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CDD Doctorant : Conception d'émetteurs thermiques sélectifs en longueur d'onde pour la conversion thermophotovoltaïque à très bas gap (H/F)

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

Date Limite Candidature : mercredi 6 juillet 2022

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Informations générales

Référence : UPR3346-NADMAA-066
Lieu de travail : POITIERS
Date de publication : mercredi 15 juin 2022
Nom du responsable scientifique : Jérémie DREVILLON - Franck ENGUEHARD
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 septembre 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Le CNRS, au sein de l'Institut Pprime, sur le site du Campus, dans le cadre du projet de recherche ANR LOW-GAP-TPV, recrute un(e) doctorant(e) qui réalisera une thèse sur la conception d'émetteurs thermiques sélectifs en longueur d'onde pour la conversion thermophotovoltaïque à très bas gap.

Le travail de thèse portera essentiellement sur la conception, le design et l'optimisation des propriétés radiatives de l'émetteur thermique, notamment en termes de spectre d'émission. Le premier objectif sera de proposer de nouveaux matériaux et structures pour l'émetteur permettant une conversion efficace de l'énergie TPV avec des températures d'émetteur comprises entre 700 et 1000 °C. L'équipe TNR dispose de plusieurs codes de calcul pour réaliser cet objectif.
Des compétences en électromagnétisme, transfert de chaleur surtout radiatif, calcul numérique et programmation seront nécessaires. Le(a) candidat(e) sera formé(e) à l'utilisation des codes de calcul déjà utilisés dans l'équipe TNR. Des connaissances en optique et physique des matériaux seront très appréciées.
Une fois la ou les structures des émetteurs identifiées, ils seront fabriqués (techniques de dépôt de couches minces et de nanostructuration de surface) et le travail de thèse portera alors sur la caractérisation des propriétés optiques et thermiques de ces émetteurs. L'Institut Pprime dispose pour cela d'un banc de mesure d'ellipsométrie visible et IR de pointe avec un cryostat et une platine chauffante (4 - 800 K). Le doctorant sera formé à l'utilisation de ces bancs de mesure.

* Objectif scientifique :
L'objectif de la thèse est d'étudier des émetteurs radiatifs sélectifs en longueur d'onde afin d'optimiser la conversion thermoélectrique par des cellules thermophotovoltaïques à très bas gap (de 0,36 à 0,17 eV) et à base de superréseaux InAs/InAsSb. Il s'agit de pouvoir convertir l'énergie thermique (chaleur perdue ou stockée disponible sous forme radiative) provenant de sources de chaleur de niveau moyen (< 1000 °C) en électricité. Il faudra pour cela proposer un émetteur thermique dont le spectre d'émission soit adapté à celui de conversion de la cellule photovoltaïque infrarouge. Une grande partie du travail de thèse portera sur la réalisation de simulations numériques des propriétés radiatives de métamatériaux (empilements de couches minces, réseaux de surface, …) puis, après fabrication de ces émetteurs radiatifs sélectifs, de les caractériser optiquement et thermiquement (ellipsométrie et spectroscopie infrarouge).

* Contexte scientifique :
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 concevoir des émetteurs dont la température de fonctionnement est plus faible (de 700 à 1000 °C). Il faut aussi que les cellules TPV puissent 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 visant à proposer, fabriquer et évaluer de nouveaux matériaux et structures permettant la conversion thermophotovoltaïque à


Dans ce contexte, la thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet (LOW-GAP-TPV) financé par l'Agence Nationale de la Recherche 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).

Ce travail de recherche se fera au sein de l'équipe TNR (Transfert de chaleur aux Nanoéchelles et Rayonnement) en collaboration avec l'équipe PPNa (Physique et Propriétés des Nanostructures) de l'Institut Pprime. L'équipe TNR a une grande expertise dans la conception de matériaux micro et nanostructurés aux propriétés spectralement sélectives, tels que les émetteurs pour dispositifs TPV (projet ANR SOURCES-TPV, 2010-2013 [SOU-13]), et des refroidisseurs radiatifs passifs (projet ANR JCJC RADCOOL 2017-2021 [RAD-21]). Le groupe a également une solide réputation dans la modélisation du transfert de chaleur couplé dans des systèmes avec des éléments de taille micro-nano, et est équipé d'une configuration d'ellipsométrie visible et IR de pointe avec un cryostat et une platine chauffante (4 - 800 K), nécessaire pour le projet.

*Références :
[ADE] Canal & Gerbaud, rapport de l'ATEE et de l'ADEME, in French, 2016. La chaleur fatale, ADEME report, in french, 2017.
[Amy-19] Amy et al., Energy & environmental Science, 2019.
[Cha-20] Chapuis et al., Photoniques, 2020.
[Dat-16] Datas et al., Energy, 2016.
[Dat-20] Datas & Vaillon, Thermophotovoltaic energy conversion, book chapter, Elsevier, 2020.
[Fan-20] Fan et al., Nature, 2020.
[NREL] Best Research-Cell Efficiency Chart, NREL.
[RAD-21] ANR Project RADCOOL 2017-2021.
[Sch-20] Schulte et al., Applied Phys., 2020.
[SOU-13] ANR Project SOURCES-TPV.

Contexte de travail

Le(a) doctorant(e) sera basé(e) à l'Institut Pprime dans les locaux de l'Université de Poitiers.

Contraintes et risques

Des déplacement de courte durée en France et à l'étranger sont à prévoir.

Informations complémentaires

Le(la) candidat(e) devra être titulaire d'un Master 2.
Des compétences en électromagnétisme, transfert de chaleur surtout radiatif, calcul numérique et programmation seront nécessaires. L'étudiant(e) sera formé(e) à l'utilisation des codes de calcul déjà utilisés dans l'équipe TNR.
Des connaissances en optique et physique des matériaux seront très appréciées.
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Le (la) doctorant(e) sera inscrit(e) à l'école doctorale SIMME à l'Université de Poitiers.

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