Nouvelles stratégies pour améliorer la transparence de modulateurs optiques photovoltaïques pour les vitres intelligentes

New strategies to improve the transparency of photovoltaic spatial light modulators for self-powered dynamic glazing

• Auteur / Autrice : Yuhan Zhong
• Direction : Thomas Heiser, Martin Brinkmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/06/2023
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Malgosia Kaczmarek
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laure Biniek
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christian Müller, Renaud Demadrille

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effet photovoltaïque

Semiconducteurs organiques

Modulateurs de lumière

Mots clés libres

PSLM

Transparence du dispositif

Matériau à bande interdite élevée

Propriétés optiques anisotropes

Polariseurs NIR

Photovoltaic Spatial Light Modulator

Device transparency

High band gap materials

Anisotropic optical properties

NIR polarizers

Résumé

Le PSLM (ou “Photovoltaic Spatial Light Modulators”) est un nouveau type de verre dynamique qui a le potentiel d’être utilisé dans les vitres ”intelligentes” pour contrôler l'irradiation solaire à l'intérieur des bâtiments et ainsi d’améliorer leur efficacité énergétique. Le dispositif se compose principalement d'un cristal liquide nématique, dont le directeur influe sur la transparence et la biréfringence du PSLM, et d’une multicouche organique photovoltaïque. Lorsque le PSLM est exposé à la lumière, un champ électrique apparaît par effet photovoltaïque qui modifie l’orientation des cristaux liquides. Cet effet permet au PSLM de changer de teinte en fonction de l'intensité de la lumière, sans nécessiter d'alimentation externe. La transparence du dispositif à l'état ''clair'' est l'un des paramètres clés qu'il convient d'améliorer en vue d'applications telles que les fenêtres intelligentes. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes focalisés sur trois stratégies complémentaires pour améliorer la transparence des PSLMs : I) en utilisant une couche photovoltaïque contenant un matériau semi-conducteur à large bande interdite pour réduire l'absorption de la lumière dans le domaine du visible ; II) en développant des couches photovoltaïques optiques anisotropes et en les utilisant comme ''polariseurs internes'' dans le PSLM. Pour cela, nous avons utilisé une technique de brossage à haute température de la couche photovoltaïque ; et III) en utilisant des films de polymères dopés et orientés comme ''polariseurs infrarouge''. La combinaison d'un dispositif PSLM autonome avec ce type de polariseurs augmente la transmittance dans le domaine visible tout en limitant la modulation optique au domaine infrarouge.

A Photovoltaic Spatial Light Modulator (PSLM) is a new class of switchable glazing that has the potential to be used in smart windows for controlling indoor solar radiation and improving the energy efficiency in buildings. The device consists mainly of a nematic liquid crystal which determines its optical properties (transparency, birefringence), and an organic photovoltaic (PV) layer. The latter generates an electric field under illumination that changes the orientation of the liquid crystal director and allows the device to change its tint under light without requiring an external power supply. The device transparency in the clear state is one of the key parameters for smart windows applications.In this thesis, we focused on three complementary strategies to improve the clear state transparency of a PSLM: I) using a PV layer containing a high band gap material to avoid photon absorption in the visible.; II) developing anisotropic optical PV layers by high temperature rubbing that can be used simultaneously as “internal polarizer”, and III) using oriented and doped polymer films as near infrared (NIR) polarizers. Combining a self-powered PSLM with NIR polarizers increases its transparency in the visible region while restricting the optical modulation to the NIR range.