Chahinaz Mahboub : préserver les matériaux critiques tout en révolutionnant l'énergie solaire spatiale

Chahinaz Khouloud Mahboub, étudiante au doctorat, nous partage son cheminement, de sa formation d'ingénieure en Algérie à ses recherches de pointe au LN2 sur des nanomatériaux pour l'énergie solaire spatiale. Son histoire est celle d'une passion pour la science des matériaux qui l'a menée de l'École Nationale Polytechnique d'Alger jusqu'aux salles blanches du 3IT.nano, au sein de l'Institut interdisciplinaire d'innovation technologique (3IT) à l’Université de Sherbrooke.

Un parcours guidé par la curiosité

Originaire d'Algérie, Chahinaz décrit son parcours initial comme celui d'une élève perfectionniste, touchant à tout avec un esprit compétitif. Si ses excellents résultats scolaires la prédestinaient, selon les stéréotypes ambiants, à une carrière en médecine, son intuition la guidait déjà ailleurs. Elle sentait un attrait plus marqué pour les domaines techniques, la physique et les mathématiques.

Ce penchant se confirme durant ses deux années de classes préparatoires à l'École Nationale Polytechnique d'Alger. Cette période lui permet d'explorer un large éventail de spécialités. C'est là qu'elle découvre son affinité pour la physique, la chimie expérimentale et, surtout, la science des matériaux. L'idée de pouvoir plonger profondément dans la structure nanométrique de la matière pour en comprendre le comportement macroscopique la fascine.

Contre les conseils qui la poussaient vers des filières jugées plus « porteuses » comme l'électronique, elle choisit avec conviction le génie des matériaux. Son projet de fin d'études sur les matériaux composites pour l'aéronautique ancre définitivement sa passion. « J'ai compris que les matériaux, c'est partout! On peut innover dans tous les domaines en utilisant les matériaux », explique-t-elle.

Le saut vers Sherbrooke : une transition vers la recherche appliquée

Après avoir obtenu son diplôme d’ingénieure, Chahinaz constate à quel point sa solide formation à l’École Nationale Polytechnique d’Alger lui a permis de développer une soif de recherche et d’innovation. Désireuse d’approfondir son expertise dans un environnement doté d’infrastructures de pointe et de s’ouvrir à de nouveaux horizons, elle envisage alors la possibilité de poursuivre ses études à l’international. Inspirée par le parcours d’un proche ayant étudié à l’Université de Sherbrooke, elle oriente naturellement ses démarches vers le Québec, convaincue que cette expérience enrichira ses compétences et sa vision scientifique.

Elle adopte une démarche proactive en contactant plusieurs professeurs dont les travaux l’intéressent. Le Pr Abderraouf Boucherif, spécialiste des matériaux pour les nanomembranes de semi-conducteurs utilisés dans divers domaines tels que l’énergie, l’optoélectronique, entre autres, lui répond favorablement.

Arrivée à Sherbrooke en 2023 pour une maîtrise, elle est rapidement encouragée par le Pr Boucherif, qui décèle son potentiel, à poursuivre directement au doctorat.

Au cœur de l'innovation : des matériaux pour l'énergie solaire spatiale

Le projet de doctorat de Chahinaz est à la croisée de la recherche académique et des besoins industriels, mené en collaboration avec la Chaire de recherche Umicore en nanomatériaux et nanomembranes flexibles. Son objectif? Développer des cellules solaires flexibles de nouvelle génération en coopération avec les agences spéciales canadiennes et européenne.

Son travail se concentre sur la croissance épitaxiale de couches minces sur des substrats de germanium. Il s'agit d'un procédé de dépôt hautement ordonné, essentiel pour obtenir les performances électroniques et optoélectroniques requises. L'un de ses plus grands défis, et aussi l'une de ses fiertés, a été de calibrer et de maîtriser un nouvel équipement de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) au 3IT, développant ainsi son expertise en parallèle de celle de la machine.

Le projet revêt une dimension cruciale de développement durable et d'innovation responsable. Le germanium est un matériau critique, rare et coûteux. L'approche développée par son groupe de recherche, nommée PEELER (Porous Efficient Epitaxial Layer Release), permet de faire croître une couche mince de haute qualité, de la détacher, puis de réutiliser le précieux substrat de germanium plusieurs fois.

