Description
1. De nouveaux matériaux pour résoudre les défis énergétiques du 21e siècle
Les progrès technologiques des dernières décennies ont mené à des gains importants dans toutes les sphères d’activité humaine. Malheureusement, ces progrès sont menacés par une dépendance trop importante à des sources d’énergie non renouvelables, polluantes et contribuant significativement aux changements climatiques. Scientifiques et ingénieurs doivent impérativement résoudre les défis énergétiques et environnementaux auxquels nous sommes actuellement confrontés à l’aide de sources d’énergie propres et abondantes. La conversion de l’énergie solaire ou thermoélectrique en électricité est au coeur de la solution à ces problèmes énergétiques et environnementaux. Cependant, malgré des décennies d’intenses efforts de recherche, les performances des dispositifs photovoltaïques et thermoélectriques demeurent inférieures à nos attentes et ces technologies ont eu jusqu’à présent un impact modeste. Un des grands défis scientifiques du 21e siècle consiste à développer les matériaux qui permettront de lever les verrous limitant l’efficacité de la conversion. Développement durable oblige, ces matériaux doivent aussi être abondants et leurs technologies, de l’extraction jusqu’à la revalorisation, doivent avoir une empreinte environnementale minimale.
2. Le phosphore noir : un nouveau matériau pour la production et la récupération d’énergie
Le phosphore noir est constitué d’un empilement de feuillets monoatomiques faiblement liés les uns aux autres. Lorsque l’échantillon est composé de seulement quelques feuillets, il devient ce qu’on appelle un matériau 2D semi-conducteur. À l’instar du graphène découvert il y a une dizaine d’années, les semi-conducteurs 2D ouvrent de nouvelles opportunités pour des avancées majeures voire même perturbatrices, car de nouvelles propriétés jamais observées émergent à ces épaisseurs atomiques. Les feuillets mono-atomiques de phosphore noir n’ont été synthétisés pour la première fois qu’en 2014-2015. À ce jour, les travaux montrent des avantages uniques pour la fabrication de dispositifs photovoltaïques et thermoélectriques plus performants. Ces avantages incluent un gap direct accordable sur une large fraction du spectre solaire, des mobilités des électrons et trous élevées, un coefficient Seebeck important et une anisotropie cristalline favorable à l’efficacité thermoélectrique.
Nous proposons pour ce projet de développer le phosphore noir pour la conception de dispositifs de conversion de l’énergie. Les objectifs stratégiques du projet sont de développer des techniques de croissance et de dopage du phosphore noir, de le caractériser et d’optimiser ses propriétés pour la fabrication de dispositifs.
3. Une équipe forte avec un historique de collaborations fructueuses
Notre équipe est composée de 4 chercheurs de renommée internationale (2 de Poly, 1 de l’U de Montréal et 1 de McGill) avec des expertises complémentaires dans le développement des nouveaux matériaux. Nous collaborons étroitement depuis plusieurs années et nos travaux conjoints ont été publiés dans des journaux prestigieux tels que Nat. Materials, Nat. Photonics, Nat. Comm. et NanoLetters. Nous avons déposé plusieurs demandes de brevets et nous avons réalisé plusieurs transferts technologiques vers l’industrie. Ces réalisations démontrent notre capacité à entreprendre des défis scientifiques de grande envergure et à effectuer des contributions ayant des impacts significatifs.
4. Bénéfices escomptés pour la société
Nous proposons une solution innovatrice et encore inexplorée à un problème scientifique important. Si l’impact à long terme du phosphore noir sur les technologies de conversion de l’énergie reste à être démontré, les gains potentiels sont tels qu’il est impératif d’étudier en détail les opportunités offertes par ce nouveau matériau. En effet, un gain d’efficacité dans l’opération des technologies photovoltaïque et thermoélectrique aurait un impact majeur sur plusieurs enjeux de sociétés comme l’électrification des transports, la dépendance aux énergies fossiles et les changements climatiques.
Équipe de recherche
Sébastien Francoeur – Génie physique, Polytechnique (chercheur principal)
Richard Martel – Chimie, Université de Montréal
Oussama Moutanabbir – Génie physique, Polytechnique
Thomas Szkopek – Génie électrique, Université McGill