Mitigation des dégradations induites par le rayonnement UV des cellules solaires à hétérojonction de silicium
Les nouvelles générations de modules photovoltaïques utilisant des cellules solaires haut rendement à base de silicium sont sensibles aux rayonnements UV, impliquant une baisse de performances à moyen/long terme. C’est notamment le cas de la technologie de cellules à hétérojonction de silicium (SHJ). Pour cette technologie, les photons UV ont une énergie suffisante pour rompre les liaisons Si-H au sein des couches sélectives de charges (silicium amorphe/nanocristallin hydrogéné). La dégradation de ces couches induit une diminution de la passivation des défauts d’interface et in fine une diminution des rendements de conversion.
Actuellement, les moyens de mitigation des dégradations liés aux UV (UVID) sont adressés aux niveaux des modules, en utilisant des encapsulants bloquant ou convertissant ces longueurs d’onde. Cependant, ces solutions réduisent le nombre de photons atteignant la cellule et ces encapsulants sont également sujet à la photo-dégradation (jaunissement).
Cette thèse vise à explorer d’autres moyens de mitigation des UVID mais au niveau de la cellule solaire. Deux axes principaux seront explorés par le doctorant :
- l’amélioration de la résistance des couches sélectives aux UV ;
- l’intégration de couches permettant d’absorber les UV et/ou limiter la diffusion de l’hydrogène.
En lien avec ces deux axes, le doctorant s’attachera à étudier les mécanismes de diffusion de l’hydrogène avec les nouvelles solutions proposées et l’influence de cette diffusion sur les interfaces et les couches recouvrant les couches sélectives.
Grâce à la collaboration entre l’ICube et le CEA-INES, le doctorant aura à sa disposition des équipements de taille industrielle et de laboratoire permettant d’évaluer de nombreuses solutions, des équipements de caractérisation avancée et notamment de l’ERDA pour la caractérisation de l’hydrogène. Enfin des bancs de test UV seront utilisés pour évaluer la robustesse des solutions proposées.
Étude et optimisation d’accumulateurs lithium-soufre basées sur un mécanisme de conversion quasi-solide du soufre
Les batteries lithium-soufre sont considérées comme l’une des solutions les plus prometteuses pour la prochaine génération de stockage d’énergie. Elles offrent une densité énergétique supérieure à celle des batteries actuelles, tout en utilisant du soufre, un matériau abondant et peu coûteux. Cependant, plusieurs verrous scientifiques et technologiques freinent encore leur déploiement à grande échelle.
Un problème majeur réside dans la formation de polysulfures de lithium solubles lors du fonctionnement de l’accumulateur. Ceux-ci peuvent migrer à l’intérieur de la cellule et entraîner une perte rapide de capacité. Des recherches récentes suggèrent qu’un autre chemin réactionnel, appelé « mécanisme quasi-solide », pourrait limiter cette dissolution et améliorer significativement la stabilité des batteries.
Cette thèse de doctorat vise à concevoir et étudier des cellules lithium-soufre de type « pouch » fonctionnant selon ce mécanisme quasi-solide. Le travail combinera le développement d’électrodes de soufre, des tests électrochimiques et des techniques avancées de caractérisation afin de mieux comprendre les processus gouvernant les performances et la durabilité des batteries.
Le projet s’articulera autour de deux axes de recherche complémentaires :
1. Travail d’optimisation d’électrodes positives
La première partie du travail consistera à développer des cathodes à base de soufre optimisées. Cela inclut l’exploration de différents matériaux hôtes conducteurs et l’ajustement de leur structure ainsi que de leurs propriétés de surface afin de mieux confiner le soufre et de limiter les réactions indésirables.
2. Développement d’électrolytes adaptés
La seconde partie du projet portera sur la formulation d’électrolytes capables de réduire la solubilité des polysulfures tout en maintenant de bonnes performances électrochimiques. Les solutions actuelles reposent souvent sur des solvants fluorés denses, qui augmentent les coûts et l’impact environnemental. Ce projet explorera des systèmes de solvants alternatifs et étudiera l’influence de la composition et de la concentration en sels de lithium sur le comportement des cellules.
Afin d’approfondir la compréhension du mécanisme réactionnel quasi-solide, le projet inclura également des techniques de caractérisation operando ou in situ, telles que la spectroscopie Raman, la diffraction des rayons X, et la tomographie X à haute résolution.
Croissance matériaux chalcogénures FerroMagnétiques 2D pour la spintronique
Les matériaux chalcogénures, notamment les alliages Ge-Sb-Te (GST), sont essentiels pour les mémoires à
changement de phase (PCMs). Bien que performantes, ces mémoires consomment beaucoup d’énergie, ce
qui pousse à explorer des solutions alternatives. Les alliages GST offrent des opportunités uniques dans le
domaine de la spin-orbitronique comme matériau d'interconversion spin-charge ou comme source de courant polarisé en spin. Les alliages ferromagnétiques 2D comme les alliages Fe-Ge-Te ou Ge-Mn-Te offrent des pistes prometteuses comme sources de courant de spin pour de nouveaux types de mémoires plus efficaces. Pour une injection de spin efficace, on recherche un matériau qui non seulement présente une température de Curie (TC) élevée et une polarisation de spin importante, mais qui est parfaitement compatible à la technologie CMOS existante à base de silicium.
