Films d’oxydes de vanadium thermochromes dopés aluminium obtenus après un recuit d’oxydation-cristallisation pour applications dans le solaire thermique

Thermochromic Al-doped vanadium dioxide thin films obtained after an oxidation crystallization annealing for solar thermal applications

• Auteur / Autrice : Aurélien Didelot
• Direction : Jean-François Pierson, Fabien Capon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2017
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Corinne Champeaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Capon, Marie-Paule Besland, Frédéric Guinneton, David Mercs
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Paule Besland, Frédéric Guinneton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Générateurs photovoltaïques

Recuit des cristaux

Thermochromie

Pulvérisation cathodique

Vanadium -- Composés

Mots clés libres

Pulvérisation cathodique

Dioxyde de vanadium

Thermochrome

Variation d’émissivité

Surchauffe

Solaire thermique

Magnetron sputtering

Vanadium dioxide

Thermochromic

Emissivity variation

Over heating

Thermal solar

Résumé

Ces travaux sont issus d’une thèse CIFRE et de la collaboration entre la société Viessmann Faulquemont et le laboratoire de recherche l’Institut Jean Lamour. Ayant pour objectif de fortement réduire les problèmes liés aux hautes températures de stagnation dans les panneaux solaires thermiques, nous présentons une nouvelle génération d’absorbeur solaire intelligent à base de dioxyde de vanadium. Le dioxyde de vanadium, noté VO2, est un matériau présentant une transition métal-isolant (MIT) à une température critique (Tc) de 68°C. Cette transition s’accompagne d’une modification de la structure cristallographique. Le VO2 se trouve sous une forme monoclinique VO2(M) à basse température, et sous une forme rutile VO2(R) à haute température. Ce changement de structure s’accompagne d’une forte modification des propriétés optiques. La synthèse de ces films est réalisée à partir d’une couche de vanadium métallique déposée par pulvérisation. Un recuit d’oxydation-cristallisation est ensuite effectué pour obtenir une couche d’environ 400 nm de dioxyde de vanadium. Afin d’optimiser et d’augmenter la variation d’émissivité (Δε), la température et la durée du recuit sont étudiées. Dans un second temps, un dopage aluminium est réalisé afin d’augmenter l’effet de la transition thermochrome. Après optimisation, le passage au niveau industriel est un succès et des prototypes de taille 1 sont réalisés à partir de la couche thermochrome et de la couche standard afin d’être comparés dans des conditions normales d’utilisation

This work is a CIFRE thesis between VIESSMANN Faulquemont SAS society and the laboratory Institut Jean Lamour. In order to strongly reduce the problems associated with high stagnation temperature, we present a new generation of solar absorbent layers based on a smart thermochromic vanadium dioxide thin film. Vanadium dioxide (VO2) is a material which exhibit a metal insulator transition (MIT) at a critical temperature of 68°C (Tc). The transition is accompanied by a change in crystallographic structure VO2(M), while a rutile-like structure VO2(R) is obtained at high temperature. This structural change induces a drastic modification of the optical properties. The synthesis of vanadium-based films is performed using magnetron sputtering. We proceed to a subsequent annealing in air to form crystalline films of about 400 nm thickness. In order to increase the thermochromic effect of our thin film (Δε) we study the temperature and duration of the annealing. In a second time we try to increase the emissivity switch between the low and high temperature phase by adding an aluminum doping. After optimization, scale up have been successfully done and the optimized parameters have been used to build a prototype of thermochromic selective layer that has been compared to the standard industrial solar absorber