Nanoréacteurs tubulaires durables à polarisation radiale pour la catalyse

L'augmentation de la demande en énergie et la nécessité de réduire l’utilisation des combustibles fossiles afin de limiter le réchauffement climatique ont ouvert la voie à un besoin urgent de technologies de collecte d'énergie propre. Une solution intéressante consiste à utiliser l'énergie solaire pour produire des carburants. Ainsi, les matériaux bon marché tels que les semi-conducteurs ont fait l'objet de nombreuses études pour les réactions photocatalytiques. Parmi eux, les nanostructures 1D sont prometteuses en raison de leurs propriétés intéressantes (surfaces spécifiques élevées et accessibles, environnements confinés, transport d'électrons sur de longues distances et séparation des charges facilitées) L'imogolite, une argile naturelle sous la forme d'un nanotubes creux, appartient à cette catégorie. Sa particularité ne vient pas de composition chimique (Al, O et Si) mais de sa courbure intrinsèque qui induit une polarisation permanente de la paroi séparant efficacement les charges photo-induites. Ce nanotube appartient à une famille partageant la même structure locale avec différentes morphologies courbées (nanosphère et nanotuile). En outre, plusieurs modifications de ces matériaux sont possibles (couplage avec des nanoparticules métalliques, fonctionnalisation de la cavité interne), ce qui permet de moduler leurs propriétés. Ces matériaux sont ainsi de bons candidats comme nanoréacteurs pour les réactions photocatalytiques. Pour l'instant, la preuve de concept (i.e. le nanoréacteur pour des réactions photocatalytiques) n'a été obtenue que pour la forme nanotube. L'objectif de cette thèse est ainsi d'étudier toute la famille (nanotube, nanosphère et nanotuile, avec diverses fonctionnalisations) en tant que nanoréacteurs pour des réactions de réduction du proton et du CO2 déclenchées sous illumination

Développement d’une nouvelle génération de films d’encapsulation recyclables pour modules photovoltaïques

Dans le contexte de la transition énergétique, l’énergie solaire photovoltaïque (PV) représente une part croissante de la production mondiale d’énergie électrique, et cette dernière représente elle-même une part croissante de la production mondiale d’énergie. La production et le déploiement massif de modules PV induit des pressions croissantes sur l’environnement. Notamment, à cause de l’extraction des matières premières nécessaires à leur production et de leur prise en charge en fin de vie. Le recyclage permet d’agir simultanément sur ces deux sujets.
Les modules PV sont constitués de couches de natures différentes laminées ensemble. Le cœur du module contient les cellules PV enrobées dans un élastomère, l’encapsulant. Ce matériau joue plusieurs rôles : propriétés barrières, protection mécanique, etc. Actuellement, les encapsulants utilisés sont généralement des copolymère EVA réticulés ce qui rend le recyclage particulièrement difficile.
Ce travail de thèse aura pour but de développer un encapsulant vitrimère pour l’application PV. Un encapsulant de cette classe de polymère aux liaisons échangeables pourrait drastiquement simplifier le recyclage sans compromettre l’intégrité du module en service.
Ce travail débutera par la formulation de l’encapsulant à propriété vitrimère par modificationchimique d'élastomèrespar extrusion réactive. Il se poursuivra par la caractérisation de ses propriétés (thermo-réversibilité, rhéologie, propriétés barrières) jusqu’à sa mise en module. Le développement sera itératif, conduisant à la réalisation d’essais dans des conditions représentatives de l’application à divers stades du développement. Il s’appuiera sur les moyens et expertises des trois laboratoires partenaires LCMCP (Sorbonne Université), PIMM (ENSAM) et LITEN (CEA).
La thèse se déroulera principalement en région parisienne.

