Thermal radiation at the nanoscale : Near-field and interference effects in few-layer structures and on the electrical performances of thermophotovoltaic devices

par Etienne Blandre

Thèse de doctorat en Thermique et énergétique

Sous la direction de Pierre-Olivier Chapuis et de Rodolphe Vaillon.

Soutenue le 14-10-2016

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) et de Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL (laboratoire) .

Le président du jury était Thierry Taliercio.

Le jury était composé de Pierre-Olivier Chapuis, Rodolphe Vaillon, Thierry Taliercio, Karl Joulain, Miguel Rubi, Myriam Paire.

Les rapporteurs étaient Karl Joulain, Miguel Rubi.

  • Titre traduit

    Rayonnement thermique à l’échelle nanométrique : Effets de champ proche et d’interférences dans les structures multicouches et sur les performances électriques des cellules thermophotovoltaïques


  • Résumé

    Ce manuscrit traite du rayonnement thermique à l’échelle nanométrique et du contrôle de l’échange d’énergie radiative entre deux corps, afin d’augmenter les performances de conversion énergétique des systèmes thermophotovoltaïques (TPV). Les bases du rayonnement thermique et de la conversion photovoltaïque sont tout d’abord rappelées. Les flux rayonnés par des émetteurs multicouches supportant des phénomènes d’interférence sont ensuite calculés numériquement. Ces phénomènes permettent de contrôler le spectre d’émission et donc l’optimisation d’un émetteur sélectif pour des applications TPV. Il s’avère important de prendre en compte l’évolution en température des propriétés optiques des matériaux constituant l’émetteur. Il est démontré que le contrôle des phénomènes d’interférences au sein des structures multicouches sur substrat métallique permet d’obtenir des émissivités spectrale et totale hémisphérique 20 fois supérieures à celles du substrat seul. Le chapitre suivant est dédié au rayonnement thermique en champ proche entre un émetteur semi-infini et une couche mince. Cette configuration est proche d’un système TPV, où l’émetteur semi-infini peut être assimilé au corps rayonnant, et le film à une cellule PV. Différent phénomènes sont analysés : le comportement des résonances de polaritons de surface, l’absorption spatiale de la puissance radiative en champ proche et les phénomènes d’interférences dans le régime de transition champ proche-champ lointain. Ces phénomènes peuvent être mis à profit pour la conception de spectres optimisés. Dans le dernier chapitre, les performances de systèmes TPV en champ proche (TPV-CP) sont simulées numériquement à l’aide d’un code couplé transport des charges-rayonnement. Les modèles basés sur l’hypothèse de faible injection utilisés généralement pour simplifier le problème du transport des charges électriques dans la cellule PV sont évalués en détails. Différentes architectures de cellules permettant d’optimiser les performances du système sont présentées en conclusion. Ces travaux offrent un nouvel éclairage sur le rayonnement des structures multicouches et leur application à la conversion thermophotovoltaïque.


  • Résumé

    This thesis deals with thermal radiation at nanoscale in order to increase the energy conversion performances of thermophotovoltaic systems (TPV) The basics of thermal radiation and of photovoltaic energy conversion are recalled first. The flux radiated by few-layers emitters supporting interference phenomena are then calculated numerically. These phenomena allows controlling the emission spectrum, and thus the optimization of a selective emitter for TPV application. The next chapter is dedicated to near-field thermal radiation between a semi-infinite emitter and a flat film. This configuration is close to a TPV system, where the semi-infinite emitter can be related to the radiating body, and the film to the photovoltaic device. Different phenomena are analyzed: the behavior of the surface polariton resonances, the spatiale absorption of the radiative power and the interference phenomena in the near-to-far field transition regime. These phenomena can be used to design optimal spectra. In the last chapter, the performances of TPV system under near-field regime (NFR-TPV) are numerically simulated with a coupled charge transport/thermal radiation code. The models based on the low-injection approximation commonly used to simplify the charge transport problem inside the PV device are evaluated in details. Several cell architectures optimizing the performances of the system are then presented. All these results shed new light on thermal radiation of multilayers and their application to thermophotovoltaic conversion.


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