Matériaux et structures permettant la conversion d'énergie thermophotovoltaïque à très bas gap – LOW-GAP-TPV

L'objectif du projet est de proposer, fabriquer et évaluer de nouveaux matériaux et structures permettant la conversion thermophotovoltaïque à très bas gap (de 0,36 à 0,17 eV) de l'énergie thermique provenant de sources de chaleur de niveau moyen (< 1000 °C). Les principales exigences sont que la cellule photovoltaïque infrarouge doit pouvoir fonctionner à température ambiante et que les structures des cellules et de l’émetteur doivent être conçues de manière à maximiser les rendements spectraux et de conversion.
Les cellules TPV convertissent l'énergie des photons en énergie électrique, mais avec un rayonnement provenant d'un corps chaud au lieu du Soleil. À ce jour, les meilleurs convertisseurs TPV fonctionnent avec des températures d'émetteur supérieures à 1000 °C et des cellules dont le gap est supérieur à 0,53 eV. Cependant, plusieurs problèmes majeurs se posent avec des températures d'émetteur élevées : stabilité du matériau, pertes vers l'environnement, refroidissement important de la cellule qui doit rester à température ambiante pour éviter une chute de rendement. La principale hypothèse de recherche de ce projet est qu'en récoltant le rayonnement thermique de sources à température moyenne (< 1000 °C), les problèmes susmentionnés seront atténués. Toutefois, cette stratégie s'accompagne de nouveaux défis scientifiques et technologiques pour concevoir, fabriquer et opérer les couples optimaux émetteur - cellule TPV dans de telles conditions : cellules à bas (0,36 eV) à très bas (0,17 eV) gap capables de fonctionner à température ambiante, correspondance spectrale entre l'émetteur et la cellule,...
Une analyse de l'état de l'art révèle que les travaux de recherche sur les cellules TPV à faible gap sont très rares. Récemment, des cellules en arséniure d'indium et en antimoniure d'indium ont été fabriquées, mais avec l'exigence d'être refroidies à des températures cryogéniques. Il est intéressant de noter qu'une nouvelle architecture de cellule TPV à faible gap (~0,2-0,4 eV à 300 K) a été proposée. Basée sur des structures en cascade interbande (IC) à plusieurs étages contenant des absorbeurs individuels InAs/GaSb à super-réseau de type II (T2SL), ces cellules dépassent la limite Eg/q (gap / charge élémentaire) pour la tension de circuit ouvert et fonctionnent à température ambiante. En ce qui concerne l'échange optimal de rayonnement entre l'émetteur et la cellule, point clé pour les convertisseurs thermophotovoltaïques, la sélectivité spectrale est généralement obtenue en ajustant la réflectance de la cellule et/ou l'émittance de l'émetteur. Toutefois, la grande majorité des travaux concerne des émetteurs à haute température et des cellules à gap relativement élevé.
Dans ce contexte, pour atteindre l'objectif principal, le projet repose sur le développement de nouvelles cellules IC-TPV à faible gap avec des absorbeurs T2SL InAs/InAsSb sans gallium, présentant de meilleures longueurs de diffusion que les structures contenant du gallium mentionnées précédemment. La première étape du programme de travail consistera à concevoir les cellules, à trouver les combinaisons optimales émetteur-cellule, à recueillir les propriétés optiques, électriques et thermiques. Ensuite, les émetteurs seront fabriqués par techniques de pulvérisation, de gravure et de dépôt, et les cellules par épitaxie à jets moléculaires suivie de traitements standards en salle blanche. Des échantillons spécifiques seront fabriqués pour mesurer les propriétés non disponibles dans la littérature. Lors de la troisième étape, les performances des composants seront évaluées : émittance spectrale et stabilité des émetteurs ; réflectance spectrale, réponse spectrale et caractéristiques courant-tension des cellules. Les performances seront analysées en détail, en recherchant les raisons d’éventuelles différences avec les prédictions. Des améliorations seront proposées dans le cadre d'un processus itératif comprenant trois cycles de conception, fabrication et tests.