Le projet PEELER : le développement d’un procédé novateur dans le domaine des énergies solaires

Le projet PEELER est né d’une collaboration entre l’Institut interdisciplinaire d'innovation technologique (3IT) de l'Université de Sherbrooke et les partenaires industriels Stace et Umicore. Au coeur de cette initiative d'envergure se trouve une équipe ayant des expertises complémentaires et composée de neuf chercheurs universitaires, de huit chercheurs et ingénieurs industriels ainsi que de trois professionnels de recherche.

Ce projet de recherche collaboratif a comme objectif de réduire les coûts ainsi que les impacts environnementaux causés par la production des cellules solaires à très haut rendement, qui sont fabriquées sur des substrats en germanium.

Le projet est mené par des professeurs de la Faculté de génie : le Pr Abderraouf Boucherif, responsable du projet, le Pr Ryan Gosselin et les chercheurs suivants qui sont membres du 3IT/LN2 : le Pr Richard Arès, le Pr Abdelatif Jaouad, le Pr Maxime Darnon ainsi que le Pr Denis Machon.

L'élaboration d'un procédé de séparation de couche mince

Actuellement, les méthodes pour fabriquer ces substrats sont coûteuses, polluantes et gaspillent des matériaux rarissimes. Bien qu'il ne suffisse que de quelques micromètres pour obtenir un effet de conversion électrique, une grande épaisseur de matériau est utilisée dans la fabrication. L’excédent est alors utilisé comme support mécanique, ce qui constitue une perte de matériau rare.

C’est comme si l’on voulait fabriquer une coque de téléphone cellulaire entièrement en or à la place d’utiliser une mince couche de plaqué or afin de donner la couleur au téléphone. 

Pr Abderraouf Boucherif, professeur en génie mécanique à l’Université de Sherbrooke

L’équipe du projet PEELER s’est penchée sur le développement d’une méthode de séparation de couche mince afin de réduire l’impact environnemental et le coût de production.

Le principe est semblable à celui d’une photocopieuse, c’est-à-dire que nous sommes capables de copier les caractéristiques cristallines d’un substrat de façon identique, ce qui nous permet alors de couvrir une plus grande surface rapidement et à faible coût. Cette image utilisée par le Pr Abderraouf Boucherif sert à expliquer simplement que cette technologie consiste à réutiliser le même substrat plusieurs fois grâce à une méthode de séparation de couche mince.

Le financement de ce projet de recherche totalise 3,825 M$ et provient de plusieurs organismes tels que MITACS, l’Agence spatiale européenne, l’Agence spatiale canadienne, le CRSNG et InnovÉE.

Le financement est réparti selon le ratio suivant : environ 20% par les partenaires industriels, 40% par la subvention fédérale du CRSNG et 40% par de la subvention provinciale d’InnovÉE.

Une première en recherche

Cette méthode de fabrication est novatrice : pour la première fois en recherche, une technique de séparation est introduite à l’échelle d’un substrat de germanium (100 mm de diamètre).

En d’autres termes, l’utilisation de cette technique développée au 3IT permet de réduire significativement le coût des composantes ainsi que l’impact environnemental lié à la fabrication des panneaux solaires. Ces recherches s’inscrivent dans la Politique énergétique du Québec qui vise l’innovation dans le domaine de l’énergie renouvelable, et s’alignent également sur les orientations canadiennes en matière de transition renouvelable. Le germanium fait notamment partie de la liste des matériaux stratégiques au Canada.

Nous sommes très satisfaits du progrès du projet PEELER. Il s’agit d’un projet d’envergure dans le domaine du photovoltaïque concentré où Stace est un leader mondial. Les retombées du projet représentent une percée significative dans ce domaine. Le procédé de recyclage intelligent du substrat ouvre la porte à des cellules solaires hautement efficaces, accessibles à grande échelle et comportant une réduction de coût importante.

Christian Dubuc, directeur Innovation et développement de produits solaires, Stace

Les prochaines étapes du projet PEELER

L’équipe de recherche souhaite qu’à terme la technologie développée puisse être transférée au niveau industriel. Deux demandes de brevet ont d'ailleurs été déposées, en collaboration avec la société de valorisation TransferTech. L’équipe a réussi à démontrer le concept et travaille maintenant sur la démonstration de la production.

L'équipe aimerait également amener cette technologie vers d'autres applications optoélectriques, comme l'Internet des objets, les caméras infrarouges pour les voitures autonomes et la télécommunication.

S’entourer d’une équipe interdisciplinaire

Ce projet rallie plusieurs domaines, tels que la nanotechnologie, la chimie, le génie mécanique, le génie électrique, le génie physique et l’informatique.

