Matériaux micro et nanostructurés stratifiés optimisés pour la conversion d’énergie thermophotovoltaïque – SOURCES-TPV

Ce projet vise à concevoir et à caractériser une nouvelle génération de sources thermiques micro/nanostructurés pour améliorer significativement les performances des systèmes de conversion d’énergie thermophotovoltaïque (TPV) de champ lointain classiques et développer une nouvelle technologie pour la conversion TPV de champ proche.
Ces cinq dernières années, des développements spectaculaires ont été réalisés sur le contrôle des flux de chaleur émis par rayonnement, à la fois en champ proche et en champ lointain, par des matériaux artificiels structurés à l’échelle des longueurs de corrélation des photons. A cette échelle de structuration les mécanismes d’interférence du champ électromagnétique deviennent importants de sorte qu’il devient possible de modeler, grâce à une structuration ad hoc du milieu, ses propriétés optiques.
Certains de ces milieux composés de matériaux magnéto-diélectriques et encore appelés métamateriaux permettent de générer des propriétés optiques totalement inédites comme la réfraction negative, l’effet Doppler inversé ou la superrésolution. Aujourd’hui les métamatériaux ouvrent de nouvelles opportunités pour développer des systèmes de conversion TPV à haute performance.
L’objectif principal de ce projet est de clarifier ce qu’il est possible de faire avec des métamatériaux pour la conversion TPV. Afin de comprendre les mécanismes physiques fondamentaux sous-jacents et comprendre leurs relations avec la structure interne des matériaux, nous nous limiterons dans ce projet à l’étude des métamatériaux stratifiés monodimensionnels.

Champ lointain :
Il s’agira de concevoir de nouvelles sources thermiques à haut degré de cohérence capables de rayonner uniquement dans certaines directions et/ou autour de fréquences spécifiques. L’objectif final de ce projet est le développement des prochaines générations de systèmes de conversion TPV, de capteurs thermiques et de revêtements fonctionnalisés pour le management thermique.
Notre but sera de développer dans un premier temps des sources thermiques quasi-monochromatiques et isotropes à émissivité proche de l’unité. Dans un deuxième temps, il s’agira de concevoir une source thermique stratifiée de façon à optimiser le convertisseur (absorbeur-emetteur-cellule PV) d’un système de conversion TPV pour convertir le maximum de chaleur rayonnée par la source en électricité. Toutes ces sources seront conçues, construites puis caractérisées durant ce projet.

En champ lointain :
Il s’agit d’étudier le transfert de chaleur en champ proche entre des matériaux multicouches micro/nanostructurés pour déveloper in fine la technologie de conversion thermophotovoltaïc de champ proche (NTPV). Pour ce faire, nous déterminerons la quantité maximale de chaleur que l’on peut transférer d’un milieu vers un autre en situation de hors équilibre. Une attention particulière sera portée sur l’identification des meilleures structures pour maximiser le transfert.
Des travaux préliminaires ont d’ores et déjà permis de montrer que l’exaltation des transferts en champ proche pouvait permettre d’envisager des niveaux de production d’énergie suffisants pour alimenter un foyer ordinaire à partir de cellules NTPV de quelques cm2.
Comme le couple absorbeur-emetteur d’un système NTPV doit être conçu pour absorber sur une large bande spectral (celle du soleil ou de la source chaude primaire) sur une de ses faces et pour émettre de façon quasi-monochromatique du coté de la cellule PV, nous essaierons ensuite d’optimiser une structure à l’aide d’une fonction objectif hybride champ proche-champ lointain.