Démonstrateur thermophotovoltaïque en champ proche – DEMO-NFR-TPV

L’objectif du projet est de réaliser la première preuve expérimentale en conditions de laboratoire du concept de convertisseur thermophotovoltaïque en champ proche (TPV-CP) pour des distances entre la source thermique et la cellule photovoltaïque inférieures à 500 nm. Comme pour les cellules solaires, les cellules thermophotovoltaïques (TPV) convertissent l’énergie de photons en énergie électrique, mais pour un rayonnement provenant de corps chauds au lieu du Soleil. Quand la distance entre deux corps rayonnants est plus petite que la longueur d’onde caractéristique du rayonnement thermique, le transfert thermique radiatif peut s’accroitre de plusieurs ordres de grandeur au-dessus du rayonnement échangé par deux corps noirs et le spectre du rayonnement échangé est modifié. Ceci est dû à la contribution des ondes évanescentes. Les cellules TPV-CP combinent les effets de champ proche avec la conversion thermophotovoltaïque. Elles offrent une solution d’amélioration de l’efficacité de la collecte d’énergie provenant des sources de chaleur perdue.
Une analyse de l’état de l’art indique les probables raisons des échecs des deux précédentes tentatives à produire des mesures de l’effet TPV en champ proche pour des distances radiateur-cellule stabilisées inférieures au micron. Les dispositifs expérimentaux les plus récents démontrant l’augmentation en champ proche des transferts thermiques radiatifs ne répondent pas simultanément aux critères requis pour construire un démonstrateur TPV-CP : de grandes surfaces de radiateur et de cellule, de petites distances les séparant et de grandes différences de températures. La communauté de l’optoélectronique n’a pas contribué à la conception et à la fabrication des cellules dédiées à la photogénération de charges électriques en champ proche. Dans ce cadre, le projet a plusieurs objectifs scientifiques : comprendre théoriquement les contributions de chaque mécanisme de perte de photoconversion pour les cellules TPV-CP, proposer et optimiser des architectures de cellules qui minimisent ces pertes, et démontrer expérimentalement en conditions de laboratoire les effets de champ proche escomptés pour les cellules TPV.
Pour atteindre ces objectifs, le projet reposera sur quatre choix initiaux clairs : une cellule TPV-CP maintenue à température ambiante (ou moins), une différence de température radiateur-cellule allant de 200 K à 550 K, le choix d’un semiconducteur à très bas gap (InSb,
Eg = 0.173 eV à 300 K), une configuration sphère-plan pour établir et contrôler une distance entre le radiateur et la cellule qui soit inférieure à 500 nm, jusqu’à la dizaine de nanomètres.
La première étape du programme de travail consistera à réaliser une modélisation complète pour concevoir des cellules TPV-CP. Elle comprendra les transferts radiatifs, les transports des charges et de la chaleur en conditions d’injection forte. Fenêtres, réflecteur en face arrière et contacts seront inclus. Ensuite, des cellules TPV seront conçues, fabriquées et caractérisées. Grâce à l’outil de modélisation, des architectures de jonction minimisant les pertes seront spécifiquement développées. Des procédés d’épitaxie et de préparation les plus évolués seront mis en œuvre pour fabriquer des cellules TPV en InSb. Leurs propriétés structurales et optoélectroniques seront caractérisées. L’étape finale consistera en l’élaboration, la mise en œuvre et la caractérisation d’un démonstrateur de cellule TPV-CP basé sur un système de microscopie à force atomique (AFM) pour contrôler la distance entre une cellule TPV et un radiateur sphérique. Après avoir évalué les performances du dispositif pour réaliser des mesures de rayonnement en champ proche, la puissance électrique générée par les cellules InSb sera mesurée en fonction de la distance séparant le radiateur de la cellule. L’objectif est de démontrer que les effets de champ proche conduisent à une augmentation – au moins d’un facteur deux – de la puissance produite en champ lointain.