Cette thèse a pour but de développer et de maîtriser de manière industrielle sur substrat Si 300 mm, la croissance par épitaxie van der Waals dans des bâtis de pulvérisation cathodique industriels de films ferromagnétiques 2D basés sur les alliages FenGe(Ga)Te2 (n=3, 5) ou Ge1-xMnxTe afin par exemple de les intégrer in situ avec des couches de chalcogénures d’interconversion spin-charge telles que les couches ferroélectriques (a-GeTe(111)) ou des isolants topologiques (Bi2-xSb2Te3).
Restauration des défauts d’irradiation dans les cellules solaires photovoltaïques en silicium cristallin pour l’environnement spatial
Les cellules solaires photovoltaïques (PV) silicium suscitent un intérêt fort pour le spatial. Elles permettent de répondre aux nouvelles exigences de ce secteur d’activité (baisse des coûts, forte croissance). C’est d’autant plus vrai si le spatial peut s’appuyer sur les évolutions les plus récentes des technologies silicium « terrestre » et les lignes de production associées. Sur les satellites, les cellules sont exposées aux irradiations électrons/protons. Ces irradiations induisent des défauts dans le substrat qui affectent les performances PV. Cependant, certains défauts peuvent être annihilés lors de recuits sous éclairement représentatifs des conditions d’utilisation de la cellule en orbite.
Les principaux objectifs de la thèse sont i) identification des mécanismes de dégradation sous irradiation électron/proton des propriétés optoélectroniques des cellules silicium à contacts passivés ii) développement d’une compréhension complète sur les effets d’annihilation des défauts lors de recuits au travers d’études expérimentales et de modélisations-simulations iii) définition et développement de procédés pour accélérer les mécanismes d’annihilation des défauts.
Pour atteindre ces objectifs, le travail de thèse s’appuiera sur les étapes suivantes : étude bibliographique, fabrication de cellules solaires, vieillissements accélérés sous irradiations protons et électrons, caractérisations avancées et modélisations. Les travaux auront essentiellement lieu au CEA/Liten, sur le Campus INES (Le Bourget du Lac, FR) en forte interaction avec le CNES (Toulouse, FR).
Amélioration du rendement faradique des cellules d’électrolyse céramiques protoniques (PCCEL) par l’ingénierie de l’électrolyte et de l’interface électrode–électrolyte
Les cellules d’électrolyse céramiques protoniques (PCCEL), une variante avancée des cellules d’électrolyse à oxyde solide (SOEC), permettent la production directe d’hydrogène par électrolyse de la vapeur d’eau, en utilisant des électrolytes conducteurs protoniques. Contrairement aux SOEC classiques, qui reposent sur des électrolytes conducteurs d’ions oxygène (O²?), les PCCELs fonctionnent à plus basse température (~400–600?°C contre 750–850?°C pour les SOEC), grâce à une meilleure conductivité protonique. Cette réduction de température permet de limiter la dégradation des matériaux et de diminuer les coûts système. Tandis que la technologie SOEC atteint aujourd’hui un niveau de maturité industrielle, avec des projets à grande échelle en cours de déploiement, le développement des PCCELs reste limité par plusieurs verrous scientifiques. Parmi ceux-ci figurent : la difficulté à densifier les électrolytes (type BaCeO3–BaZrO3) sans volatilisation du baryum lors du frittage à haute température ; le rôle bloquant des joints de grains dans le transport protonique ; et la maîtrise encore imparfaite des interfaces électrode–électrolyte. Cette thèse vise à améliorer le rendement faradique des PCCELs en optimisant la microstructure des électrolytes et la qualité des interfaces via des traitements de surface ciblés. La méthodologie inclut la fabrication de cellules, l’ingénierie des interfaces, et l’évaluation électrochimique. L’objectif final est de proposer des protocoles robustes et reproductibles permettant d’atteindre un rendement faradique supérieur à 95?%, compatibles avec une mise à l’échelle industrielle.
Comportement de la matière sous compressions dynamiques isothermes: déplacement de la réactivité chimique ; synthèse de nouveaux matériaux métastables ; mécanismes de transition de phase.
La Cellule à Enclumes de Diamant équipée d’actuateurs piézoélectriques, ou d-CED, est un dispositif innovant permettant de générer des compressions et des décompressions dynamiques sur une large plage de taux de variation de pression. La d-CED permet ainsi de réaliser des sollicitations dynamiques finement contrôlées, avec des taux de (dé)compression pouvant varier sur plusieurs ordres de grandeur le long de chemins isothermes. Cela ouvre la voie à la constitution de bases de données de référence pour la validation de mécanismes microscopiques. Par ailleurs, les taux de compression ou de décompression peuvent être assimilés à des taux de chauffe ou de refroidissement ultra-rapides de l’échantillon, offrant la possibilité d’explorer, de manière très contrôlée, certains phénomènes encore débattus dans la littérature, tels que la stabilité maximale d’un solide au-delà de son point de fusion.