Développement d'un module prédictif de puissance électrique pour un module photovoltaïque soumis à des contraintes spatiales

Le CEA développe des nouvelles architectures cellules et modules ainsi que des outils de simulation pour évaluer les performances électriques des systèmes photovoltaïques (PV) dans leur environnement de fonctionnement. Un des modèles appelé CTMod (Cell To Module) développé au CEA, permet de tenir compte des différents matériaux constituant le module, mais aussi, des différentes architectures de cellules. Pour les applications spatiales, la communauté souhaite utiliser les technologies terrestres à base de silicium intégrables sur des PVA (Photovoltaïc Assembly) flexibles. L’environnement spatial impose de très fortes contraintes. Une évaluation pertinente des performances en début et fin de mission est donc indispensable pour leur dimensionnement.
L’objectif de la thèse est de corréler les modèles physiques de dégradation rayonnement-matière spécifique pour une utilisation dans le domaine spatial avec les modèles électriques des cellules photovoltaïques. Les dégradations des performances liées aux différentes irradiations électrons, protons et ultraviolet (UV) de l’environnement spatial seront évaluées et validées expérimentalement. Associé au modèle CTMod, cette nouvelle approche jamais abordée dans la littérature permettra d’avoir une compréhension plus pointue des interactions entre les radiations et les PVAs. Ces dégradations sont issues de phénomènes de dépôts d’énergie non ionisants, quantifiés par la dose de défauts par déplacement, et ionisants quantifiés par la dose ionisante totale pour les protons et électrons. Pour les UV, l’excitation des électrons de la matière engendre des ruptures de chaînes dans les matériaux organiques et des centres colorés dans les matériaux inorganiques. Dans un premier temps la cellule solaire utilisée dans le modèle sera une cellules Silicium, mais le modèle pourra être complété avec d’autres types de cellules solaires en développement telles que les cellules à base de perovskite.

Fissuration des panneaux solaires sous impacts hypervéloces

Avec l'augmentation du nombre de débris spatiaux et de satellites en orbite basse, la vulnérabilité des panneaux solaires installés sur ces satellites devient un problème majeur. Dans ce contexte, le CEA-Liten développe de nouvelles solutions de panneaux solaires utilisant des matériaux flexibles avancés qui pourraient être utilisés pour des assemblages photovoltaïques (PVA) pliés en Z ou enroulables. L'objectif de ce projet de thèse est d'étudier les comportements à l'impact et post-impact de ces nouveaux PVA solaires sous impact à hyper-véloces de projectiles de taille millimétrique.
Les laboratoires IDL, CEA et 3SR proposent de développer une stratégie basée sur les étapes suivantes : identification des niveaux de charge et de pression par une série de simulations numériques, caractérisation du comportement mécanique des matériaux et des interfaces impliqués dans le PVA solaire par des essais à haute vélocité de déformation grâce à des expériences de barres d'Hopkinson et d'impact de plaques, identification des équations d'états et des modèles constitutifs d'endommagement et de rupture et leur implémentation dans des codes numériques, prédiction de l'endommagement et de la rupture dans le PVA soumis à un impact hyper véloce et comparaison avec des données expérimentales par des essais d'impact considérant une large gamme de vitesses d'impact.

Stabilisation de dispositifs photovoltaïques Pérovskite par passivation avec des matériaux type Metal-Organic Frameworks

Les MOFs sont un type de matériaux poreux hybrides organiques-inorganiques avec des propriétés intéressantes du point de vue de la passivation des défauts de la pérovskite et de sa stabilité, notamment lumineuse. Par exemple :
• Effet direct des composants du MOF comme agents de passivation : Les ions métalliques et ligands organiques peuvent passiver des défauts à l’interface MOF/PK.
• Effet de « downconversion » du rayonnement incident : Certains métaux (comme l’europium) ou ligands (avec groupes aromatiques) peuvent absorber les rayonnements de haute énergie (violet / UV proche typiquement), puis réémettre cette énergie sous forme de rayonnement de moindre énergie ou la transmettre directement de manière non radiative à la pérovskite par résonance Förster (ou FRET). Ceci permet de protéger la pérovskite des photons de haute énergie, donc a priori d’améliorer la stabilité lumineuse, avec peu de pertes énergie.
Le travail de thèse concernera :
• l’intégration de MOF dans la couche pérovskite, en traitement de surface ou mélange de suspensions (à noter qu’un travail de stage préalable permettra de définir les voies les plus prometteuse dans le cadre de la thèse)
• Les études matériaux (notamment études avancées par XPS et UPS)
• La réalisation de dispositifs simple jonction puis tandem avec sous cellule silicium
• L’étude de durée de vie sous illumination (continue, cyclage) avec caractérisations associées (mesure électriques, photoluminescence, etc..)

