Conception et intégration d'un sous-système thermophotovoltaïque polyvalent – DIVERSITY

L'objectif principal du projet est de concevoir et fabriquer un sous-système thermophotovoltaïque (corps chaud à une température allant de 1000 à 1500 °C, cellules photovoltaïques (PV) à faible bande interdite [0,5 à 0,6 eV], incluses dans une cavité fermée), avec des performances record (rendement du sous-système significativement supérieur à 12%) et intégrable dans divers systèmes thermophotovoltaïques (TPV). Le sous-objectif 1 vise à optimiser le transfert de chaleur dans le sous-système. Les voies de recherche impliquent une conception photonique spécifique des cellules PV et une conception optique et thermique de la cavité. Le sous-objectif 2 vise à optimiser la conversion PV sur des surfaces supérieures à 1 cm². Les voies de recherche impliquent des absorbeurs semi-conducteurs de haute qualité, des techniques de passivation efficaces, l'utilisation de contacts supérieurs épais et/ou la dilution du rayonnement, et la fabrication d’un module TPV. Le sous-objectif 3 vise à démontrer l'efficacité des sous-systèmes TPV. Les voies de recherche comprennent une démonstration dans des conditions de laboratoire contrôlées, puis dans les conditions réelles d’un système solaire-TPV.
Une analyse de l'état de l'art révèle qu'il existe actuellement un écart entre le rendement de paire record (plus de 40 %) et le rendement record des systèmes TPV (11,2 %). Cet écart s’explique par le défi que représente le développement simultané d'éléments à hautes performances (émetteur, cavité, cellules TPV). La première ambition du projet est de relever ce défi. Même si certains des meilleurs rendements de paire ont été obtenus avec des cellules PV en InGaAs, l'utilisation de cellules PV en InGaAsSb à bande interdite plus faible est plus appropriée pour des températures d’émetteur comprises entre 1000 et 1500 °C. La deuxième ambition du projet est de concevoir et de fabriquer des cellules TPV en InGaAsSb, ainsi que des modules, avec des performances record. Enfin, des articles traitent de l'optimisation de la cavité reliant émetteur et cellules TPV, mais ils sont limités en nombre et s'appliquent à des configurations spécifiques. La dernière ambition du projet est de contribuer à relever le défi de la démonstration d'un sous-système TPV efficace et polyvalent, opérant dans des conditions de laboratoire, puis réelles d’un système solaire-TPV.
La méthodologie consiste en une tâche de coordination et trois tâches scientifiques. La première tâche impliquera des simulations photoniques pour réaliser la sélectivité spectrale, des simulations optiques pour minimiser les pertes dans la cavité, et des simulations multi-physiques pour minimiser les pertes de chaleur dans le sous-système. La deuxième tâche sera consacrée aux cellules et modules TPV. Des simulations optoélectroniques seront effectuées pour minimiser les pertes dans les cellules. Ensuite, les cellules et les modules TPV seront fabriqués en utilisant l'épitaxie par jets moléculaires et des procédés de salle blanche, et leurs performances seront évaluées à l'aide de plates-formes de caractérisation optique et électrique. Les composants photoniques assurant la sélectivité spectrale seront fabriqués à l'aide de techniques de dépôt et caractérisés à l'aide de plates-formes optiques. La troisième tâche sera consacrée aux sous-systèmes et systèmes TPV. Un sous-système TPV fonctionnant dans des conditions de laboratoire sera fabriqué et évalué. Celui-ci sera intégré dans un système solaire-TPV et ses performances seront mesurées sous éclairement solaire concentré. Une dernière sous-tâche consistera à effectuer des analyses d'empreinte environnementale et de mise à l'échelle.
Pour mettre en œuvre ce programme, un consortium interdisciplinaire rassemble des experts dans divers domaines : photonique et thermophotovoltaïque (LAAS-CNRS), physique des semiconducteurs III-Sb et croissance épitaxiale (IES), analyse multi-physique et instrumentation des convertisseurs PV sous haute illumination (PROMES).