Étude des phénomènes de piégeage et dépiégeage de charges par mesures de charge d'espace et de décharge photo-stimulée dans des films polymères minces pour le stockage d'énergie

Charge trapping and detrapping study by space charge and photo-stimulated discharge measurements in thin polymer films for energy storage

• Auteur / Autrice : Duvan Alexander Mendoza Lopez
• Direction : Laurent Boudou, Laurent Berquez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilbert Teyssedre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rachelle Hanna
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Agnel, Stéphane Holé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Charge et distribution électriques

Polymères

Dispositifs diélectriques

Mots clés libres

Piégeage de charges

Charge d'espace

Décharge photo-stimulée

Méthode FLIMM

Diélectriques

Polymères

Charge trapping

Space charge

Photo-stimulated discharge

FLIMM method

Dielectrics

Polymers

Résumé

Avec le développement du marché des condensateurs à base de films polymères, l'étude des phénomènes de génération, de transport et de piégeage de charges dans les diélectriques relativement minces connait un intérêt croissant. En effet, des exigences accrues imposées par des tensions d'alimentation ou des niveaux de température élevés, favorisent l'apparition de charges qui, lors de leur migration à travers le matériau, peuvent être piégées pour créer la charge d'espace. Cette dynamique de piégeage de charges expose une vulnérabilité, car elle provoque une intensification locale du champ électrique, susceptible de générer des contraintes électromécaniques pouvant potentiellement entraîner la défaillance du matériau. En conséquence, il s'avère impératif d'effectuer des études sur la nature et les propriétés des pièges dans les polymères. Cette démarche vise à enrichir notre compréhension de ces matériaux et à renforcer la fiabilité des systèmes dans lesquels ils sont incorporés. Parmi les approches expérimentales disponibles pour examiner le comportement électrique des polymères, celles qui permettent de dévoiler des informations spécifiques concernant l'état énergétique des pièges restent relativement limitées. Les plus utilisées sont probablement la méthode TSD (Thermally Stimulated Discharge) et PSD (Photo-Stimulated Discharge). La méthode PSD, qui consiste à mesurer le courant de décharge sous irradiation lumineuse dans le spectre UV-visible, permet d'identifier les interactions entre les charges mobiles ou piégées, avec l'énergie des photons irradiés. L'avantage par rapport à la méthode TSD, qui utilise une rampe de température, est de ne pas modifier ou détruire les pièges par effet thermique. Néanmoins, il convient de noter que l'interprétation des spectres PSD se révèle difficile, du fait que le courant mesuré peut résulter de divers phénomènes, par exemple la photogénération de charges ou la photoinjection de porteurs, tous étant susceptibles d'interagir avec les pièges présents. Pour essayer de dissocier les mécanismes inhérents au courant photoinduit, nous proposons de coupler les mesures PSD à des mesures de charges d'espace. Lorsque des protocoles sont mis en œuvre pour faire varier les paramètres de polarisation et d'irradiations PSD, les modifications dans la densité de charge ou de sa position apporteront des indices concernant l'origine des charges et la dynamique de leur piégeage et dépiégeage. Pour cela, nous envisageons d'adopter la méthode LIMM (Light Intensity Modulation Method), car elle est adaptée à l'étude de films minces (quelques µm), avec une bonne résolution spatiale près des interfaces. Elle sera aussi un atout pour étudier les effets de renforcement de champ électrique, liés à l'utilisation d'une électrode interdigitée pour la mesure PSD. L'intégration des méthodes LIMM et PSD au sein d'un même dispositif expérimental, ainsi que leur utilisation dans des programmes séquentielles de mesure, offre la possibilité de suivre de manière continue le remplissage des pièges, de stimuler sa libération par l'irradiation de lumière et d'explorer les relations entre l'énergie lumineuse appliquée et les caractéristiques des pièges. En effet, le système de mesure démontre dans une approche innovante que la réduction de la densité de charge d'espace après les mesures PSD est directement attribuée à la perturbation lumineuse elle-même, plutôt que d'être influencée par des facteurs concomitants tels que le temps écoulé après la période de charge ou les manipulations provoquant la libération de la charge.

With the development of the polymer film capacitor market, there is growing interest in the study of charge generation, transport and trapping phenomena within relatively thin dielectric films. Indeed, increased requirements imposed by high supply voltages or elevated temperature conditions favor the appearance of charges which, as they migrate through the material, can be trapped to create space charge. This charge trapping dynamic is susceptible to causing localized intensifications of the electric field, thereby engendering electromechanical stresses that may ultimately culminate in material failure. Consequently, it is imperative to investigate the nature and properties of traps found in polymer dielectrics. The aim is to enrich our understanding of these materials and enhance the reliability of the systems in which they are incorporated. Among the available experimental approaches for investigating the electrical behavior of polymers, those capable of providing specific insights into the energy states of traps remain relatively scarce. The most prevalent methods in this regard are probably the Thermally Stimulated Discharge (TSD) and Photo-Stimulated Discharge (PSD) techniques. The PSD method, which entails measuring discharge currents during exposure to light within the UV-visible spectrum, offers the capability to identify interactions between mobile or trapped charges and the energy of incident photons. This approach possesses an advantage over the TSD method, which relies on a temperature ramp, as it does not induce alterations or destruction of traps through thermal effects. However, it is worth noting that interpreting PSD spectra poses challenges, as the measured current may originate from diverse phenomena, including photogeneration of charges or photoinjection of carriers, all of which are likely to interact with the existing traps. In an attempt to elucidate the underlying mechanisms governing in photoinduced current, we propose to couple PSD measurements to space charge measurements. By implementing protocols that systematically manipulate polarization and irradiation parameters, changes in the density or position of charges will serve as valuable indicators of the origin of charges and the kinetics of their trapping and detrapping processes. To achieve this objective, we intend to employ the Light Intensity Modulation Method (LIMM), which is particularly well-suited for the investigation of thin films (with dimensions on the order of a few micrometers) and offers excellent spatial resolution in proximity to interfaces. It will also be an asset for studying electric field reinforcement effects, linked to the use of an interdigitated electrode for PSD measurement. The integration of LIMM and PSD methods within the same experimental setup, and their use in sequential measurement programs, offers the possibility of continuously monitoring trap filling, trap release by light irradiation, and exploring the relationships between applied light energy and trap characteristics. In fact, the measurement system demonstrates in an innovative approach that the reduction in space charge density after PSD measurements is directly attributed to the light disturbance itself, rather than being influenced by concurrent factors such as the time elapsed after the charge period or manipulations leading to charge release.