phenomenon by which the light rays coming from a point source are deviated from their rectilinear trajectory when they skim the edges of an opaque obstacle. This phenomenon of optics, affecting the observation of an image through an instrument, is due to the wave character of the light.
  • Diffusion is the phenomenon by which radiation, such as light, is diverted in various directions by interaction with other objects.
  • the diffusion can be isotropic, that is to say distributed evenly in all directions, or anisotropic.
  • broad angle scattering the light is diffused uniformly in all directions. This causes a contrast attenuation and a dull and dull image.
  • One solution proposed to remedy this problem consists in forming a storage system having, in section planes comprising the thickness direction of the stack 29, a decrease in width away from the substrate 10.
  • the width dimension is a dimension perpendicular to the thickness and preferably perpendicular to a longitudinal direction in which the largest dimension of a given portion of the system extends.
  • trapezoidal structures can be generated. These forms make it possible, on the one hand, to limit shading and thus to optimize transmission over a larger angular range (device / observer) and, on the other hand, to reduce the phenomena of diffusion and diffraction of light.
  • the upper corners of this set form significant obstacles to the light, when the latter is inclined relative to the direction of the light. thickness of the substrate.
  • the luminous flux passing through the complete structure of the device is greater, insofar as the interaction of the light incident (non-normal, angled) with the surface of the electrochemical storage system is reduced.
  • the cross section of the storage system comprises a base in contact with the face 1 1 of the substrate 10, an upper face, preferably flat and parallel to the face 1 1 of the substrate 10, said face being of dimension in width inferior to that of the base, and two flanks joining the base and the upper face.
  • the flanks are straight and inclined.
  • the inclination of the flanks is equivalent so as to form a system having an axial symmetry, in the thickness direction of the stack 29.
  • the shaping can be carried out directly at the level of the stack 29 as it is the case of Figure 3. In this situation, the coverage is advantageously consistent, that is to say covering the structuring of the active level without modifying it.
  • the shape of the cover 30 which determines the shape of the overall envelope of the storage system.
  • the control of the slope is advantageously carried out by transfer of patterns of a photoresist: above the storage system, resin patterns having themselves slopes are produced.
  • the etch selectivity ratio of etching rate resin / speed of etching absorbent material of the cover layer 30
  • a selectivity of 1 makes it possible to transfer the same slope as that generated in the resin.
  • the thickness of the cover 30 may be homogeneous in its horizontal extension above the stack 29. On the other hand, this thickness increases progressively in the direction of the face 1 1 of the substrate 10 so that make the slope.
  • the slope is advantageously greater than 0 ° and less than or equal to 45 ° relative to the thickness direction of the substrate.
  • the cover 30 has both optical absorption characteristics and airtightness and / or water to encapsulate the stack 29.
  • the cover 30 can be arranged directly above the second collector.
  • the stack of the storage system comprises, underlying the cover 30, an encapsulation layer 27. This latter layer preferably covers the entire surface of the stack 29.
  • C is the case of Figure 5.
  • a dimension corresponding to the width dimension of a stacking pattern 29 may be between 5 and 50 microns.
  • the spacing B between two stacking patterns can be between 5 and 50 microns.
  • the height C of the storage system may be between 5 and 50 microns.
  • the angle D formed between the plane of the substrate and the side of the stack may be between 45 and 90 degrees.
  • the storage system thus proposed may be in the form of a mesh on the face of the substrate 10 with a regular shape such as is the case in FIG. 1 and in FIG. 6a, the mesh being in the form of a grid delimiting cavities of passage of the light of rectangular section and preferably square.
  • Figure 6b shows an alternative in which the grid comprises hexagonal cells.
  • the grid has a plurality of lines having different directions and including intersections.
  • FIG. 6d for which, unlike FIG. 6c, the grid comprises a plurality of curvilinear lines extending so as to form intersections.
  • the electrochemical storage system forms a network of portions comprising the stack 29 and extending at a face 11 of the substrate 10.
  • This face of the substrate 10 can receive a plurality of such networks, namely a plurality of grids separated from each other so as to form a plurality of electrochemical storage systems.

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de stockage d'énergie, comprenant un substrat (10) présentant une portion optiquement transparente dans un intervalle de longueurs d'ondes prédéfini, et au moins un système de stockage (20) d'énergie électrochimique comprenant, à partir d'une face de la portion transparente, un empilement (29) présentant successivement un premier collecteur de courant (21, 22), une première électrode (23), un électrolyte (24), une deuxième électrode (25), un deuxième collecteur (26) de courant, l'empilement (29) étant recouvert partiellement d'une couverture (30), caractérisé en ce qu'au moins une partie de la couverture (30) comporte un coefficient d'absorbance de lumière supérieur ou égal à 80%, de préférence supérieur à 90%.

Description

« Dispositif de stockage d'énergie »
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un dispositif de stockage d'énergie par voie électrochimique.
L'invention trouve pour application avantageuse, mais non limitative, la fabrication de dispositifs microélectroniques. Par dispositif microélectronique, on entend tout type de dispositif réalisé avec les moyens de la microélectronique. Ces dispositifs englobent notamment en plus des dispositifs à finalité purement électronique, des dispositifs micromécaniques ou électromécaniques (MEMS, NEMS...) ainsi que des dispositifs optiques ou optoélectroniques (MOEMS...).
