(Nano)composites en revêtement déposés par technologie plasma pour la conversion de l'énergie solaire

(Nano)composites coatings manufactured by plasma technology for solar energy conversion

• Auteur / Autrice : Danielle Ngoue
• Direction : Laurent Thomas, Audrey Soum-Glaude
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 19/05/2021
• Etablissement(s) : Perpignan
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie environnement (Perpignan)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire (Perpignan)
• Jury : Président / Présidente : Françoise Massines
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Françoise Massines, Christelle Tixier, Patrice Raynaud, Sébastien Quoizola, Antoine Goullet, Laurent Dubost
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christelle Tixier, Patrice Raynaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Technique des plasmas

Composites

Cermets

Revêtements

Capteurs solaires

Conversion photovoltaïque

Mots clés libres

Absorbeurs solaires

Procédés plasma

Composites

Multicouches

Solar absorbers

Plasma processes

Composites

Multilayers

Résumé

La conversion de l’énergie solaire en chaleur se fait dans les centrales solaires à concentration grâce aux récepteurs. Ceux-ci permettent de chauffer un fluide de transfert jusqu’à des températures supérieures à 500°C en fonction du type de centrale. Afin d’améliorer leurs rendements, les récepteurs sont généralement recouverts de couches absorbantes. Pour ces travaux, l’objectif était de développer des revêtements à base de composites céramique-métal (cermets), présentant une bonne stabilité thermique et de bonnes propriétés optiques, avec une forte absorptance dans la gamme solaire (visible et proche infrarouge) et une émittance thermique faible (infrarouge). L’élaboration des cermets, composés d’une matrice SiC:H avec des inclusions métalliques de W, dans des empilements ou en monocouches, a été envisagée à partir de trois méthodes : i) le recuit de multibicouches W/SiC:H, la pulvérisation réactive magnétron radiofréquence ii) sans (RF) et iii) avec (RF/micro-ondes) assistance de sources micro-ondes ECR. Pour chacune de ces méthodes, ont été réalisés : des simulations optiques pour étudier et optimiser le design des structures, une étude du procédé (réalisation et caractérisation des revêtements), et des recuits à 500°C sous air afin d’étudier la stabilité thermique des revêtements réalisés. La caractérisation optique des revêtements obtenus montre qu’ils sont spectralement sélectifs, et que leur optimisation est possible par voie d’élaboration (modification des paramètres d’élaborations et du design) ou par recuit.

The conversion of solar energy into heat takes place in concentrating solar power plants using receivers. Depending on the type of power plant, the receivers are used to heat a transfer fluid to temperatures above 500°C. In order to improve their efficiency, the receivers are usually covered with absorptive layers. For this work, the objective was to develop coatings based on ceramic-metal composites (cermets), with good thermal stability and optical properties, i.e. high solar absorptance (visible and near infrared range) and low thermal emittance (infrared range). The elaboration of cermets, composed of a SiC:H matrix with W metal inclusions, in stacks or monolayers, has been considered using three methods: i) annealing of W/SiC:H multilayers, reactive magnetron sputtering ii) without (RF) and iii) with the assistance of microwave ECR sources (RF/microwave). For each method, were carried out: simulations to study and optimize the design of the structures, a study of the process (realization and characterization of the coatings) and the influence of elaboration parameters, and annealing at 500°C in air in order to study the coatings thermal stability. The optical characterization of the coatings obtained shows that they are spectrally selective, and that their optimization is possible by elaboration (modification of elaboration and design parameters) or by annealing.