Étude théorique et numérique de systèmes thermophotoniques en champ proche appliqués à la récupération d'énergie

Theoretical and numerical analysis of near-field thermophotonic energy harvesters

• Auteur / Autrice : Julien Legendre
• Direction : Pierre-Olivier Chapuis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique et énergétique
• Date : Soutenance le 22/11/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Christophe Goupil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Olivier Chapuis, Christophe Goupil, Georgia Papadakis, Rodolphe Vaillon, Raphaël Clerc, Ines Revol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georgia Papadakis, Rodolphe Vaillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Thermique

Mots clés libres

Electronique

Thermophotonique

Machine thermique optoélectronique

Thermodynamique

Moteur thermophotonique

Dispositif optoélectronique

Conversion thermophotonique

Thermics

Thermophotonics

Solid-State heat engine

Thermodynamics

Thermophotonic engine

OptoElectronic Device

Thermophotonic conversion

Résumé

Dans un système thermophotonique en champ proche, une diode électroluminescente chaude est placée à faible distance d’une cellule photovoltaïque maintenue à température ambiante. Le rayonnement émis par la diode électroluminescente, qui présente une intensité élevée grâce aux phénomènes d’électroluminescence et d’effet tunnel de photons, permet à la cellule photovoltaïque de produire une quantité importante d’énergie électrique : le système convertit la chaleur fournie au corps chaud en électricité. Dans cette thèse, on analyse le fonctionnement de ce système par des approches théoriques et numériques. La conversion rayonnement-puissance électrique ayant lieu dans les deux composants est d’abord modélisée à l’aide d’équations de conservation. Cela permet de développer une expression analytique de la valeur maximale de l’efficacité au maximum de puissance pour un rayonnement monochromatique ou à large spectre. Des efficacités quantiques élevées doivent être considérées pour rendre la puissance de sortie et l’efficacité compétitives. Le transport de charges dans les semi-conducteurs est ensuite simulé grâce à un code résolvant les équations de dérive-diffusion en une dimension et incluant l’émission thermoïonique et l’effet tunnel aux interfaces, permettant l’étude de structures réalistes. L’optimisation de systèmes composés d’homostructures permet d’introduire un dispositif capable de générer une puissance maximale de l’ordre du W.cm−2 pour une diode électroluminescente à 600 K. Son analyse révèle l’importance de la configuration en champ proche, l’augmentation de l’efficacité quantique qu’elle induit étant essentiel au bon fonctionnement du système. On propose finalement un dispositif plus robuste, basé sur des hétérostructures composées de couches actives en InGaAs et de couches de confinement en InGaP. Cette architecture permet de conserver une puissance électrique élevée même lorsque des pertes auparavant négligées sont considérées, la puissance maximale ne diminuant alors que d’un facteur 4. Ces travaux démontrent que cette technologie de récupération d’énergie originale est prometteuse pour des températures de quelques centaines de degrés Celsius.

With 70% of the world’s primary energy consumption being lost as heat during conversion, finding ways to make use of this waste heat is a key challenge. One way is to convert it back into useful energy with heat engines, for instance by using solid-state heat engines to directly convert heat into electricity. In this context, the field of near-field thermophotonics has recently attracted increasing interest. In such an engine, a light-emitting diode heated by the waste heat is placed in the immediate vicinity of a photovoltaic cell at room temperature. The radiation emitted by the light-emitting diode, which displays high intensity due to both electroluminescence and near-field effects, allows the photovoltaic cell to generate a significant amount of electrical power even for low heat source temperatures. Although the light-emitting diode consumes some of this electrical power to run, the complete device is still capable of generating substantial electrical power as long as the two components are efficient enough. In this thesis, we analyse the operation of near-field thermophotonic engines by theoretical and numerical means. To deepen the understanding of thermophotonic devices, the radiation-electricity conversion occurring in the light-emitting diode and the photovoltaic cell are first modelled using detailed-balance approaches. This allows developing an analytical upper limit for the efficiency at maximum power for both monochromatic and broadband radiation. We study the influence of several key quantities, and pinpoint the importance of achieving a high quantum efficiency for the device to reach high power output and efficiency. In a second step, the charge transport in semiconductors is simulated thanks to an in-house one-dimensional drift-diffusion solver including thermionic emission and charge carrier tunnelling at interfaces, enabling the investigation of complete structures. The first system considered is composed of AlGaAs and GaAs homostructures, and is found to be capable of generating a maximum power output of the order of 1 W.cm−2 for an LED heated at 600 K. By analysing the charge transport in the two components, we highlight the importance of operating in the near field, the increase in quantum efficiency it causes being essential to achieve satisfactory operation. Because accounting for a significant surface recombination rate or including temperature and composition dependencies in the non-radiative recombination coefficients would make this device inoperable, we propose a new architecture based on heterostructures composed of InGaP confinement layers and InGaAs active layers. This allows reducing non-radiative losses and thus mitigates the power drop when the previously mentioned phenomena are included, with a reduction factor of 4 only. While several idealising assumptions still remains, this shall open a path for the design and optimisation of near-field thermophotonic engines.