Un intérêt spécifique de l'invention est la réalisation de dispositifs de stockage d'énergie électrochimique. Cela inclut notamment les dispositifs du type batterie, accumulateur ou condensateur utilisant un électrolyte. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Les systèmes de stockage d'énergie électrochimique sont de manière générale réalisés par des dépôts successifs sur un substrat d'un premier collecteur de courant, d'une première électrode, d'un électrolyte ou conducteur ionique, d'une deuxième électrode, et d'un deuxième collecteur de courant. Une encapsulation, par le biais de dépôt de couches supplémentaires, ou par report de capot, est souvent nécessaire pour protéger le système de la réactivité chimique avec l'oxygène et la vapeur d'eau.
La migration d'un ou plusieurs ions entre les deux électrodes à travers l'électrolyte permet soit de stocker de l'énergie ou de la délivrer vers un circuit externe.
Des dispositifs électroniques innovants et multifonctionnels tels que les objets connectés, notamment suivant la tendance de l'internet des objets ou qui peuvent être portés, nécessitent dorénavant souvent un composant de stockage d'énergie qui puisse s'intégrer dans l'architecture globale et assurer une fonction structurale supplémentaire, en plus de celle de source d'énergie. Un aspect de cette intégration est la transparence du support du composant de stockage d'énergie.
En dépit des avantages évidents à disposer de composants de stockage d'énergie transparents, par exemple pour des applications telles que des fenêtres connectées, des écrans transparents ou encore des lunettes de réalité augmentée, la réalisation et la caractérisation de tels composants paraissent encore bien peu développées, et on peut classer l'art antérieur en deux catégories, en fonction de l'approche adoptée pour assurer un degré de transparence du composant.
Dans un premier cas, on forme le composant de stockage d'énergie avec des matériaux intrinsèquement transparents. Dans ce cas de figure, le composant de stockage, souvent batterie ou condensateur, est constitué d'un empilement de matériaux qui présentent tous une transparence intrinsèque. Il peut s'agir aussi de matériaux présentant une très faible épaisseur de sorte à minimiser l'opacité totale du composant.
Ce type de composant présente l'inconvénient d'une faible performance globale de stockage d'énergie. En effet les épaisseurs sont souvent faibles pour optimiser la transparence globale, et limitent ainsi le volume de matière utilisé pour le stockage (électrodes d'insertion) ou présentent une capacité de stockage intrinsèque plus faible que celle obtenue par des matériaux conventionnels, moins transparents.
Une autre voie actuellement explorée est une architecture de composant intégrant des matériaux opaques structurés en grille sur le substrat de support. Dans ce cas de figure, un degré de transparence est obtenu par structuration de matériaux conventionnels sous forme d'une grille. La géométrie de la grille permet de moduler la transparence globale du composant, tout en sélectionnant des matériaux conventionnels à haute performance électrochimique, abstraction faite de leurs propriétés optiques. Cette approche permet également de décorréler la transparence et la capacité de stockage des composants, étant donné que l'augmentation d'épaisseur des électrodes permet d'augmenter la capacité de stockage sans modifier le taux d'ouverture de la grille (ratio surface matériaux opaque/surface transparente) et par conséquent la transparence.
Ce type de composants présente néanmoins un inconvénient : l'augmentation des épaisseurs d'électrodes induit une dégradation des propriétés optiques, ce qui limite de façon considérable la décorrélation entre propriétés optiques et électrochimiques.
La publication brevet US 2013/0252089 A1 divulgue un dispositif de stockage d'énergie formé en réseau sur un support. Il comporte un empilement de couches formant un ensemble capacitif, l'empilement comprenant une couche d'étanchéité recouvrant les autres couches et pouvant présenter une caractère d'absorption lumineuse. Cette tentative de limitation des effets de lumière parasite n'est cependant pas optimale.
Il existe donc actuellement un besoin pour des dispositifs comprenant des composants de stockage d'énergie électrochimique portés par un substrat transparent et ayant un rendement suffisant sans impacter de manière rédhibitoire la transparence du substrat. C'est un objet de l'invention que de pallier au moins en partie les inconvénients des techniques actuelles pour y parvenir. RESUME DE L'INVENTION
Un aspect non limitatif de l'invention est relatif à un dispositif de stockage d'énergie, comprenant un substrat présentant une portion optiquement transparente dans un intervalle de longueurs d'ondes prédéfini, et au moins un système de stockage d'énergie électrochimique comprenant, à partir d'une face de la portion transparente, un empilement présentant successivement un premier collecteur de courant, une première électrode, un électrolyte, une deuxième électrode, un deuxième collecteur de courant, l'empilement étant recouvert au moins partiellement d'une couverture. Avantageusement, au moins une partie de la couverture comporte un coefficient d'absorbance de lumière supérieur ou égal à 80%, de préférence supérieur à 90%.
En outre de manière préférée, la couverture recouvre, préférentiellement totalement, la surface supérieure (c'est-à-dire sa face opposée au substrat) du deuxième collecteur de courant.
Ainsi, une partie de la lumière dirigée vers le substrat est absorbée par le système de stockage. Alors que l'on aurait pu penser que cette caractéristique est défavorable, car la transmission de lumière au travers du dispositif complet pourrait être impactée, le demandeur a constaté que cette absorption permet une élévation de température du système de stockage, ce qui favorise son rendement, en optimisant les échanges ioniques et/ou électrochimique dans l'empilement. Cela permet aussi de réduire la transmission de lumière diffuse au travers du dispositif, augmentant dès lors le contraste optique.
