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Cellules thermophotovoltaïques pour la conversion d’énergie stockée à très haute température – PROMES / LAAS / IES
Direction : Alexis Vossier (PROMES)/ Guilhem Almuneau (LAAS)
Collaboration : Inès Massiot (LAAS)/ Rodolphe Vaillon (IES)
Contexte : Le déploiement des technologies de production d’électricité basées sur des énergies
renouvelables (EnR) dites « variables » est aujourd’hui contraint par la pilotabilité limitée de ces
dernières. Parmi les multiples solutions de stockage aujourd’hui à l’étude afin d’accroître la pilotabilité
des EnR et favoriser une meilleure adéquation entre production et demande, la conversion
thermophotovoltaïque (TPV) de chaleur haute–température constitue indéniablement l’une des
options les plus prometteuses, tant sur le plan technologique qu’économique. Cette technologie de
stockage thermique d’énergie solaire concentrée ou même d’énergie électrique (dénommée « power–
to–heat »), suivie d’une conversion en électricité, repose sur l’association de deux composants clés : 1)
un émetteur de rayonnement thermique basé sur du silicium ou de l’étain, porté à très haute
température par le biais d’un chauffage résistif ; 2) un module de conversion thermophotovoltaïque,
inséré en vis–à–vis de l’émetteur thermique, et permettant de convertir le rayonnement émis par ce
dernier en électricité. Si ce concept de stockage d’énergie sous forme thermique à haute température
a fait l’objet de plusieurs évaluations théoriques au cours des dernières années [1], [2], la
démonstration expérimentale de sa conversion efficace a fait l‘objet d’une publication récente très
remarquée : un rendement de conversion de 40% a ainsi été mesuré sur des architectures de cellules
tandem exposées au rayonnement émis par une source de chaleur dont la température est comprise
entre 2000 et 2400°C [3].
Problématique : l’intérêt technico–économique de ce moyen de stockage est largement contraint par
le niveau de température caractéristique de la source d’émission thermique. Une température
d’émission élevée constitue en effet un levier important permettant d’assurer simultanément :
* Une densité de puissance rayonnée par l’émetteur élevée.
* Une distribution spectrale du rayonnement émis compatible avec l’utilisation de cellules
solaires caractérisées par des largeurs de bande interdite ≥ 1 eV.
* Un faible coût de l’électricité stockée (le coût relatif des cellules étant d’autant plus faible
que la densité de puissance électrique fournie par ces dernières est élevée).
Dans cet objectif, un certain nombre de verrous scientifiques et technologiques devront
nécessairement être surmontés, puisque les cellules TPV pour la conversion du rayonnement haute
température fonctionneront dans un environnement et des conditions très spécifiques (non–
standards : forte illumination provenant d’une source thermique) et devront garantir :
* Une réflectivité en face arrière de la cellule proche de 100 % sur une large gamme
spectrale : une réflexion efficace des photons non–absorbés par la cellule vers l’émetteur
étant impérative afin de garantir des pertes optiques minimales et une efficacité
maximale.
* Une efficacité de conversion élevée : celle–ci doit notamment être adaptée au
rayonnement de l’émetteur de rayonnement thermique et fonction des propriétés opto–
électroniques des matériaux semi–conducteurs utilisés.
* Des pertes résistives minimales : l’exposition de cellules TPV au rayonnement haute–
température occasionnera nécessairement une augmentation du courant véhiculé par ces
dernières, ainsi que des pertes résistives.
Ce projet de thèse vise donc à développer des technologies de cellules TPV optimisées pour la
conversion d’énergie stockée à très haute température. Il s’articulera essentiellement autour de trois
volets complémentaires et en interconnexion :
1. Evaluation théorique d’architectures de cellules TPV pour la conversion du rayonnement
haute–température : il s’agit notamment d’évaluer et de comparer les performances
d’architectures de cellules tandem (basées sur un empilement multijonctions pn [4] ou
encore de cellules III–V de faible épaisseur [5]). On veillera à quantifier comment les
différents mécanismes limitants que constituent les pertes résistives, les absorptions
parasites, ou les recombinaisons non–radiatives, sont susceptibles d’affecter les
performances des différentes architectures de cellules étudiées.
2. Modélisation de cellule : en se basant sur les résultats du travail d’évaluation théorique,
l’architecture de cellule la plus prometteuse et répondant potentiellement à un certain
nombre de critères de performance et de coût sera sélectionnée et modélisée afin de
déterminer les caractéristiques optimales (en termes de dopage, épaisseur,
caractéristiques de la structuration réfléchissante en face arrière…). Ce travail s’appuiera
sur des outils spécifiques de modélisation optique et électrique des composants.
3. Fabrication et caractérisation de cellule TPV : le dernier volet de ce travail sera dédié à la
fabrication et à la caractérisation d’une architecture de cellule TPV identifiée comme
particulièrement prometteuse à l’issue du travail de modélisation. Une étude spécifique
sera menée sur la fabrication et la caractérisation du réflecteur large bande à base de
multicouches ou/et de structures nanophotoniques. D’autre part son intégration
technologique à la cellule à base de semiconducteurs III–As(N) de bande interdite adéquate
(1–1.4eV) sera également étudiée.
Profil recherché : Formation de type Ingénieur ou Master 2 (physique/énergie/matériaux).
Compétences en physique, optique, science des matériaux et physique des semi–conducteurs, des
connaissances dans le domaine de la conversion photovoltaïque seront appréciées.
Références bibliographiques :
[1] C. Amy, H. R. Seyf, M. A. Steiner, D. J. Friedman, et A. Henry, « Thermal energy grid storage using multi–junction photovoltaics », Energy & Environmental Science, vol. 12, no 1, p. 334–343, 2019, doi: 10.1039/C8EE02341G.
[2] A. Datas, Ultra–High Temperature Thermal Energy Storage, Transfer and Conversion. Woodhead Publishing, 2020.
[3] A. LaPotin et al., « Thermophotovoltaic efficiency of 40% », Nature, vol. 604, no 7905, p. 287–291, avr. 2022, doi:10.1038/s41586–022–04473–y.
[4] M. El–Gahouchi, M. R. Aziziyan, R. Arès, S. Fafard, et A. Boucherif, « Cost–effective energy harvesting at ultra–high concentration
with duplicated concentrated photovoltaic solar cells », Energy Science & Engineering, vol. 8, no 8, p. 2760–2770, 2020, doi:10.1002/ese3.692.
[5] H.–L. Chen et al., « A 19.9%–efficient ultrathin solar cell based on a 205–nm–thick GaAs absorber and a silver nanostructured back mirror », Nat Energy, vol. 4, no 9, p. 761–767, sept. 2019, doi: 10.1038/s41560–019–0434–y