L’avantage de travailler au 3IT, c’est la proximité des gens provenant de plusieurs secteurs. L’interdisciplinarité est un élément indispensable au projet puisqu’elle implique des notions puisées dans de multiples disciplines. Grâce à la combinaison de ces champs d’études, nous avons pu obtenir ces résultats prometteurs! 

Pr Abderraouf Boucherif, professeur en génie mécanique à l’Université de Sherbrooke

Un travail d’équipe et de collaboration

Au coeur du projet se trouvent près de 30 personnes passionnées, dont des étudiants et étudiantes, des professeurs, des industriels ainsi que des professionnels de recherche, qui s'investissent afin d’obtenir des résultats uniques au monde.

Ce que j’apprécie particulièrement de la collaboration avec les chercheuses et chercheurs du 3IT, c’est la création d’une véritable équipe de travail. Ensemble, nous avons développé une technologie innovante qui ouvre la voie à un nouveau type de cellules solaires minces pour les applications spatiales, comme l'alimentation des bases lunaires, tout en réduisant les coûts et l’impact environnemental de la production. Ce projet PEELER est très important pour Umicore, d’autant plus qu’il se poursuivra jusqu’à l’industrialisation.

Kristof Dessein, directeur d’innovation chez Umicore

Ce type de projet ne serait pas possible sans l’aide de toutes ces personnes, dont plusieurs travaillent dans l’ombre. Le Pr Abderraouf Boucherif tient à les remercier pour leur apport unique. Voici une courte présentation de deux membres de l’équipe du projet PEELER.

Laurie Mouchel, étudiante au doctorat en génie mécanique au 3IT/LN2 

Les études doctorales de Laurie Mouchel, sous la direction du Pr Abderraouf Boucherif, s’inscrivent dans ce projet industriel et ont pour but de prendre part au développement et à l'innovation dans le domaine de l'énergie renouvelable. Son sujet de thèse favorise l'avancée et l'amélioration des cellules solaires afin d'augmenter leur efficacité tout en limitant les coûts de fabrication.

En travaillant sur une problématique autant environnementale qu'économique, je peux contribuer à générer un impact bénéfique pour notre futur. L’enjeu environnemental occupe une place très importante au 3IT. La capacité technologique de l'institut nous permet de mener à bien nos recherches. Collaborer avec le milieu industriel me permet d’exploiter concrètement les avancées réalisées au sein de notre équipe et de pouvoir acquérir une expertise précieuse pour la suite de ma carrière. »

Laurie Mouchel, étudiante au doctorat en génie mécanique au 3IT

Philippe-Olivier Provost, professionnel de recherche en ingénierie mécanique

Philippe-Olivier Provost est le concepteur mécanique de l’appareil qui fabrique les substrats. En 2020, il a développé la dernière version de l’appareil qui permet d’obtenir un traitement complet de la surface du substrat, ce qui était un enjeu majeur  pour la suite du projet.

J’ai été impliqué comme stagiaire il y a dix ans sur ce qui était la base du projet actuel. Je suis très fier du chemin parcouru, de l’ampleur et du rayonnement des travaux actuels. Ce succès est possible grâce au travail acharné de l’équipe actuelle et de tous ses anciens membres. C’est vraiment la démonstration que seul nous allons plus vite, mais qu’en équipe nous allons plus loin! 

Philippe-Olivier, professionnel de recherche au 3IT

À propos des partenaires

Stace

Saint-Augustin Canada Électrique inc., qui est située à St-Augustin, près de Québec, fabrique des barres blindées à phases isolées et de l’équipement auxiliaire depuis 1977. STACE conçoit et fabrique également des barres omnibus spécifiques au marché de l’énergie éolienne. Celles-ci se retrouvent dans plus de 10 000 tours en Amérique du Nord et du Sud, en Europe, en Afrique et en Asie. Depuis 2017, Stace conçoit, fabrique et installe des solutions complètes en énergie solaire classique et concentrée incluant le stockage d’énergie. Les ressources renouvelables sont une priorité chez STACE qui recherchent constamment des technologies socialement responsables qui réduisent l’impact environnemental.

Umicore

La division électrooptique d’Umicore crée des solutions matérielles pour les applications optiques et électroniques pour des clients du monde entier. La mégatendance de l'hyperconnectivité est au centre de leurs nouveaux développements de produits et services. Cette mégatendance est une combinaison de réseaux de communication omniprésents, de capteurs et d'intelligence artificielle, et qui créera de nouvelles possibilités et opportunités passionnantes dans la société.

IRL - LN2

Le Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes (LN2) est un laboratoire international de recherche (IRL) entre le Centre National français de la Recherche Scientifique (CNRS) et l'Université de Sherbrooke. Les tutelles du LN2 sont le CNRS, l’Université de Sherbrooke, l'Université Grenoble Alpes, l'INSA de Lyon et l'École Centrale de Lyon.