De plus, cette absorption est avantageusement limitée à la zone correspondant au deuxième collecteur, et les flancs de l'empilement ne sont pas recouverts. Cela évite d'accroître la largeur du système de stockage complet au contact du substrat pour préserver une ouverture importante du substrat, et donc favoriser la transparence. Néanmoins, la couverture reste efficace en ce qu'elle capte une majorité de la chaleur issue de la lumière impact en le système de stockage et en ce que la surface d'échange qu'elle procure avec l'empilement capacitif est élevée. On concentre par ailleurs la couverture au niveau d'une interface avec l'empilement qui est généralement bon conducteur thermique, s'agissant du deuxième collecteur de courant. Alors que le document US 2013/0252089 A1 propose une couverture complète de l'empilement capacitif, ce qui peut paraître plus efficace, un aspect de la présente invention combat ce préjugé en limitant la couverture absorbante à une zone sélectionnée de recouvrement de l'empilement capacitif. En outre, de manière surprenante, le fait de ne pas couvrir les flancs de l'empilement capacitif évite les effets de lumière parasite pouvant se produire lorsqu'une lumière incidente sur une partie de flanc d'une couverture se diffuse dans celle- ci. Au contraire, la couverture de ce mode de réalisation de la présente invention n'est pas susceptible de créer ses défauts de luminosité à proximité ou au niveau de l'interface entre la base de l'empilement capacitif et le substrat.
Un autre aspect séparable de la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif.
Un autre aspect séparable de l'invention concerne un dispositif de stockage d'énergie, comprenant un substrat présentant une portion optiquement transparente dans un intervalle de longueurs d'ondes prédéfini, et au moins un système de stockage d'énergie électrochimique comprenant, à partir d'une face de la portion transparente, un empilement présentant successivement un premier collecteur de courant, une première électrode, un électrolyte, une deuxième électrode, un deuxième collecteur de courant. Avantageusement, le système de stockage présente, suivant une dimension perpendiculaire à l'épaisseur du substrat, une largeur décroissante en s'éloignant de la face du substrat.
Grâce à cet aspect, on assure, d'une part, la limitation de l'ombrage et ainsi une transmission optimale dans une plus grande gamme angulaire (dispositif/observateur) et, d'autre part, une diminution des phénomènes diffusion et diffraction de la lumière.
Dans le cas non limitatif de la combinaison de l'aspect de l'invention lié à la couverture et de celui lié à la largeur décroissante, les flancs du système sont avantageusement recouverts de la couverture et forment ainsi une surface importante de récupération d'énergie par absorption optique, de sorte à chauffer l'empilement de couches du système de stockage électrochimique. BREVE INTRODUCTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples, non limitatifs, et sur lesquels :
- La FIGURE 1 illustre en perspective un dispositif de stockage d'énergie doté d'un système organisé en grille sur un substrat ;
- les FIGURES 2a à 2f présentent des étapes successives d'un mode de réalisation non limitatif de réalisation d'un dispositif de l'invention.
- Les FIGURES 3 à 5 montrent des configurations alternatives possibles du système de stockage d'énergie ;
- Les FIGURES 6a à 6d présentent quatre exemples de répartition du système de stockage d'énergie sur la face d'un substrat.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention.
Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les épaisseurs relatives des couches ne sont pas représentatives de la réalité.
DESCRIPTION DETAILLEE
Avant d'entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l'invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées suivant toute association ou alternativement :
- la au moins une partie de la couverture 30 comporte au moins une couche d'un oxyde ou d'un nitrure métallique ou d'un oxyde ou d'un nitrure d'un matériau semi-conducteur, de préférence du silicium, ou de silicium amorphe ;
- la au moins une partie de la couverture 30 présente une surface exposée texturée configurée pour accroître l'absorbance de lumière ;
- la surface exposée texturée comprend des motifs en relief ; la surface exposée texturée comprend une rugosité RMS supérieure ou égale à 100 nm ;
la au moins une partie de la couverture 30 comporte un revêtement superficiel antireflet ;
la au moins une partie de la couverture 30 couvre l'intégralité de l'empilement 29 ; cela signifie que l'ensemble des couches superposées est recouvert au niveau de la face du substrat 10, limitant les parties éventuellement non recouvertes aux portions de collecteurs dont l'exposition est éventuellement utile à une reprise de contact par la face du substrat 10 (une reprise de contact par la face opposée du substrat, par exemple avec des vias, est aussi possible);
l'empilement 29 comporte une couche d'encapsulation 27 configurée pour encapsuler l'empilement de manière étanche à l'eau et/ou à l'air surmontée de la couverture 30 ;
la couverture 30 est configurée pour encapsuler l'empilement (29) de manière étanche à l'eau et/ou à l'air ;
la couverture 30 présente une épaisseur supérieure à la longueur d'ondes la plus grande de l'intervalle de longueur d'ondes prédéfini ; le système de stockage 20 présente, suivant une dimension perpendiculaire à l'épaisseur du substrat 10, une largeur décroissante en s'éloignant de la face du substrat 10 ;
