Shih-Chi Yang et Amogh Kinikar, deux anciens doctorants de l'Empa, ont reçu chacun un prix de recherche 2023 de l'Empa pour des travaux scientifiques exceptionnels. Les deux jeunes chercheurs sont en partie tombés sur leurs découvertes par hasard – mais ils ont aussi eu la présence d'esprit et la persévérance de poursuivre la découverte fortuite et d'en reconnaître l'importance.

Une réaction inattendue

En tant que doctorant au laboratoire "nanotech@surfaces" de l'Empa, Amogh Kinikar voulait en fait synthétiser certains types de nanobandes de graphène. Ces structures plates en carbone n'ont qu'une couche atomique d'épaisseur et quelques atomes de largeur, ce qui leur confère des propriétés électromagnétiques uniques. Pour les fabriquer, Amogh Kinikar voulait faire réagir des molécules de départ – des hydrocarbures avec des centres de réaction au brome – sur une surface d'or. Mais au lieu de s'assembler en longues bandes, deux des molécules se sont combinées pour former un dimère. La réaction ne s'est pas produite au niveau du centre de réaction attendu, mais au niveau d'un groupe dit isopropyle, composé uniquement de carbone et d'hydrogène et qui ne réagit normalement pas avec grand-chose.

Grâce à la microscopie à balayage à effet tunnel, Amogh Kinikar a identifié la nouvelle structure qui s'est formée au centre du dimère comme étant un cycle benzénique ou, plus précisément d'un point de vue chimique, un cycle phénylène. Ce que ce physicien de formation ne savait pas encore à ce moment-là, c'est que la synthèse de cycles benzéniques est considérée comme extrêmement difficile en chimie organique. Les quelques mécanismes de réaction connus à ce jour nécessitent des molécules de départ très réactives. "Un chimiste n'aurait jamais osé affirmer qu'il s'agissait d'un cycle benzénique", s'amuse Amogh Kinikar.

Il devait néanmoins avoir raison : Il avait découvert une voie de synthèse entièrement nouvelle pour les cycles benzéniques. "Le fait qu'une combinaison de groupes non réactifs sur un métal non réactif donne naissance à un composé dont il a été démontré qu'il était difficile à synthétiser était surprenant", explique le chercheur. Les chimistes de son équipe ne voulaient tout d'abord pas le croire.

Mais au fil du temps, Amogh Kinikar et ses collègues de recherche ont réussi à comprendre le mécanisme derrière cette réaction inattendue. Grâce à une collaboration interdisciplinaire – en l'occurrence la chimie, la physique et les sciences assistées par ordinateur – ils ont pu démontrer que des cycles benzéniques se forment effectivement. Les chercheurs publient leurs résultats dans la revue "Nature Synthesis". Amogh Kinikar, premier auteur, a reçu pour cela le prix de recherche de l’Empa.

Depuis son doctorat en 2022, Amogh Kinikar poursuit ses recherches postdoctorales à l'Empa, toujours dans le laboratoire "nanotech@surfaces".

Une efficacité record obtenue au passage

Au départ, Shih-Chi Yang voulait lui aussi se concentrer sur un autre projet pendant son doctorat. Il a travaillé au laboratoire "Thin Films and Photovoltaics" de l'Empa sur ce qu'on appelle les cellules solaires CIGS. CIGS signifie cuivre-indium-gallium-disélénide. Ces cellules en couches minces sont peu gourmandes en matériaux, légères et peuvent être fabriquées sur des supports souples, contrairement aux cellules solaires traditionnelles en silicium.

En outre, il est théoriquement possible de fabriquer des cellules solaires CIGS à deux faces, appelées cellules bifaciales. La face arrière peut capter la lumière réfléchie et diffuse, ce qui augmente encore la densité de puissance. "Malheureusement, il y avait un gros obstacle dans la pratique", explique Shih-Chi Yang. "Les cellules CIGS sont normalement fabriquées à des températures de plus de 400 à 500 degrés Celsius. À ces températures, de l'oxyde de gallium se forme sur l'interface arrière, ce qui affecte fortement les performances de la cellule".

Comme par hasard, dans un projet précédent, Shih-Chi Yang avait affiné le processus de fabrication des cellules CIGS monofaciales en ajoutant de l'argent de manière à ce qu'il puisse se faire à une température plus basse. Le projet avait pour but d'abaisser la température du substrat tout en obtenant des absorbeurs CIGS de bonne qualité – mais le chercheur pensait aussi au potentiel des cellules bifaciales. Il a lancé un projet annexe visant à produire des cellules CIGS bifaciales à l'aide du nouveau procédé et à relever les défis liés à leur production.

Les premiers résultats ont été si convaincants qu'un projet secondaire est rapidement devenu le projet principal de la thèse de doctorat de Shih-Chi Yang. Grâce à sa nouvelle approche, il a obtenu une efficacité record pour les cellules solaires CIGS bifaciales. Il a publié ses résultats avec ses collègues de recherche dans la revue "Nature Energy". Pour cette publication, Shih-Chi Yang a également reçu un prix de recherche de l'Empa.

Les cellules CIGS bifaciales ne sont pas encore prêtes à être commercialisées. "Pour les applications industrielles, les processus de production devraient être encore plus affinés", dit Shih-Chi Yang. "Mais nous avons pu le montrer en laboratoire : Cela fonctionne. Cela vaut donc la peine de poursuivre les recherches sur cette technologie". Shih-Chi Yang laisse la poursuite des recherches à ses anciens collègues de l'Empa. Lui-même travaille depuis avril 2023 comme scientifique des données spécialisé dans l'apprentissage automatique dans l'industrie. "Les compétences analytiques et la pensée critique que j'ai développées pendant mon doctorat sont maintenant très utiles", dit-il.

Prix de recherche de l’Empa décernés : Quand hasard et excellence scientifique se rencontrent