Postdoctorat (H/F) : Cellules thermophotovoltaïques pour la conversion d’énergie stockée à très haute température
il y a 3 semaines
Informations générales
Intitulé de l'offre : Postdoctorat (H/F) : Cellules thermophotovoltaïques pour la conversion d’énergie stockée à très haute température
Référence : UPR8001-RODVAI-002
Nombre de Postes : 1
Lieu de travail : TOULOUSE
Date de publication : vendredi 3 mai 2024
Type de contrat : CDD Scientifique
Durée du contrat : 12 mois
Date d'embauche prévue : 2 septembre 2024
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : Entre 2905 et 3331 € bruts mensuels pour les docteurs avec une expérience postdoctorale inférieure à 2 ans
Niveau d'études souhaité : Niveau 8 - (Doctorat)
Expérience souhaitée : Indifférent
Section(s) CN : Micro et nanotechnologies, micro et nanosystèmes, photonique, électronique, électromagnétisme, énergie électrique
Missions
Les missions se déclineront sur trois étapes :
1. Evaluation théorique d’architectures de cellules TPV pour la conversion du rayonnement haute-température
Mise en œuvre d’un modèle théorique (bilan détaillé étendu) permettant de spécifier les choix optimums en termes d’énergie de bande interdite de la cellule, et de sélectivité spectrale réalisée par un composant photonique, en tenant compte de l’équilibre thermique de la cellule avec son environnement. Cette approche conduira notamment à préciser le cahier des charges du composant photonique réalisant la sélectivité spectrale et de température de fonctionnement de la cellule (ou de chaleur à dissiper pour maintenir la cellule à une température proche de 25 °C).
2. Modélisations optique et électrique pour la conception d’une architecture de cellule TPV à base de semiconducteurs III-V
Mise en œuvre de modèles optiques pour définir une structure photonique réalisant le filtrage spectral défini à l’étape 1. Mise en œuvre d’un simulateur opto-électronique permettant de définir l’architecture de la cellule photovoltaïque sous éclairement d’un émetteur de rayonnement thermique à haute température, maximisant les performances (compromis entre puissance électrique et rendement). Dès cette étape, le choix se portera sur une cellule à base de semiconducteurs III-As(N) de bande interdite ajustable dans l’intervalle cible 0,8 - 1,1 eV.
3. Réalisation expérimentale de démonstrateurs de cellules TPV
Fabrication et caractérisation du filtre réalisant la sélectivité spectrale et de la cellule TPV conçus en étape 2. La fabrication se fera par procédés de micro-nano fabrication en salle blanche (épitaxie par jets moléculaires, gravures, dépôts,…). La caractérisation des performances se fera en laboratoire (LAAS-CNRS) dans un premier temps, et ultimement en conditions réelles avec un émetteur porté à haute température sous éclairement solaire concentré (PROMES).
Les travaux seront réalisés au LAAS en forte collaboration avec le laboratoire PROMES.
Activités
Analyse bibliographique des structures photoniques pouvant réaliser la sélectivité spectrale.
Mise en œuvre d’un modèle théorique basé sur l'approche du bilan détaillé.
Utilisation de codes de simulation photonique et opto-électronique pour concevoir la structure de la cellule.
Mise en œuvre de procédés de salle blanche (dépôts, gravures, micro/nano-fabrication).
Caractérisation des performances et de propriétés des matériaux.
Compétences
Compétences en physique, optique, science des matériaux et physique des semi-conducteurs, physique de la conversion photovoltaïque.
Forte motivation pour le travail expérimental, préférentiellement avec une expérience en procédés de salle blanche.
Compétences générales : organisation, résolution de problèmes, communication, travail en équipe.
Contexte de travail
Parmi les multiples solutions de stockage aujourd’hui à l’étude afin d’accroître la pilotabilité des énergies renouvelables et favoriser une meilleure adéquation entre production et demande, la conversion thermophotovoltaïque (TPV) de chaleur haute-température constitue indéniablement l’une des options les plus prometteuses, tant sur le plan technologique qu’économique. Cette technologie de stockage thermique d’énergie solaire concentrée ou même d’énergie électrique (dénommée « power-to-heat »), suivie d’une conversion en électricité, repose sur l’association de deux composants clés : 1) un émetteur de rayonnement thermique porté à très haute température (supérieure à 1000 °C) ; 2) un module de conversion thermophotovoltaïque, inséré en vis-à-vis de l’émetteur thermique, et permettant de convertir le rayonnement émis par ce dernier en électricité. Si ce concept de stockage d’énergie sous forme thermique à haute température a fait l’objet de plusieurs évaluations théoriques au cours des dernières années, la démonstration expérimentale de sa conversion efficace a fait l‘objet d’une publication récente très remarquée : un rendement de conversion de 40% a ainsi été mesuré sur des architectures de cellules tandem exposées au rayonnement émis par une source de chaleur dont la température est comprise entre 2000 et 2400 °C.
Dans ce contexte, le projet vise à développer une technologie de cellules TPV optimisées pour la conversion d’énergie stockée à très haute température, dans l’intervalle allant de 1500 à 2000 °C. Cette gamme de température a été peu couverte jusqu’ici. Elle nécessite de mettre en œuvre des cellules photovoltaïques avec des énergies de bande interdite comprises entre 0,8 eV (alliage en InGaAs) et 1,1 eV (silicium).
Un certain nombre de verrous scientifiques et technologiques devront nécessairement être surmontés puisque les cellules TPV devront assurer :
- Une sélectivité spectrale optimale,
- Des performances (rendement, puissance) élevées,
- Des pertes résistives minimales.
Le post-doctorat est financé par le défi clé PV-STAR (https:///) de la Région Occitanie.
Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.
Contraintes et risques
Formations préalables pour l'utilisation de procédés de salle blanche.
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