la largeur décroissante définit deux flancs rectilignes dont la pente, est strictement supérieure à 0° et inférieure ou égale à 45° relativement à l'épaisseur du substrat 10 ;
le système de stockage 20 présente une largeur, au niveau de la face du substrat 10, comprise entre 5 et 50 microns et/ou une hauteur comprise entre 5 et 50 microns ;
l'empilement 29 présente des flancs dirigés suivant l'épaisseur du substrat 10 et dans lequel la largeur décroissante est conférée par la couverture 30 ;
la largeur décroissante est conférée par l'empilement 29, la couverture 30 étant conforme au-dessus de l'empilement 29 ; l'intervalle de longueurs d'ondes prédéfini est compris entre 200 et 2000 nm, et est de préférence compris dans le spectre visible ;
de préférence, la couverture 30 ne comprend pas de charges absorbant de la lumière dans sa masse, et ne comporte notamment pas de pigment noir ;
de préférence, la surface supérieure de l'empilement 29 est plane, et de préférence parallèle à la face de la portion transparente du substrat 10 ; en particulier, la surface supérieure du deuxième collecteur 26 peut permettre de définir cette partie plane ;
avantageusement, le premier collecteur, la première électrode, l'électrolyte, la deuxième électrode et le deuxième collecteur présente tous une surface supérieure plane et de préférence parallèle à la face de la portion transparente du substrat 10 ;
de préférence, seul l'électrolyte recouvre les couches sous-jacentes ; la deuxième électrode et le deuxième collecteur n'ont pas de portion recouvrant les flancs de l'empilement dans ce cas ; également, il est possible que la première électrode et le premier collecteur n'aient pas de portion de recouvrement de couche sous-jacente ; dans un mode de réalisation préférée, les différents composants de l'empilement sont des couches parallèles à la face de la portion transparente du substrat 10 superposées les unes aux autres sont recouvrement latérales, hormis, de préférence, en ce qui concerne l'électrolyte ; on limite ainsi l'encombrement latéral du système de stockage ; le recouvrement latéral éventuel par l'électrolyte, au niveau des flancs de l'empilement, permettent éventuellement d'isoler thermiquement la partie la plus centrale de l'empilement, le matériau de l'électrolyte étant de préférence un bon isolant thermique.
avantageusement, l'électrolyte est configuré pour recouvrir intégralement la première électrode et le premier collecteur de courant ; éventuellement, l'empilement 29 est recouvert d'une portion d'encapsulation, par exemple à base d'au moins une couche, recouvrant de préférence intégralement l'empilement 29 ; la couverture 30 peut-être située au-dessus de la portion d'encapsulation dans ce cas, ou en dessous.
Il est précisé que, dans le cadre de la présente invention, le terme « sur » ou « au-dessus » ne signifie pas obligatoirement « au contact de ». Ainsi, par exemple, le dépôt d'une couche sur une autre couche, ne signifie pas obligatoirement que les deux couches sont directement au contact l'une de l'autre mais cela signifie que l'une des couches recouvre au moins partiellement l'autre en étant, soit directement à son contact, soit en étant séparée d'elle par un film, ou encore une autre couche ou un autre élément. Une couche peut par ailleurs être composée de plusieurs sous-couches d'un même matériau ou de matériaux différents.
Il est précisé que dans le cadre de la présente invention, l'épaisseur d'une couche ou du substrat se mesure selon une direction perpendiculaire à la surface selon laquelle cette couche ou ce substrat présente son extension maximale.
Au sens de la présente demande, le terme collecteur s'entend notamment d'une partie du dispositif ayant pour fonction de raccorder une électrode à un élément extérieur au dispositif, c'est-à-dire situé à l'extérieur de l'empilement de couches du dispositif, généralement encapsulé. Le terme électrode s'entend notamment quant à lui d'une partie du dispositif en continuité électrique avec une couche active (en particulier un électrolyte, de préférence solide formant un conducteur ionique solide). Le collecteur de courant est raccordé à son électrode de sorte à établir une continuité électrique entre ces deux parties ; ces dernières peuvent en outre être issues d'une ou plusieurs couches communes de matériaux ; dans ce cas, le collecteur formera généralement une excroissance de l'électrode, vers l'extérieur du dispositif encapsulé.
L'invention se base sur un substrat 10 dont au moins une portion est transparente suivant son épaisseur. Il n'est pas nécessaire que l'intégralité du substrat 10 soit transparente ; par exemple, ce dernier peut disposer d'un cadre périphérique non transparent et d'un volume intérieur transparent, comme c'est le cas pour une fenêtre. On entend par transparence, la propriété optique d'un volume à transmettre la lumière suivant une direction donnée, pour une longueur d'onde donnée ou une gamme de longueurs d'onde sans pertes excessives, par absorption ou réflexion. Un taux de transmission au moins égal à 80% est considéré comme acceptable pour justifier de la transparence d'un objet. .
La figure 1 donne une illustration, en perspective, d'un substrat 10 sous forme d'une plaque transparente équipée d'un système de stockage d'énergie organisé sous forme d'une grille et qui n'est pas, de manière générale dans l'invention, transparent ; en général, l'empilement utilisé selon l'invention est d'une épaisseur telle que le système de stockage est même totalement opaque, Le taux d'ouverture de la grille détermine le degré de transparence de l'ensemble.
