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Contrat Doctoral (H/F) - Cellules thermophotovoltaïques à superréseaux

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : lundi 27 septembre 2021

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Informations générales

Référence : UMR5214-JEAGAY-029
Lieu de travail : MONTPELLIER
Date de publication : lundi 6 septembre 2021
Nom du responsable scientifique : Rodolphe VAILLON
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 novembre 2021
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

La thèse se déroulera en trois étapes principales :
1. Modélisation TCAD (code de l'IES MXCAD) pour concevoir les architectures de cellules TPV à très bas gap à base de superréseaux InAs/InAsSb. Les rendements spectraux et de conversion seront les indicateurs de performance. En particulier, une réduction conjointe des pertes optiques, électriques et thermiques devront être considérées.
2. Fabrication des cellules conçues à l'étape 1 par épitaxie à jets moléculaires et procédés de salle blanche (dépôts et gravures).
3. Caractérisations (photoluminescence, diffraction de RX, microscopie MEB et AFM) des structures SR fabriquées par EJM et des composants photovoltaïques réalisés (caractéristiques électriques I-V à l'obscurité et sous éclairement, C-V en température, réponse spectrale). Analyse des résultats et proposition d'améliorations pour une nouvelle itération des étapes 1 à 3.
Trois lots de cellules seront élaborés par méthode itérative (répétitions des étapes 1 à 3).

Contexte de travail

Pour relever les défis posés par le changement climatique en liaison avec l'approvisionnement de l'humanité en énergie utilisable (sous forme électrique, par exemple) et décarbonée, des progrès substantiels doivent être réalisés pour convertir la chaleur directement en électricité. Une première raison est que la plupart des procédés de conversion d'énergie primaire sont inefficaces : ce qui n'est pas utilisé est transformé en chaleur (dite fatale) [Liv-21, ADE]. Une seconde raison provient de l'idée de stocker l'énergie, issue directement du soleil - voire même des surplus du réseau électrique - en chaleur à haute température [Dat-16, Amy-19]. De ce fait, cette énergie est disponible et utilisable à tout moment, en particulier quand les énergies solaire et éolienne sont inopérantes, ce qui de fait résout les problèmes d'intermittence.
Dans les deux cas, un élément essentiel de tels dispositifs est le convertisseur d'énergie thermique en énergie électrique. Parmi les options existantes, la conversion directe par effet photovoltaïque (PV) est une voie en plein renouveau [Dat-20, Cha-20]. Les cellules réalisant cette conversion sont dites thermophotovoltaïques (TPV), afin d'éviter toute confusion avec le photovoltaïque solaire, même si les principes de fonctionnement sont identiques.
A ce jour, le meilleur rendement de conversion d'une cellule thermophotovoltaïque, obtenu très récemment (publication dans la revue Nature en décembre 2020 [Fan-20]), est de 32%. C'est un résultat remarquable, sachant que les meilleures cellules solaires comparables, c.à.d. à jonction simple testées en laboratoire, ont un rendement de 30% [NREL]. Avec des jonctions multiples, en cours de développement, les seuils de 40 à 50% pourraient être dépassés très prochainement [Sch-20].
Les voies privilégiées pour développer ces cellules TPV à haut rendement concernent des configurations où la source d'énergie thermique (appelée émetteur) opère à des températures très élevées (> 1200 °C, jusqu'à environ 2100 °C). Mais des problèmes majeurs apparaissent, notamment de stabilité de ces émetteurs, et de pertes thermiques vers un environnement à température ambiante (quelques dizaines de °C). De ce fait, il faudrait pouvoir utiliser des émetteurs dont la température de fonctionnement est plus faible (de 700 à 1000 °C). Mais pour cela, les cellules TPV doivent pouvoir convertir un rayonnement dans une gamme de longueurs d'onde plus grandes dans l'infrarouge. Autrement dit, il faut développer de nouvelles cellules photovoltaïques à très bas gap (énergie de bande interdite), avec des matériaux qui sont habituellement utilisés pour les photodétecteurs infrarouges, et qui souvent doivent être refroidis à température cryogénique (~ 80 à 150 K).
Dans ce contexte, la thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet (LOW-GAP-TPV) financé par l'Agence Nationale de la recherche (ANR, https://anr.fr/) visant à proposer, fabriquer et évaluer de nouveaux matériaux et structures permettant la conversion thermophotovoltaïque à très bas gap (de 0,36 à 0,17 eV) de l'énergie thermique provenant de sources de chaleur de niveau moyen (< 1000 °C). Les principales exigences sont que la cellule photovoltaïque infrarouge doit pouvoir fonctionner à température ambiante et que les structures des cellules et de l'émetteur doivent être conçues de manière à maximiser les rendements spectraux et de conversion.
L'IES (Institut d'Electronique et des Systèmes, Univ Montpellier, CNRS) a une longue expertise de développement et de fabrication de photodétecteurs, notamment à base d'antimoine (Sb). Plus récemment, il a étendu cette expertise pour développer une cellule thermophotovoltaïque en antimoniure d'indium (InSb) à très bas gap qui a permis d'atteindre un rendement record de 14% en champ proche [Luc-21, Cak-19, LSA-21], mais avec une cellule refroidie à 80 K. Tout comme celle poursuivie pour faire fonctionner les photodétecteurs à plus haute température (projet ANR HOT-MWIR en cours [Zav-20, HOT-21]), la voie qui sera suivie dans la thèse est le développement de cellules photovoltaïques à base de superréseaux InAs/InAsSb. En associant les avantages des superréseaux de matériaux semiconducteurs, notamment d'ajustement de l'énergie du gap (entre celui de l'InSb à 0,17 eV et de l'InAs à 0,36 eV), avec ceux des nouvelles architectures à base d'ingénierie de bande, cette thèse aura pour objectif de fabriquer des cellules thermophotovoltaïques à base de superréseaux de type II InAs/InAsSb (T2SL pour Type-II Superlattice en Anglais). Les cellules seront fabriquées par épitaxie par jets moléculaires (EJM) et procédés de salle blanche (dépôts et gravures) et caractérisées avec des sources de rayonnement thermique à des températures allant de 700 à 1000 °C.

