Refroidissement radiatif diurne : développement théorique et conception expérimentale d'un dispositif à base de couches minces

Daytime radiative cooling : theoretical development and experimental conception of a device base of thin layers

• Auteur / Autrice : Bryan Horcholle
• Direction : Julien Cardin, Christophe Labbé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/10/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....)
• Jury : Président / Présidente : Antoine Goullet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Lumeau, Joël Charrier, Georges Boudebs
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Lumeau, Joël Charrier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simplexes (mathématiques)

Filtres optiques

Composites

Pulvérisation cathodique

Algorithmes génétiques

Mots clés libres

Pentoxyde de niobium

Pulvérisation magnétron radiofréquence

Refroidissement radiatif

Multicouche

Filtre apériodique

Simplexe

Niobium pentoxide

Radiofrequency magnetron sputtering

Radiative cooling

Multilayer

Aperiodic filter

Genetic algorithm

Simplex

Needle

Résumé

L’objectif de cette thèse est de montrer la faisabilité d’un dispositif de refroidissement radiatif diurne à base de couches minces, constitué de matériaux diélectriques et non-métalliques, capable d’évacuer une puissance réfrigérante supérieure à 100 W.m-2 ou bien d’établir une température sub-ambiante supérieure à 10 °C. Une approche à base d’empilements de couches apériodiques a été explorée à l'aide d'un programme évolutionnaire associant plusieurs méthodes numériques et permettant de créer un empilement multicouche dont les propriétés spectrophotométriques (réflectance et transmittance) s’ajustent à une figure de mérite particulière. Avec ce programme, des empilements théoriques de couches à base de SiO2, Nb2O5 et SiC ont été réalisés afin de s’ajuster aux propriétés optiques d’un tel dispositif de refroidissement radiatif diurne performant. La croissance et l'étude de ces matériaux ont été menées par pulvérisation cathodique magnétron. Une étude particulière des indices de réfraction et des coefficients d’absorption a été réalisée sur une large gamme spectrale, de 0,2 µm à 15 µm. Plusieurs structures ont été réalisées par pulvérisation magnétron radiofréquence, l'une d’entre elles alternant 56 couches de SiO2 et de Nb2O5 a alors été caractérisée. L’étude effectuée sur cet échantillon et les mesures de ses efficacités de réflexion et d’émissivité sont prometteuses pour la réalisation future d’un dispositif de refroidissement radiatif diurne à base de couches minces.

The aim of this thesis is to demonstrate the feasibility of a diurnal radiative cooling device based on thin layers, made of dielectric and non-metallic materials, that could evacuate a cooling power greater than 100 W.m-2 or to establish a sub-ambient temperature above 10 °C. An approach based on the stacking of aperiodic layers has been explored. This approached using an evolutionary program associating several numerical methods that could create a multilayer stack whose spectrophotometric properties (reflectance and transmittance) fitted to a particular figure of merit. With this program, theoretical layer stacks based on SiO2, Nb2O5 and SiC have been made in order to fit the optical properties of such a high-performance daytime radiative cooling device. The growth of these materials have been carried out by magnetron sputtering. A particular study of refractive indices and absorption coefficients has been carried out over a wide spectral range, from 0.2 µm to 15 µm. Several structures were made by radiofrequency magnetron sputtering, one of them alternating 56 layers of SiO2 and Nb2O5 has been characterized. The study carried out on this sample and the measurements of its reflection and emissivity efficiencies are promising for the future achievement of a diurnal radiative cooling device based on thin layers.