D'une manière générale, les propriétés optiques discutées dans l'invention s'entendent dans la gamme de longueurs d'onde utile, c'est-à-dire pertinente pour l'application. Le terme intervalle de longueurs d'ondes prédéfini correspond à cette gamme, étant entendu que l'intervalle peut être constitué d'une valeur unique, par exemple pour le traitement de lumière monochromatique. D'une manière générale, l'intervalle de longueurs d'onde peut être compris entre 200 et 2000 nanomètres. Dans la plupart des applications, l'intervalle de longueurs d'onde sera inclus dans le spectre visible, c'est-à-dire dans la gamme de longueurs d'onde détectable par l'œil humain, qui peut correspondre à l'intervalle entre 380 et 780 nanomètres.
D'une manière générale, le système de stockage 20 dont un exemple est visible en figure 1 comprend un empilement de couches permettant de réaliser les différents composants d'un organe de stockage électrochimique, comprenant un empilement comprenant lui-même un premier collecteur, une première électrode, un électrolyte, une deuxième électrode et un deuxième collecteur. L'électrolyte est une portion intercalée entre les deux portions conductrices séparées constituées respectivement du premier collecteur et de la première électrode, et de la deuxième électrode du deuxième collecteur. Des échanges ioniques entre ces deux portions conductrices s'opèrent au travers de l'électrolyte, suivant le principe de stockage d'énergie électrochimique.
Un aspect du fonctionnement de tels dispositifs est que le rendement augmente avec la température. À cet effet, un aspect de l'invention concerne l'absorption d'une partie de la lumière par le système de stockage 20, absorption qui va permettre d'augmenter la température à l'endroit de ce système 20. D'une manière générale, cette absorption de lumière est permise grâce à une partie de couverture 30 dont des exemples géométriques seront donnés plus loin. La couverture 30 est configurée pour recouvrir au moins une partie de la surface exposée de l'empilement 29, et avantageusement toute cette surface. On peut cependant limiter la couverture 30 au recouvrement d'une face supérieure de l'empilement 29, en particulier au-dessus du deuxième collecteur, sans pour autant couvrir les flancs de l'empilement 29, à savoir les parties dirigées essentiellement suivant la dimension en épaisseur du substrat 10 et de l'empilement 29. Suivant une autre option, on ne couvre au contraire que la partie des flancs, sans couvrir la face supérieure de l'empilement. Bien évidemment, l'efficacité en termes d'absorption de lumière sera supérieure dans le cas d'une couverture complète, qui est le cas préféré.
Dans les exemples qui suivent d'un mode de réalisation du dispositif de l'invention et de différentes configurations du système de stockage, la couverture 30 est d'un seul tenant, à partir d'une seule phase de fabrication de couche. Cet exemple n'est pas limitatif de l'invention. En particulier, la couverture 30 peut être elle-même constituée d'une pluralité de sous-couches fabriquées successivement.
La couverture 30 étant destinée à augmenter l'absorption de lumière du système de stockage 20, on choisira avantageusement son coefficient d'absorption, dans la gamme de longueurs d'onde considérée, supérieure à celui ou à ceux de la ou les couches formant la surface exposée de l'empilement que la couverture 30 recouvre.
Avantageusement, le coefficient d'absorption est choisi supérieur ou égal à 80%. De manière plus préférentielle, il est choisi supérieur ou égal à 90%.
Suivant une possibilité, on utilise des matériaux sous forme d'oxydes ou de nitrures métalliques (par exemple du nitrure de tantale) ou sous forme d'oxydes ou de nitrures d'un matériau semi-conducteur (de préférence du silicium) ou encore du silicium amorphe pour former tout ou partie de la couverture 30. De préférence, l'épaisseur de la couverture est supérieure à la longueur d'onde la plus grande de l'intervalle de longueurs d'ondes prédéfini.
Pour atteindre le niveau d'absorption optique souhaitée, une autre option de l'invention est de sélectionner un état de surface pour la surface exposée de la couverture 30. On peut notamment augmenter la rugosité de cette surface par une gravure chimique ou physique. À titre d'exemple, on peut faire en sorte que la rugosité RMS obtenue soit supérieure ou égale à 100 nm.
Alternativement ou cumulativement, on peut aussi former des motifs à la surface de la couverture 30. Pour réaliser des surfaces texturées présentant des reliefs par exemple de forme pyramidale, on connaît la technique suivante : la réalisation de structure dite « pyramide inversée » réalisée par attaque chimique après une étape de lithographie.
L'invention ne fait pas non plus d'hypothèse sur la géométrie de la texture produite. La forme de reliefs peut former des pyramides, et donc présentant en coupe une section triangulaire, régulièrement espacées sans que cela ne limite en rien l'application de l'invention à tout autre type de texturation.
Les reliefs pourraient tout aussi bien présenter des formes de section polygonale ou circulaire. Les reliefs peuvent également présenter des formes courbes. Ils peuvent notamment être des ondulations de la surface de la couverture.
En outre, l'espace entre deux motifs n'est pas nécessairement constant. Par ailleurs, les reliefs peuvent présenter des formes variées.
D'une façon non limitative l'amplitude du relief produit par la texturation sera typiquement compris entre la centaine de nanomètres et plusieurs dizaines de microns (1 micron = 10"6 mètre) et plus particulièrement comprise entre 1 à 25 microns pour l'application. De manière générale l'amplitude d'un relief est définie comme la distance entre son point le plus haut et son point le plus bas. Cette distance est prise selon une direction sensiblement normale à la surface de la couverture.
