Design de réseaux apériodiques et des interactions électromagnétiques coopératives dans des structures plasmoniques : application à la conception d’absorbeurs pour le solaire concentré

Design of aperiodic networks and cooperative electromagnetic interactions in plasmonic structures : application to the design of absorbers for concentrated solar power.

• Auteur / Autrice : Mathieu Langlais
• Direction : Philippe Ben-Abdallah
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2014
• Etablissement(s) : Palaiseau, Institut d'optique théorique et appliquée
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Naphel
• Jury : Président / Présidente : Didier Felbacq
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Henri Benisty
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Flamant, Karl Joulain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanophotonique

Lumière -- Absorption

Énergie solaire

Mots clés libres

Energie solaire concentrée

Absorbeurs

Multicouches

Nanoparticules

Effets coopératifs

Interactions

Concentrated Solar Power

Absorbers

Multilayer

Nanoparticles

Cooperative effects

Interactions

Résumé

La situation énergétique actuelle impose le développement de technologies qui utilisent des énergies renouvelables pour limiter la dépendance aux ressources fossiles et diminuer l’impact de l’activité humaine sur le changement climatique. Parmi ces technologies, le solaire thermodynamique utilise l’énergie solaire pour chauffer un absorbeur, l’énergie de cet absorbeur étant alors convertie en électricité à travers un cycle thermodynamique classique. L’amélioration des performances de cette technologie passe par la conception d’absorbeurs capables de fonctionner efficacement à haute température. Dans ce travail de thèse, nous explorons deux voies différentes dans ce but.La première est basée sur la conception de structures multicouches optimisées par algorithme génétique. Nous montrons que ces structures permettent d’obtenir un rendement supérieur à 80 %, valeur très proche des limites fondamentales, démontrant ainsi leur fort potentiel pour le solaire thermodynamique.La seconde voie est basée sur l’optimisation des interactions électromagnétiques dans des structures plasmoniques à base de nanoparticules métalliques. Ces structures sont le siège d’effets coopératifs qui peuvent exalter très fortement les pertes dans la structure. Ces mécanismes sont mis à profit pour concevoir des absorbeurs à base de réseaux binaires de nanoparticules d’or et d’argent dispersées dans une matrice transparente.

The current energy situation requires the development of technologies that use renewable energy sources to reduce the dependence on fossil fuels and the impact of human activity on climate change. Among these technologies, thermodynamic solar power uses solar energy to heat an absorber, whose heat is then converted into electricity through a classical thermodynamic cycle. The improvement of the performances of this technology requires the design of absorbers able to operate strongly at high temperature. In this thesis, we explore two different ways for this purpose.The first is based on the design of multilayer structures optimized by a genetic algorithm.We will see that these structures lead to an efficiency higher than 80 %, very close to the fundamental limits, demonstrating so their strong potential for thermodynamic solar technology. The second way is based on the optimization of electromagnetic interactions inside plasmonic nanostructures composed of metal nanoparticles. These structures are the site of cooperative effects between nanoparticles that can exalt strongly losses inside the structure. These mechanisms are exploited to design absorbers based on binary networks made with nanoparticles of gold and silver dispersed in a transparent matrix.