Cellules thermophotovoltaïques à très bas gap pour la conversion du rayonnement d'émetteurs thermiques dans l'infrarouge moyen

Very low bandgap thermophotovoltaic cells for the conversion of thermal emitters radiations in the mid-infrared

• Auteur / Autrice : Basile Roux
• Direction : Jean-Philippe Perez, Rodolphe Vaillon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 07/03/2025
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Information, Structures, Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IES - Institut d'Electronique et des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : Judikaël Le rouzo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Perez, Rodolphe Vaillon, Denis Mencaraglia, Giteau Maxime
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Judikaël Le rouzo, Denis Mencaraglia

Mots clés

Mots clés libres

Thermophotovoltaïque

Infrarouge

Fabrication

Caractérisation électrique

Simulations TCAD

Superréseau

Thermophotovoltaics

Infrared

Clean-room processing

Electrical characterizations

TCAD simulations

Superlattice

Résumé

Avec la croissance de la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique, il devient de plus en plus important de développer des moyens de stockage à grande échelle afin de solutionner les problèmes d’intermittence de la production électrique. Dans cette optique, le stockage d’énergie sous forme thermique est une nouvelle alternative en voie de développement, dont la motivation repose sur son faible coût. Le domaine de la conversion thermophotovoltaïque (TPV), qui consiste à convertir le rayonnement infrarouge de sources chaudes (500-2000 °C) en puissance électrique, connaît ainsi un regain d’intérêt, motivé par ces applications de stockage. Cette thèse se positionne dans cette mouvance, en s’intéressant à un type de cellule TPV à très bas gap (0,25 eV), constituée d’un absorbeur en superréseau InAs/InAsSb, et d’une structure « à barrière », en vue notamment de les faire fonctionner à température ambiante (stratégie inspirée de photodétecteurs infrarouges). Le premier chapitre de ce manuscrit introduit les systèmes de conversion TPV et les métriques d’évaluation de leurs performances, qui sont ensuite utilisées pour proposer une analyse approfondie de l’état de l’art. Le second chapitre présente la structure des cellules étudiées et leurs performances attendues à l’aide de simulations opto-électroniques. Les défis posés par les cellules à très bas gap pour qu’elles opèrent à température ambiante et les solutions proposées y sont discutés. Finalement le troisième et dernier chapitre décrit en détails le procédé de fabrication de ces cellules et discute des résultats de leurs caractérisations électriques. Les cellules présentent un effet photovoltaïque à température ambiante et des résultats expérimentaux en cohérence avec les simulations.

With the increasing share of renewable energies in the energy mix, it is becoming more and more important to develop large-scale storage systems capable of solving the intermittence problem of electricity production. Thermal energy storage is a recent alternative, which is becoming more popular these days, due to its predicted low cost. This popularity, also affect the closely related field of thermophotovoltaic (TPV) conversion consisting in converting thermal radiation from hot sources (500-2000°C) into electrical power thanks to a photovoltaic cell. As part of this trend, the present thesis focuses on a type of TPV cell with a very small bandgap (0.25 eV), composed of an InAs/InAsSb superlattice absorber, and a structure inspired by infrared “barrier” photodetectors. This special design has been specifically chosen with the intention to make the cell able to operate at room temperature (25°C). The first chapter of this manuscript introduces definitions and evaluation metrics of TPV systems, followed by an in-depth state-of-the-art analysis. The second chapter presents the structure of the cells studied and their expected performance using optoelectronic simulations. The challenges posed by very-low bandgap cells to operate at room temperature and the proposed solutions are discussed. Finally, the third and last chapter describes in detail the fabrication process for these cells and discusses the results of their electrical characterizations. The cells show a photovoltaic effect at room temperature and the experimental results are consistent with the simulations.