La taille de la base des reliefs est également potentiellement comprise entre 3 et 25 microns et plus particulièrement entre 4 à 15 microns. La taille de la base des reliefs correspond à la dimension maximale du relief prise au niveau de sa portion formant saillie par rapport à la surface de la couverture prise entre deux reliefs.
Le pas d'une surface texturée correspond à la distance moyenne entre deux reliefs consécutifs. Par exemple, le pas de la surface texturée est compris entre de 2 et 20 microns et plus particulièrement comprise entre 4 à 15 microns. Par exemple, pour un pas de 9 μιτι, des reliefs en forme de pyramide inversée font 6 μιτι de profondeur, et, pour un pas de 15 μιτι, elles font 10 m de profondeur. Typiquement, les pas sont mesurés entre deux sommets de pyramide.
On donne ci-après un exemple de fabrication d'un ou plusieurs systèmes ou composants de stockage d'énergie sur un substrat, en référence aux figures 2a à 2f. Ces figures sont des coupes partielles orientées suivant un plan dirigé selon l'épaisseur du substrat et contenant la ligne A-A de la figure 1 . Cela étant, il n'a pas été recherché de cohérence de proportions dimensionnelles entre la figure 1 et les figures 2a à 2f.
Le système de stockage 20 est réalisé sur un substrat 10 qui peut-être de verre, d'épaisseur par exemple comprise entre 0.5mm et 1 .5 mm. La première étape potentielle est un relâchement des contraintes du verre, réalisé grâce à un recuit à 600°C pendant deux heures. Cette étape va permettre au verre de ne pas se dilater lors des recuits futurs ; cela correspond à l'étape de la figure 2a.
La deuxième étape consiste à déposer, notamment par PVD (acronyme de Physical Vapor Déposition, c'est-à-dire un dépôt physique en phase vapeur), le premier collecteur, qui est dans le cas illustré, une bicouche composée d'une première couche 21 (par exemple de 50nm de Ti) et d'une deuxième couche 22 (par exemple de 250 nm de Pt). La mise en forme peut être opérée par photolithographie, grâce à laquelle un design adapté est transféré aux couches, et par gravure humide, par laquelle les matériaux sont gravés l'un après l'autre : la gravure du Pt se réalise par exemple dans un bain de HNO3/HCI à 57 °C, avec une vitesse de gravure de l'ordre de 25 nm/min.
La gravure du Ti, quant à elle, est réalisée par exemple avec un bain de NH3 H2SO4 H2O2 H2O (1/1/1 ), avec une vitesse de gravure d'environ 50 nm/min. on parvient à la configuration illustrée à la figure 2b. L'étape suivante est le dépôt de la première électrode 23, d'une manière générale électrode positive, qui peut-être du LICO (contraction du terme Lithium-Cobalt), et qui peut être déposée par PVD, afin d'obtenir une épaisseur de couche notamment comprise entre 3 μιτι et 20 μιτι.
De la même façon que pour le collecteur, une étape de photolithographie ainsi qu'une étape de gravure humide, permettent la réalisation des motifs, alignés par rapport aux motifs du premier collecteur 21 , 22.
La gravure s'effectue par exemple dans un bain de H2SO4/H2O2/H2O (1/5/32), la vitesse de gravure étant de l'ordre de 6 m/min. Un recuit à 600°C pendant deux heures vient compléter la réalisation de la première électrode 23. On parvient au résultat de la figure 2c.
Par dépôt PVD, l'électrolyte 24, de préférence du LiPON, ainsi que l'électrode négative 25 par exemple en silicium, et le deuxième collecteur 26 en Ti, vont être déposés successivement. L'électrode 25 et le deuxième collecteur 26 peuvent à ce stade être mis en forme. Par exemple, une photolithographie va permettre de localiser les futurs motifs de ces parties, qui vont être créés ensuite par un plasma notamment d'Ar/O2/CHF3, à 40T de pression, sous une puissance RF de 280W et une puissance LF de 400W (vitesse de gravure de l'ordre de 0.7 nm/min). La figure 2d en donne un résultat.
L'étape suivante est la gravure du matériau de l'électrolyte 24, réalisée dans le cas du LiPON dans un bain de TMAH (tetra methyl ammonium hydroxyde) après développement de photorésine, avec une vitesse de gravure de 2 m/min environ. On obtient la configuration de la figure 2 au niveau de laquelle l'empilement 29, constitué successivement du premier collecteur, de la première électrode, l'électrolyte, de la deuxième électrode et du deuxième collecteur, est finalisé.
La face 1 1 du substrat 10 reste exposée en dehors des zones d'empilement 29.
Dans un premier cas, on forme alors directement la couverture 30. Cela peut s'opérer par une étape de dépôt d'une couche de silicium amorphe. Comme indiqué précédemment, on peut texturer cette couche de sorte à augmenter le niveau d'absorption optique. Un exemple de couverture 30 est donné à la figure 2f. Suivant une possibilité non illustrée à la figure 2f, une couche d'encapsulation est préalablement formée autour de l'empilement 29, en-deçà de la couverture 30.