« D'une pierre deux coups », comme elle le résume, cette méthode permet non seulement de concevoir des cellules solaires plus légères – un atout majeur pour réduire les coûts de lancement des satellites – mais aussi d'économiser une ressource stratégique. La finalité est ambitieuse : capter l'énergie solaire directement depuis l'espace, où le rendement est bien supérieur, pour ensuite la transmettre sur Terre. Un projet fascinant, mené en collaboration avec l'Agence spatiale européenne (ESA), qui vise à faire passer cette technologie du stade de prototype à un processus industrialisable.

Lors de la Journée scientifique du 3iT.Nano, l’affiche scientifique de Chahinaz a été récompensées du 3^e prix.

Croissance de nanomenbrane de Ge monocristalline et détachable sur substrat de Ge mésoporeux par RPCVD pour des applications photovoltaïques spatiales durables

Objectifs

L'objectif principal est de surmonter les contraintes liées à l'utilisation de substrats de germanium (Ge) massifs, qui sont lourds, coûteux et non réutilisables dans la fabrication actuelle des cellules solaires spatiales. Pour ce faire, les travaux visent à :

• Adapter une méthode de fabrication innovante : Transposer le procédé PEELER (qui permet de décoller une fine couche de matériau) d'une technique de laboratoire lente (MBE) à une méthode de production industrielle rapide et à grand volume (CVD - Dépôt chimique en phase vapeur).
• Optimiser la croissance du matériau : Étudier les conditions du procédé CVD pour faire croître une nanomembrane de germanium de très haute qualité (monocristalline) sur un substrat de germanium rendu poreux en surface.
• Accélérer la production : Obtenir une nanomembrane de germanium détachable avec un taux de croissance significativement plus élevé que les méthodes existantes, afin de répondre aux besoins de l'industrie.

Méthodes

La méthodologie se déroule en deux étapes clés :

• Préparation du substrat : Un substrat de germanium standard est traité par une technique de gravure électrochimique (Bipolar Electrochemical Etching - BEE) pour créer une fine couche de surface mésoporeuse. Cette couche poreuse agit comme une zone de « fracture » prédéfinie qui permettra de détacher la future membrane.
• Croissance de la nanomembrane par CVD : Une nanomembrane de germanium est ensuite déposée sur ce substrat poreux. Le processus de croissance est lui-même divisé en deux phases
• Une première couche tampon est déposée à basse température pour assurer une nucléation parfaite et une croissance 2D.
• La membrane est ensuite épaissie à haute température pour accélérer le processus, en utilisant un autre précurseur chimique (GeH₄).

Résultats

Les travaux ont abouti à des résultats très concluants qui valident l'approche :

• Validation du procédé : La faisabilité de faire croître une nanomembrane de germanium détachable via la méthode industrielle CVD a été démontrée avec succès.
• Qualité de la membrane : La nanomembrane de germanium obtenue est monocristalline et présente une surface très lisse (rugosité de 1.3 nm RMS), ce qui est une condition essentielle pour la fabrication de cellules solaires à haute performance.
• Amélioration de la vitesse : Le taux de croissance obtenu atteint déjà 2 µm/heure, soit une amélioration par un facteur de quatre par rapport à la technique MBE de référence (0,5 µm/heure). Cependant, le potentiel de cette méthode est beaucoup plus élevé : les résultats préliminaires laissent entrevoir la possibilité d’atteindre des vitesses de croissance encore supérieures, ouvrant la porte à une production véritablement industrielle et rapide des nanomembranes de germanium.

En conclusion, Chahinaz a démontré le potentiel d'industrialisation de la méthode CVD pour produire des nanomembranes de germanium de haute qualité, ouvrant la voie à la fabrication de cellules solaires spatiales plus légères, flexibles et produites de manière durable grâce à la réutilisation des coûteux substrats de germanium.

Vision d'avenir

À mi-chemin de son doctorat, Chahinaz se voit poursuivre dans la recherche et développement en milieu industriel, attirée par la satisfaction de voir un projet de recherche se concrétiser en un produit fini. Si elle envisage de continuer à développer ses compétences à l'étranger, elle garde en tête la possibilité, un jour, de ramener son expertise sur le contiennent africain, où le potentiel solaire est immense.