L’objectif de cette thèse est d’exploiter les nouvelles possibilités offertes par la d-CED pour démontrer de nouveaux phénomènes ou comprendre finement certains effets discutés dans la littérature, en réalisant des variations de température ultra-rapides. Une première application consistera en l’étude de la cinétique de nucléation des gaz rares (Ar, Ne, Kr) en fonction du taux de compression, et de comparer aux récentes mesures effectuées auprès du XFEL dans des jets cryogéniques. Un deuxième objectif sera d’étudier les changements chimiques, avec une première étude portant sur la modification de la réactivité du nitrométhane, explosif de référence. Un autre sujet d’étude concernera la synthèse de nouveaux composés moléculaires à partir de mélanges de fluides moléculaires denses (N2, H2, O2).
Criblage haut-débit de catalyseurs pour la conversion directe du CO2 en carburants de synthèse
Ce projet doctoral vise à développer une approche innovante de criblage haut-débit de catalyseurs pour la conversion du CO2 par voie directe en carburants de synthèse, dite CO2-FTS. Cette approche combinera une plateforme de criblage de catalyseurs à des techniques de caractérisation in situ/operando et des méthodes d'intelligence artificielle pour accélérer la découverte et l'optimisation de catalyseurs performants. Il vise à identifier des catalyseurs de type FeOx dopés pour la CO2-FTS (>50% conversion, sélectivité forte vers les C8-C16). Plusieurs campagnes de mesures permettront une optimisation itérative des compositions et des conditions réactives. Un modèle numérique du paysage paramétrique sera ainsi proposé. Ce dernier pourra être couplé ultérieurement à la modélisation multi-échelle du site actif au réacteur. Les catalyseurs développés contribueront à la transition énergétique, en permettant une économie circulaire du carbone.
Mesure de la vitesse du son dans H2 et He constitutifs des intérieurs des géantes gazeuses
L'objectif de la thèse est d'étudier les mélanges hydrogène-hélium en phase fluide à haute pression et haute température par spectroscopie Raman et Brillouin. Les expériences seront effectuées en cellule a enclumes diamant sous chauffage laser permettant d’explorer un vaste domaine de pression et de température représentatif des intérieurs planétaires des géantes de gaz (1-300 GPa, 300-4000 K). La spectroscopie Raman sera utilisée pour sonder les changements chimiques susceptibles d’apparaître en conditions extrêmes. La spectroscopie Brillouin donnera accès à la vitesse du son adiabatique et aux équations d’état de ces systèmes en phase fluide. Ces données seront particulièrement utiles pour améliorer la modélisation des intérieurs de Jupiter et Saturne.
Alliages de lithium pour batteries tout solide à électrolyte sulfure
L’utilisation du lithium métal comme électrode négative permettrait d’augmenter fortement la densité d’énergie des batteries actuelles. Cependant, aujourd’hui, ce matériau conduit rapidement à des courts-circuits au cours des cycles de charge/décharge, notamment à cause la formation de dendrites et de l’instabilité de l’interface avec l’électrolyte. Les batteries tout-solide, en particulier avec des électrolytes sulfures, constituent une alternative prometteuse, mais les limitations du lithium métal persistent. Les alliages de lithium apparaissent alors comme une solution pour améliorer les propriétés mécaniques et interfaciales tout en conservant de bonnes densités énergétiques.
L’objectif de la thèse est de développer et sélectionner des alliages de lithium adaptés aux électrolytes sulfures pour des batteries de génération 4, puis de les intégrer dans des cellules tout-solide afin d’étudier les mécanismes de dégradation. Le travail couvre à la fois la synthèse des alliages, leur mise en forme compatible avec l’industrie et leur intégration en cellules. Les alliages seront synthétisés sous forme de films fins, caractérisés finement, puis testés électrochimiquement en cellules laboratoire et en cellules-poche. Enfin, les phénomènes de dégradation, notamment aux interfaces, seront étudiés grâce à des caractérisations avancées post-mortem.
Caractérisation in situ et en temps réel de nanomatériaux par spectroscopie de plasma
L'objectif de cette thèse est de développer un dispositif expérimental permettant de réaliser l'analyse
élémentaire in situ et en temps réel de nanoparticules lors de leur synthèse (par pyrolyse laser ou pyrolyse
par flamme). La spectrométrie d'émission optique de plasma induit par laser (Laser-Induced Breakdown
Spectroscopy: LIBS) sera utilisée pour identifier les différents éléments présents et de déterminer leur
stoechiométrie.
Les expériences préliminaires menées au LEDNA ont montré la faisabilité d'un tel projet et en particulier
l'acquisition d'un spectre LIBS d'une nanoparticule unique. Néanmoins le dispositif expérimental doit être
développé et amélioré afin d'obtenir un meilleur rapport signal sur bruit, de diminuer la limite de détection, de
tenir compte des différents effets sur le spectre (effet de taille des nanoparticules, de composition ou de
structure complexe), d'identifier et de quantifier automatiquement les éléments présents.
En parallèle, d'autres informations pourront être recherchées (via d'autres techniques optiques) comme la
densité de nanoparticules, la distribution de taille ou de forme.