Suivant une autre possibilité non illustrée, la couverture 30 comprend une couche antireflet ; il peut s'agir d'un revêtement superficiel constitué ou comprenant un ou plusieurs matériaux diélectriques par exemple un multicouche SiO2 Si3N4.
Un aspect de l'invention séparable des autres aspects est l'optimisation du passage de la lumière dans les zones du substrat 10 non occupées par le système de stockage.
Les figures 3 à 5 donnent trois modes de réalisation non limitatifs de configurations adaptées à cet effet.
D'une manière générale, le système de stockage forme sur le substrat une batterie qui doit préserver la transparence et forme une grille pour le stockage d'énergie en association avec une partie transparente (du substrat 10) où il est avantageux d'optimiser la transmission optique directe. L'invention prend en compte des dimensions d'éléments non transparents afin d'appréhender les phénomènes optiques comme la diffusion, la diffraction, les effets angulaires. En effet, plus la structure est épaisse - pour augmenter la capacité de stockage du composant - plus les effets optiques sont importants.
On rappelle ci-après la définition des quelques notions d'optiques citées précédemment :
- diffraction optique : La diffraction de la lumière est le phénomène par lequel les rayons lumineux issus d'une source ponctuelle sont déviés de leur trajectoire rectiligne lorsqu'ils rasent les bords d'un obstacle opaque. Ce phénomène d'optique, affectant l'observation d'une image à travers un instrument, est dû au caractère ondulatoire de la lumière.
Dans le cas d'une diffraction importante, la partie transmise de la lumière est réduite, et la transparence du composant est par conséquence plus faible.
- diffusion optique : La diffusion est le phénomène par lequel un rayonnement, comme la lumière, est dévié dans diverses directions par une interaction avec d'autres objets. La diffusion peut être isotrope, c'est-à-dire répartie uniformément dans toutes les directions, ou anisotrope. Dans le cas d'une diffusion à angle large, la lumière est diffusée uniformément dans toutes les directions. Ceci provoque une atténuation de contraste et une image d'apparence trouble et terne.
Dans le cas d'une diffusion à angle étroit, la lumière est diffusée dans un angle étroit avec une haute concentration. Cet effet décrit très bien comment de très fins détails peuvent être vus à travers l'échantillon. La qualité de la clarté est de manière générale non altérée, seule la transparence du composant est réduite dans ce cas.
Une solution proposée pour remédier à ce problème, consiste à former un système de stockage présentant, dans des plans de section comprenant la direction en épaisseur de l'empilement 29, une décroissance de largeur en s'éloignant du substrat 10. La dimension en largeur s'entend d'une dimension perpendiculaire à l'épaisseur et de préférence perpendiculaire à une direction longitudinale suivant laquelle la plus grande dimension d'une portion donnée du système s'étend.
On peut notamment générer des structures trapézoïdales. Ces formes permettent d'une part la limitation de l'ombrage et ainsi une transmission optimale dans une plus grande gamme angulaire (dispositif/observateur) et d'autre part une diminution des phénomènes de diffusion et de diffraction de la lumière.
Dans le cas où le système de stockage présente des flancs droits dirigés suivant l'épaisseur de l'empilement 29, les coins supérieurs de cet ensemble forment des obstacles non négligeables à la lumière, lorsque celle-ci est inclinée relativement à la direction de l'épaisseur du substrat. Au contraire, avec une structure telle que celle illustrée à la figure 3, le flux lumineux traversant la structure complète du dispositif (et donc la transmittance ou le degré de transparence obtenu) est plus important, dans la mesure ou l'interaction de la lumière incidente (non normale, présentant un angle) avec la surface du système de stockage électrochimique est réduite.
Dans le cas de la figure 3, la section transversale du système de stockage comporte une base au contact de la face 1 1 du substrat 10, une face supérieure, de préférence plane et parallèle à la face 1 1 du substrat 10, ladite face étant de dimension en largeur inférieure à celle de la base, et deux flancs rejoignant la base et la face supérieure. Dans cet exemple, les flancs sont droits et inclinés. Avantageusement, l'inclinaison des flancs est équivalente de sorte à former un système présentant une symétrie axiale, selon la direction en épaisseur de l'empilement 29. La mise en forme peut être réalisée directement au niveau de l'empilement 29 comme c'est le cas de la figure 3. Dans cette situation, la couverture est avantageusement conforme, c'est-à-dire couvrant la structuration du niveau actif sans la modifier.
Suivant la possibilité alternative de la figure 4, c'est la forme de la couverture 30 qui détermine la forme de l'enveloppe globale du système de stockage. Comme dans le cas précédent, on peut obtenir une forme trapézoïdale avec une base, une face supérieure et deux flancs. Pour obtenir cette structure, le contrôle de la pente est avantageusement réalisé par transfert de motifs d'une photo-résine: on réalise, au-dessus du système de stockage, des motifs de résine présentant eux-mêmes des pentes. La sélectivité de gravure (rapport de vitesse de gravure résine/vitesse de gravure matériau absorbant de la couche couverture 30) permet de contrôler la pente : une sélectivité de 1 permet de transférer la même pente que celle générée dans la résine. On comprend de la figure 4 que l'épaisseur de la couverture 30 peut être homogène dans son extension horizontale au-dessus de l'empilement 29. Par contre, cette épaisseur croît progressivement en direction de la face 1 1 du substrat 10 de sorte à réaliser la pente.