Chimie de greffage de polyoléfines en fondu pour panneaux photovoltaïques réparables et recyclables

Chimie de greffage de polyoléfines en fondu pour panneaux photovoltaïques réparables et recyclables
Les panneaux solaires sont des assemblages multi matériaux constitués de cellules photovoltaïques contenant de nombreux métaux précieux (Silicium métal, Argent), de verre de haute qualité utilisé comme protection, couteux à fabriquer et d’un film polymère jouant le rôle de liant. Ce dernier est appelé encapsulant et est généralement réalisé à partir de thermoplastiques qui vont être réticulés durant la fabrication des panneaux photovoltaïques, ce qui rend l’étape de démontage des panneaux et le recyclage des matériaux le constituant très difficile.
Le CEA développe de nouveaux matériaux pour améliorer la recyclabilité des systèmes de production de nouvelles énergies, comme les panneaux photovoltaïques. Le sujet de thèse vise le développement de nouveaux encapsulants permettant d’améliorer la recyclabilité des panneaux photovoltaïques, via une méthode de réticulation réversible des encapsulants. Les travaux de thèse seront divisés en deux parties, lesquelles représentent les différentes étapes nécessaires à la réalisation de ces encapsulants. Dans un premier temps différents composés vinyliques d’intérêt seront greffés sur des polyoléfines en voie fondue (extrusion, mélangeur interne). Les réactivités des différents composés seront évaluées, et les évolutions des propriétés thermiques, optiques, et structurales des polyoléfines fonctionnalisées seront caractérisées. Dans une seconde étape, la molécule précédemment greffée viendra servir de support pour la mise en place d’une réticulation covalente dynamique grâce à l’ajout en milieu fondu d’un catalyseur de transestérification et de diols porteurs de liaisons siloxanes échangeables. L’impact de cette réticulation sur les propriétés mécaniques, optiques et thermiques sera caractérisé, et une optimisation des propriétés du matériau pour l’application photovoltaïque sera visée. En fin de thèse, le matériau développé sera testé sur des mini-modules photovoltaïques afin de valider son efficacité en tant qu’encapsulant mais aussi valider l’étape de désassemblage.

Electrodes poreuses à base de nanodiamants pour la production photoélectrocatalytique de carburants solaires

Parmi les semi-conducteurs à l'échelle nanométrique, les nanodiamants (ND) n'ont pas encore été réellement pris en compte pour les réactions photoélectrocatalytiques dans le domaine de l'énergie. Cela s'explique par la confusion avec le diamant monocristallin qui présente une large bande interdite (5,5 eV) ce qui nécessite une illumination UV profonde pour initier une photoréactivité. À l'échelle nanométrique, les ND contiennent des défauts natifs (carbone sp2, impuretés chimiques telles que l'azote) qui peuvent créer des états énergétiques dans la bande interdite du diamant, ce qui réduit l'énergie lumineuse nécessaire pour amorcer la séparation des charges. En outre, la structure électronique du diamant peut être fortement modifiée (sur plusieurs eV) en jouant sur ses terminaisons de surface (oxydées, hydrogénées, aminées), ce qui peut ouvrir la voie à des alignements de bandes optimisés avec les espèces à réduire ou à oxyder. En combinant ces atouts, le ND devient alors compétitif avec d'autres semi-conducteurs pour des photoréactions. L'objectif de ce doctorat est d'étudier la capacité des nanodiamants à réduire le CO2 par photoélectrocatalyse. Pour atteindre cet objectif, des électrodes seront fabriquées à partir de nanodiamants avec différents chimies de surface (oxydés, hydrogénés et aminés), soit en utilisant une approche conventionnelle de type encre, soit une approche plus innovante qui résulte en un matériau poreux comprenant des nanodiamants et une matrice déposée par PVD. Les performances (photo)électrocatalytiques sous illumination visible de ces électrodes à base de nanodiamants pour la réduction du CO2 seront alors étudiées en termes de taux de production et de sélectivité, en présence ou non d'un co-catalyseur moléculaire macrocyclique à base de métaux de transition.

