Plateforme de simulation multi-échelles de porteurs chauds: électrons et phonons pour la récupération d'énergie – PlaCho

Le projet Placho (Plateforme dédiée à la simulation des porteurs chauds : électrons et phonons pour la récupération d’énergie) vise à développer une plateforme numérique multi-échelle (DFT+Monte Carlo+NEGF), de l'atome au dispositif, spécifiquement dédiée à la conversion d'énergie. Cet outil polyvalent basé sur les calculs ab initio sera capable de modéliser les propriétés des électrons, des trous et des phonons et de leur couplage dans une large gamme d'énergie pour un grand nombre de matériaux sans avoir besoin de mesures préalables. Ce haut niveau de description physique des phénomènes électriques et thermiques sera transféré au niveau de la simulation des dispositifs. Le transport des porteurs à haute énergie à la fois dans les régimes stationnaires et transitoires pourra être étudié même si les effets quantiques sont dominants. Les résultats du projet PlaCho accélèreront l'évaluation des concepts émergeants en conversion d'énergie utilisant de l'ingénierie de bande pour le filtrage à haute énergie, de l'effet tunnel. Cela concerne, mais pas exclusivement, les applications thermoélectriques et photovoltaïques.
Le consortium sera composé de 3 partenaires : le LSI, l'IMPMC et le C2N avec des expertises complémentaires respectivement sur la DFT pour les électrons, la DFT pour les phonons et la simulation du transport et des dispositifs. Le projet est organisé en quatre WorkPackages : un dédié à la coordination (WP0) et trois autres scientifiques (WP1-3). Le WP1 est dédié aux calculs DFT et vise à décrire les propriétés des électrons, des trous et des phonons dans une large gamme d'énergie pour différents types de matériaux. Les WP2 (MC/DFT) et WP3 (NEGF/DFT) traitent du transport des porteurs chauds en termes de formalismes semi-classiques et quantiques basés sur la DFT. Dans le WP4, les convertisseurs d'énergie PV et TE dans lesquels les porteurs chauds sont importants seront simulés.
A court terme, la collaboration générée par ce projet améliorera de manière significative la compréhension scientifique et technique des principes fondamentaux de la physique des porteurs chauds qui peuvent être utilisés dans les convertisseurs d'énergie. Notre ambition est d'abord de fournir à la communauté le meilleur de la capacité de modélisation académique dans le domaine de la simulation des dispositifs de conversion d'énergie. A notre connaissance, des outils de simulation avancés couplant DFT, NEGF et MC n'ont jamais été développés pour étudier les porteurs chauds : électrons, trous, phonons et leur couplage. Ainsi, le résultat de ce projet constituera une percée dans la communauté de la physique des dispositifs de conversion d'énergie. De plus, la modélisation ab-initio du couplage phonon/phonon et électron/phonon reste un défi. Le projet PlaCho vise aussi à développer de nouvelles méthodologies afin d'étendre les capacités des approches de ab-initio existantes. Par ailleurs, la paramétrisation des simulations thermiques et électriques semi-empiriques avec des calculs ab-initio ouvrira la voie à l'exploration d'un grand nombre de dispositifs différents constitués de divers matériaux, impliquant des nanostructures de différentes formes. Les effets hors équilibre, les effets quantiques et les effets transitoires pourront être étudiés afin d'optimiser la conversion énergétique. Enfin, une toute nouvelle méthode de simulation résolvant le problème du transport quantique en utilisant uniquement une description ab-initio des matériaux sera développée dans le cadre du projet.
À moyen et long terme, PlaCho ouvrira de nouvelles voies pour le développement technologique et l'optimisation de nouveaux récupérateurs d'énergie innovants exploitant les propriétés des porteurs chauds. Une fois que ces technologies émergentes seront transférées dans le domaine industriel, l'impact global de PlaCho aura contribué à répondre aux besoins sociétaux majeurs en matière de gestion de l'énergie.