À titre d'exemple, la pente est avantageusement supérieure à 0° et inférieure ou égale à 45° relativement à la direction en épaisseur du substrat.
Suivant un aspect séparable de l'invention, la couverture 30 présente à la fois des caractéristiques d'absorption optique et d'étanchéité à l'air et/ou à l'eau permettant d'encapsuler l'empilement 29. Dans ce contexte, la couverture 30 peut être disposée directement au-dessus du deuxième collecteur. Suivant une autre possibilité, l'empilement du système de stockage comprend, de manière sous-jacente à la couverture 30, une couche d'encapsulation 27. Cette dernière couche recouvre de préférence l'intégralité de la surface de l'empilement 29. C'est le cas de la figure 5.
En référence à la figure 3, on donne des exemples non limitatifs de dimension et d'espacement pour les parties du système de stockage 29. La dimension A correspondant à la dimension en largeur d'un motif d'empilement 29 peut être comprise entre 5 et 50 microns. L'espacement B entre deux motifs d'empilement peut être compris entre 5 et 50 microns. La hauteur C du système de stockage peut être comprise entre 5 et 50 microns. L'angle D formé entre le plan du substrat et le flanc de l'empilement peut être compris entre 45 et 90 degrés.
Le système de stockage ainsi proposé peut se présenter sous forme d'un maillage sur la face du substrat 10 avec une forme régulière telle que c'est le cas à la figure 1 et à la figure 6a, le maillage se présentant sous forme d'une grille délimitant des alvéoles de passage de la lumière de section rectangulaire et de préférence carrée. La figure 6b donne une alternative dans laquelle la grille comprend des alvéoles hexagonales. Dans le cas de la figure 6c, la grille comporte une pluralité de droites présentant des directions différentes et comprenant des intersections. Une autre possibilité est donnée à la figure 6d pour laquelle, contrairement à la figure 6c, la grille comporte une pluralité de lignes curvilignes s'étendant de sorte à former des intersections.
Dans les cas illustrés, le système de stockage électrochimique forme un réseau de portions comprenant l'empilement 29 et s'étendant au niveau d'une face 1 1 du substrat 10. Cette face du substrat 10 peut recevoir une pluralité de tels réseaux, à savoir une pluralité de grilles séparées les unes des autres de sorte à former une pluralité de systèmes de stockage électrochimique. En outre, il n'est pas exclu de former un ou plusieurs autres systèmes sur l'autre face du substrat 10.
Sauf indication spécifique du contraire, des caractéristiques techniques décrites en détail pour un mode de réalisation donné peuvent être combinées à des caractéristiques techniques décrites dans le contexte d'autres modes de réalisation décrits à titre exemplaire et non limitatif, dont ceux expliqués en détail ci-dessus.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif de stockage d'énergie, comprenant un substrat (10) présentant une portion optiquement transparente dans un intervalle de longueurs d'ondes prédéfini inclus dans le domaine du visible, et au moins un système de stockage (20) d'énergie électrochimique comprenant une couverture (30) et, à partir d'une face de la portion transparente, un empilement (29) présentant successivement un premier collecteur de courant (21 , 22), une première électrode (23), un électrolyte (24), une deuxième électrode (25), un deuxième collecteur (26) de courant, l'empilement (29) étant recouvert par la couverture (30), caractérisé en ce qu'au moins une partie de la couverture (30) comporte, dans l'intervalle de longueur d'ondes prédéfini, un coefficient d'absorbance de lumière supérieur ou égal à 80%, de préférence supérieur à 90%, et en ce que l'empilement (29) est recouvert par la couverture (30) uniquement au-dessus de la surface supérieure du deuxième collecteur de courant (26).
2. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la au moins une partie de la couverture (30) comporte au moins une couche d'un oxyde ou d'un nitrure métallique ou d'un oxyde ou d'un nitrure d'un matériau semi- conducteur, de préférence du silicium, ou de silicium amorphe.
3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la au moins une partie de la couverture (30) présente une surface exposée texturée configurée pour accroître l'absorbance de lumière.
4. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la surface exposée texturée comprend des motifs en relief.
5. Dispositif selon l'une des deux revendications précédentes, dans lequel la surface exposée texturée comprend une rugosité RMS supérieure ou égale à 100 nm.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la au moins une partie de la couverture (30) comporte un revêtement superficiel antireflet.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'électrolyte (24) est configuré pour recouvrir intégralement la première électrode (23) et le premier collecteur de courant (21 ,22).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la surface supérieure du deuxième collecteur de courant (26) est plane.
9. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la surface supérieure du deuxième collecteur de courant (26) est parallèle à la face de la portion transparente.
10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le système de stockage (20) présente, suivant une dimension perpendiculaire à l'épaisseur du substrat (10), une largeur décroissante en s'éloignant de la face du substrat (10).
1 1 . Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la largeur décroissante définit deux flancs rectilignes dont la pente est strictement supérieure à 0° et inférieure ou égale à 45° relativement à une direction selon l'épaisseur du substrat (10).
12. Dispositif selon l'une des deux revendications précédentes, dans lequel le système de stockage (20) présente une largeur, au niveau de la face du substrat (10), comprise entre 5 et 50 microns et/ou une hauteur comprise entre 5 et 50 microns.
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