Elaboration et conception des dispositifs de la récupération d’énergie à base de nanofils de ZnO et de microfibres de PVDF-TrFE

Development and design of energy harvesting devices based on ZnO nanowires & PVDF-TrFE microfibers

• Auteur / Autrice : Linda Serairi
• Direction : Yamin Leprince-Wang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 23/05/2017
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes - Electronique- Systèmes de communication et Microsystèmes / ESYCOM
• Jury : Président / Présidente : Skandar Basrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yamin Leprince-Wang, Noëlle Gogneau, Guylaine Poulin-Vittrant, Philipe Basset
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Elie Lefeuvre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Générateurs électriques

Piézoélectricité

Oxyde de zinc

Nanofils

Mots clés libres

Recupération d'énergie

Micro et nanogenerateurs

Nanofils ZnO

PVDF-TrFE

Electrospinnig

Energy harvesting

Micro and nanogenerator

ZnO nanowires

PVDF-TrFE

Electrospinnig

Résumé

Le développement des énergies renouvelables peut non seulement compenser le manque d'énergie fossile à l'avenir, mais aussi sauver notre planète en réduisant la pollution par les émissions de CO2. Les matériaux piézoélectriques ont la capacité de convertir les mouvements mécaniques environnementaux en énergie électrique. Dans le cadre de cette thèse, deux types de matériaux piézoélectriques ont été étudiés pour la récupération d’énergie : les nanofils de ZnO et les microfibres de PVDF-TrFE. L’objectif ultime de cette thèse est de réaliser les dispositifs de la récupération d’énergie à faible coût pour rendre les capteurs autonomes.Au cours de la dernière décennie, les nanofils de ZnO ont suscité un grand intérêt dans le domaine de la recherche en raison de leurs multifonctionnalités avec un grand potentiel d’applications dans les différents domaines (récupération d’énergie par effet piézoélectrique et photovoltaïque, capteurs biologiques & chimiques, dépollution de l’eau & de l’air par effet photocatalytique, …). Le PVDF-TrFE est un polymère attrayant dans les applications de la récupération d'énergie en raison de ses propriétés piézoélectriques, son faible coût et sa grande flexibilité mécanique.Dans ce travail, deux méthodes de synthèse ont été employées pour obtenir les micro- & nanomatériaux piézoélectriques : Hydrothermale pour les réseaux verticaux des nanofils de ZnO et Electrospinning pour les microfibres de PVDF-TrFE. Les conditions de synthèse ont été optimisées afin d’obtenir les échantillons adéquats aux applications envisagées. Ensuite, deux types de dispositifs de la récupération d’énergie ont été fabriqués. Dans un premier temps, nous avons conçu des microgénérateurs (MGs) à base des microfibres de PVDF-TrFE déposées sur le substrat Kapton. Ces MGs flexibles basés sur l’effet piézoélectrique direct permettant la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique à basse fréquence de l’ordre d’hertz. Le second type de nanogénérateurs (NGs) est basé sur des nanofils verticaux de ZnO sur le substrat en silicium. Les tests de la récupération d’énergie ont été réalisés dans une gamme de fréquences de quelques centaines d’hertz pour l’application aéronautique

Development of renewable energy can not only compensate for the lack of fossil energy in the future, but also save our planet by reducing CO2 emission pollution. Piezoelectric materials have the ability to convert environmental mechanical movements into electrical energy. In this thesis, two types of piezoelectric materials have been studied for energy harvesting: ZnO nanowires and PVDF-TrFE microfibers. The ultimate goal of this thesis is to realize the low cost energy harvesting devices for self-powered sensors.Over the past decade, ZnO nanowires had attracted a great interest in the research field due to their multifunctionality with a great potential in the various applications (energy harvesting by piezoelectric and photovoltaic effect, bio & chemical sensors, water & air purification by photocatalytic effect ...). PVDF-TrFE is also an attractive polymer in energy harvesting due to its piezoelectric properties, high mechanical flexibility, and also for its low cost.In this work, two synthesis methods have been used to obtain the piezoelectric micro- & nanomaterials: Hydrothermal for the ZnO nanowire arrays and Electrospinning for the PVDF-TrFE microfibers. The synthesis conditions have been optimized in order to obtain the suitable samples for the applications. Then, two types of energy harvesting devices were manufactured. First, we realized the microgenerators (MGs) based on the PVDF-TrFE microfibers deposited on the Kapton substrate. These flexible MGs based on the direct piezoelectric effect allowing the conversion of mechanical energy into electrical energy at low frequency of the order of hertz. The second type of nanogenerators (NGs) is based on ZnO nanowire array on the silicon substrate. The energy harvesting tests were carried out in a frequency range of a few hundred hertz for the aeronautical application