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Phillip Dale effectue des recherches en physique et en science des matériaux, notamment sur les matériaux semi-conducteurs et leurs possibilités d’application dans l’industrie photovoltaïque.
Phillip Dale est arrivé au Luxembourg en 2008 et fut à vrai dire le premier chercheur universitaire financé par le programme ATTRACT du Fonds National de la Recherche. Son attachement au grand-duché fut évidemment indéniable, puisque ce Britannique d'origine décida de rester au Luxembourg même à l'issue du programme ATTRACT.
À la tête du Laboratory for Energy Materials (LEM), ce spécialiste en science des matériaux effectue des recherches en physique et en science des matériaux, notamment sur les matériaux semi-conducteurs et leurs possibilités d'application dans l'industrie photovoltaïque. En 2010, Phillip Dale a instauré une collaboration avec l'université de l'Utah (États-Unis) avec le soutien du programme de financement du FNR.
Le projet subventionné, LASER (Laser-annealing-of-semiconductor-electrodeposited-reactants ou recuit laser de réactifs semi-conducteurs électrodéposés), avait pour objectif d'améliorer la qualité et le processus de fabrication des cellules solaires en couches minces. Financé jusqu'à octobre 2013, Phillip Dale explique que la réussite de ce projet fut totale : « Notre groupe de chercheurs est le premier au monde à avoir raccourci le processus de synthèse des semi-conducteurs décisifs à moins d'une seconde. D'un point de vue industriel, cela signifie une production plus rapide et donc fondamentalement moins coûteuse. »
Un recuit par un laser à impulsions
Les cellules solaires en couches minces sont environ 100 fois plus fines que les cellules solaires traditionnelles à base de silicium. Leurs avantages résident essentiellement dans le fait que leur fabrication nécessite moins de matériaux semi-conducteurs et moins d'énergie. En ce qui concerne la synthèse des semi-conducteurs, les éléments (le plus souvent du cuivre, de l'indium et du sélénium) sont tout d'abord isolés sur un support par électrolyse. Ensuite, cette couche de précurseur est « recuite » dans une atmosphère saturée en vapeur de sélénium.
Les chercheurs luxembourgeois voulaient raccourcir la durée de ce processus également appelé recuit. Pour ce faire, ils ont exposé les semi-conducteurs aux rayons d'un laser à impulsions, une technique répandue à l'université de l'Utah qui a pu être appliquée au projet LASER de l'Université du Luxembourg. Cette méthode leur a permis d'atteindre une température extrêmement élevée de 800 à 900 °C et d'accélérer ainsi considérablement le recuit.
Pendant ce temps, dans l'Utah, Mike Scarpulla, spécialiste du recuit des matériaux semi-conducteurs à l'aide de lasers à impulsions, a effectué des recherches avec son équipe afin de déterminer la manière d'éliminer les défauts structurels et électroniques dans les semi-conducteurs déjà produits en ayant recours aux rayons lasers. « Cette méthode nous permet d'améliorer considérablement la qualité des semi-conducteurs tout en étant relativement simple », explique Phillip Dale.
Plus de pression pour une qualité accrue
Pour l'instant, le rendement de la transformation de la lumière du soleil en énergie est trop faible de 1,5 à 2 % à peu près pour envisager une production industrielle. C'est la raison pour laquelle les chercheurs de l'Utah et du Luxembourg prévoient donc de lancer un nouveau projet pour prolonger le premier. Ils souhaitent en premier lieu effectuer des recherches afin d'optimiser le taux de rendement. « Nous savons précisément ce que nous devons faire pour y remédier. Il nous faut seulement réaliser des essais », précise Phillip Dale. L'une des idées des chercheurs consiste à augmenter la pression de la vapeur de sélénium durant le recuit. De premiers essais ont démontré que les semi-conducteurs sont de meilleure qualité lorsque la pression de la vapeur est supérieure.
Phillip Dale dit que d'un point de vue purement scientifique, il a appris beaucoup de ce projet. Il a notamment trouvé particulièrement enrichissant de collaborer avec des chercheurs issus d'une culture différente : « Nos collègues américains ont un tout autre regard sur la manière de procéder. J'ai trouvé cela absolument passionnant », déclare-t-il.
Auteur: Hannes Schlender/scienceRELATIONS
Photo: scienceRELATIONS