[ADE] Canal & Gerbaud, Etude de valorisation du stockage thermique et du power-to-heat, Rapport de l'ATEE et de l'ADEME, in French, 2016. https://www.connaissancedesenergies.org/etude-de-valorisation-du-stockage-thermique-et-du-power-heat-161205; La chaleur fatale, ADEME report, in French, 2017. https://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/chaleur_fatale-8821-2018-06_pdf.pdf
[Amy-19] Amy et al., Energy & Environmental Science, 2019. https://doi.org/10.1039/C8EE02341G
[Cak-19] Cakiroglu et al., Solar Energy Materials and Solar Cells, 2019. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2019.110190.
[Cha-20] Chapuis et al., Photoniques, 2020. https://doi.org/10.1051/photon/202010537
[Dat-16] Datas et al., Energy, 2016. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.04.048
[Dat-20] Datas & Vaillon, Thermophotovoltaic energy conversion, book chapter, Elsevier, 2020. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819955-8.00011-9
[Fan-20] Fan et al., Nature, 2020. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2717-7
[HOT-21] ANR project HOT-MWIR, 2018-2022. https://anr.fr/Project-ANR-18-CE24-0019
[Liv-21] Lawrence Livermore National Laboratory energy flow charts. https://flowcharts.llnl.gov/
[Luc-21] Lucchesi et al., Nano Letters, 2021. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04847
[LSA-21] La Science s'aMuse : De la conversion thermophotovoltaïque à la plateforme POMM, émission scientifique radiophonique co-produite par l'Université de Montpellier et Divergence FM, 2021. In French. https://www.umontpellier.fr/articles/la-science-samuse-de-la-conversion-thermophotovoltaique-a-la-plateforme-pomm
[NREL] Best Research-Cell Efficiency Chart, NREL, https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
[Sch-20] Schulte et al., J. Applied Phys., 2020. https://doi.org/10.1063/5.0024029
[Zav-20] Zavala-Moran et al., photonics, 2020. https://doi.org/10.3390/photonics7030076

Qualifications :
‐ Le travail de thèse comprendra une phase préliminaire de conception des cellules par la modélisation en utilisant les outils de simulation de l'IES (MXCAD), mais sera centré sur des réalisations technologiques de cellules TPV à SR et leur caractérisation. Des connaissances et savoir-faire en technologie des composants en salle blanche (photolithographie, gravure, métallisation) sont donc à acquérir dès le début de la thèse pour fabriquer les composants. Le doctorant effectuera les caractérisations (photoluminescence, diffraction de RX, microscopie MEB et AFM) des structures SR fabriquées par EJM et des composants photovoltaïques réalisés (caractéristiques électriques I-V à l'obscurité et sous éclairement, C-V en température, réponse spectrale). Un bon niveau en physique des semiconducteurs et des composants électroniques est requis pour les phases de conception des composants et d'analyse des résultats de caractérisation.
‐ Langue anglaise : B1 (cadre européen commun de référence pour les langues).

Contraintes et risques

‐ Utilisation de bâtis d'épitaxie par jets moléculaires.
‐ Fabrication de dispositifs de test à la Centrale de Technologie de l'Université de Montpellier (CTM).

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