Elaboration et caractérisation de couches de poly-silicium dopées bore pour applications photovoltaïques

Ce projet de thèse vise à développer des technologies nécessaires à la production de cellules photovoltaïques (PV) à contacts passivés sur silicium cristallin (c-Si) et participant à l’élaboration d’architectures de type tandem (pérovskite sur silicium). Au cœur de ces structures de cellules PV, une couche nanométrique de poly-silicium de polarité p, usuellement dopée au bore, est nécessaire. Les principales limites à l’intégration de ces couches à l’heure actuelle sont une absorption trop élevée, une qualité de prise de contact insuffisante, et des propriétés passivantes trop faibles sur silicium texturé, laquelle texturation est pourtant désormais nécessaire si l’on veut augmenter le rendement des cellules, tandem notamment. L’objectif principal du doctorat sera de développer des empilements de poly-Si dopé bore sur oxyde nanométrique, par voie LPCVD et/ou PECVD, et cumulant de bonnes propriétés optique, de prise de contact, et de passivation (700mV sur texturation est un minimum). Les différentes briques technologiques développées seront appliquées sur des dispositifs PV afin de démontrer des potentiels de rendement de conversion supérieurs à 25%. Le travail expérimental se fera en environnement salle blanche, et la compréhension des mécanismes mis en jeu se fera via des travaux de caractérisation et de modélisation. Durant son doctorat, l’étudiant sera amené à soumettre ses résultats à la communauté scientifique sous la forme d’articles, de brevets, et de présentations en conférence. L’étudiant aura également l’opportunité de co-encadrer des étudiants en stage de fin d’études / Master 2.
Le doctorat se fera sur trois ans, dans un cadre verdoyant et dynamique, sur le campus Technolac (73355 Bourget du Lac) au sein de l’Institut National de l’Energie Solaire (INES). Inventivité, rigueur scientifique, qualités relationnelle et rédactionnelle, et respect des délais sont grandement appréciés pour ce poste.

ClimatSunPV: Etude de composants PV intégrés au bâti aux fonctionnalités photoniques, capacité d'auto-rafraichissement et contribuant à l’atténuation des effets d’ilot de chaleur urbain

L’intégration de modules PV au bâtiment ou à d’autres applications en particulier présente différentes contraintes réduisant leur performance électrique par rapport à des installations au sol due à la modification de leurs conditions de fonctionnement. L’objectif de cette thèse serait la recherche d’une méthode de conception globale d’une façade BIPV en vue d’optimiser sa production et son impact sur le système d’intégration (bâtiment…) en palliant ses contraintes : ombrages statiques et mobiles, gradients de températures dus à l’albédo en partie basse, ensoleillement favorable surtout en période froide, surchauffe localisée… Pour cela, différentes approches seront envisagées :
1- Optimiser la gestion de température du champ PV ou l’uniformisation du champ de températures par convection forcée (par air ou par eau) : cas d’une façade (ou toiture) double peau (extraction voire récupération de chaleur en face arrière des modules PV à travers l’analyse numérique et expérimentale des chemins (écoulement d’air) de ventilation naturelle ou forcée) et cas d’une façade (ou toiture) monomur (autres méthodes de refroidissement);
2- Refroidissement passif des systèmes BIPV et PV : recherche à partir de modèles numériques et d’études expérimentales et validation de solutions technologiques passives simples (ailettes, dissipateurs thermiques, matériaux gradués, matériaux à effet photonique, entre autres).

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