Conception et optimisation d'émetteurs sélectifs pour applications thermophotovoltaïques

par Elyes Nefzaoui

Thèse de doctorat en Mécanique des milieux fluides et énergie, thermique et combustion

Sous la direction de Karl Joulain et de Jérémie Drevillon.

Le président du jury était Jean-Bernard Saulnier.

Le jury était composé de Karl Joulain, Jérémie Drevillon, Philippe Ben-Abdallah, Alain Dollet.

Les rapporteurs étaient Jean-Jacques Greffet, Jean-François Guillemoles.


  • Résumé

    Le thermo-photovoltaïque (TPV), conversion du rayonnement thermique par des cellules photovoltaïques (PV), est un dispositif qui a suscité un intérêt croissant depuis deux décennies, notamment pour son efficacité supérieure à celle de la conversion photovoltaïque classique. Ceci est essentiellement dû à l'accord entre le spectre du rayonnement de la source thermique et le spectre de conversion de la cellule PV. Les rendements maximaux sont obtenus pour des sources thermiques cohérentes, émettant dans une gamme spectrale étroite, énergétiquement au-dessus de l'énergie de la bande interdite de la cellule PV. On propose dans ce travail d'appliquer une méthode d'optimisation stochastique, en l'occurrence l'optimisation par essaims de particules, pour concevoir et optimiser de telles sources. On aboutit alors à des structures unidimensionnelles simples, à base de films minces de diélectriques, métaux et de semi-conducteurs. Les propriétés radiatives de ces sources, stables pour des températures allant jusqu'à 1000 K, sont aisément contrôlables à l'aide de paramètres simples comme les épaisseurs des films ou la concentration de dopage. Finalement, on propose une étude d'optimisation paramétrique des propriétés optiques des matériaux susceptibles de maximiser l'échange radiatif en champ proche entre deux milieux plans semi-infinis. Cette étude aboutit à un outil pratique, sous forme d'abaques, permettant de guider le choix des matériaux pertinents afin de maximiser les puissances au même temps que l'efficacité des systèmes TPV nanométriques.

  • Titre traduit

    Coherent thermal sources Design and optimization of thermophotovoltaic applications


  • Résumé

    Thermo-photovoltaic conversion of thermal radiation is a concept that has been thoroughly investigated during the two last decades because of its high efficiency when compared to classical photovoltaics (PV). These high performances are mainly due to the good-matching between the thermal source radiation spectrum and the PV cell conversion spectrum. Maximal efficiencies areobtained with coherent sources that emit in narrow spectral bands, just above the band gap energy of the cell. In this report, a stochastic method to design and optimize such sources, the particle swarm optimization in this case, is firstly presented. This method leads to simple one-dimensional structures, composed of thin films of dielectrics, metals and semiconductors. The radiativeproperties of these sources are easily tunable with control parameters as simple as films thicknesses and doping concentrations. They are stable at high temperatures up to 1000 K. Second, a parametric optimization study of usual materials optical properties models (Drude and Lorentz) is presented in order to maximize radiative heat transfer between semi-infinite planes separated by nanometric gaps. This leads to a simple tool in the form of abacuses which would guide the choice of relevant materials to maximize the output power of nano thermo-photovoltaic devices.


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