Investigation des Modes de Dégradation des modules PV pour les applications en Moyenne Tension

Afin de réduire les pertes énergétiques et les coûts, les centrales photovoltaïques ont vu leur niveau de tension augmenter, qui devrait dépasser les 1500 Vdc normatifs pour atteindre jusqu’à 3000 Vdc prochainement. Des tensions encore plus élevées, jusqu'à 9000 V, pourraient offrir des avantages économiques très significatifs.
L'augmentation de la tension pose des défis scientifiques majeurs car elle se retrouve à l’intérieur de certains modules PV entre le cadre métallique et les cellules. Cela entraîne des dégradations regroupées sous le terme de Potential-Induced Degradation (PID), entraînant des pertes de puissance significatives. Ces dégradations peuvent avoir plusieurs origines : un court-circuit de la jonction PN (PID-s), une dépolarisation de la couche de passivation de la cellule solaire (PID-p) ou une corrosion de la métallisation (PID-c). La compréhension des phénomènes de PID à tension moyenne reste limitée, et il manque des études complètes sur les matériaux des modules, l'interaction entre PID et vieillissement, ainsi que le comportement du PID dans des technologies de cellules avancées.
La thèse proposée vise à identifier les propriétés des matériaux nécessaires pour que les modules PV puissent supporter des tensions élevées, en combinant approche expérimentale et simulation.
Le doctorant devra caractériser les matériaux PV (verres, encapsulants) sous des tensions allant jusqu’à 9000 V, évaluer l'impact du vieillissement sur les propriétés de ces matériaux, étudier l'influence des conditions environnementales sur le PID, modéliser la distribution du champ électrique dans les modules PV, et développer des stratégies de mitigation du PID. Cette recherche sera réalisée en collaboration entre le G2Elab et le CEA, combinant expertise en caractérisation des matériaux sous moyenne tension et fabrication des modules photovoltaïques.

Vers des protocoles efficaces et authentifiés pour l'intersection privée d'ensembles dans des environnements multi-clouds

L'Intersection d'Ensembles Privée (PSI) est un protocole cryptographique qui permet à deux (ou plusieurs) parties, détenant chacune un ensemble d'éléments, de calculer l'intersection de leurs ensembles sans révéler aucun élément en dehors de cette intersection. Autrement dit, chaque partie apprend uniquement quels éléments elles ont en commun, et rien d'autre concernant les données de l'autre partie. Par exemple, deux entreprises pourraient collaborer pour découvrir quels clients elles partagent en commun sans divulguer les clients qui sont propres à une seule entreprise. Le PSI est un cas particulier du calcul multipartite sécurisé qui se concentre sur le chevauchement d'ensembles; il a des applications dans la découverte de contacts privés (comme pour Signal ou Whatsapp ou durant le Covid), l'exploration de données respectueuse de la vie privée... Dans cette thèse, nous étudions les améliorations du PSI avec le chiffrement entièrement homomorphe.

Étude et développement de procédés innovants de gravure visant à réduire l’impact sur les oxydes semiconducteurs à base d’indium pour les mémoires FeFET

Les transistors ferroélectriques (FeFET) utilisent un oxyde semi-conducteur à base d'indium (SCO) comme matériau de canal. Cette couche, d'une épaisseur inférieure à 10 nm, est sensible à l'environnement chimique et à la température auxquels elle est exposée. Lors de l'intégration des FeFET dans le back-end of line (BEOL), il est nécessaire de graver des couches diélectriques par plasma en s'arrêtant sur la couche SCO afin de créer les contacts électriques du transistor. Le SCO exposé aux plasmas de gravure et de stripping peut être modifié et endommagé, rendant les contacts sur SCO non fonctionnels.
L'objectif de cette thèse est de caractériser les propriétés physico-chimiques, structurales et électriques des couches SCO à base d'indium exposées à différents plasmas de gravure et de stripping, en utilisant les techniques XPS, XRR, XRD, AFM ainsi que des tests électriques. En parallèle, une analyse de la contamination du réacteur de gravure contact par l'indium sera réalisée par XPS et TXRF, afin d'évaluer les protocoles de nettoyage plasma permettant d'éliminer efficacement l'indium de l'équipement de gravure, ce qui est crucial pour la fabrication de cette technologie dans une salle blanche 300 mm.

Monitoring in situ du vieillissement des circuits amplificateurs de puissance RF pour une écoconception et une durée de vie étendue

L'industrie des semi-conducteurs, et en particulier celle des circuits radiofréquences (RF), fait face à des défis critiques liés à l'écoconception et à l'éco-innovation. Ces enjeux incluent la nécessité de prolonger la durée de vie des circuits tout en répondant aux attentes des marchés émergents tels que la 5G et la future 6G. Parmi ces circuits, les amplificateurs de puissance (PA) occupent une place centrale, étant à la fois des composants critiques en termes de performance énergétique et des cibles privilégiées pour l'amélioration de leur robustesse face au vieillissement et à leur éventuelle réutilisation.

Le monitoring in situ du vieillissement des PA représente une voie prometteuse pour développer des solutions à la fois innovantes et durables. A ce titre, ce sujet s'inscrit pleinement dans les stratégies d'écoconception en exploitant des plateformes technologiques avancées telles que les technologies CMOS SOI actuelles et futures, tout en intégrant les contraintes industrielles à travers des collaborations stratégiques existantes avec des partenaires majeurs du CEA Leti.

Cette thèse vise à concevoir une solution innovante de monitoring in situ pour évaluer et compenser le vieillissement des amplificateurs de puissance, prolongeant ainsi leur durée de vie grâce à des stratégies de réutilisation et d’autocorrection. Pour ce faire, elle reposera sur des méthodologies et des circuits adaptés à des cas concrets. Ainsi, l’ambition sera de développer une nouvelle génération de circuits robustes et durables, intégrant des mécanismes intelligents de gestion du vieillissement. En adoptant une approche d’écoconception, ce travail aura pour but de répondre aux défis environnementaux tout en renforçant la compétitivité industrielle des technologies CMOS SOI.

Etude de l’effet des vibrations sur le diagnostic des câbles électrique par réflectométrie

Cette thèse porte sur l’étude de l’effet des vibrations sur le diagnostic des câbles électriques par réflectométrie. Les systèmes câblés, présents dans de nombreuses infrastructures critiques telles que l’aéronautique, le ferroviaire, le spatial ou le nucléaire, sont soumis à des contraintes mécaniques et environnementales susceptibles de provoquer des défauts non francs et intermittents. Sous l’effet des vibrations, ces défauts peuvent apparaître, disparaître ou modifier leur signature électrique, ce qui rend leur détection particulièrement complexe.

L’un des enjeux majeurs concerne les situations de type No Fault Found, dans lesquelles un défaut observé en fonctionnement devient non reproductible lorsque les conditions vibratoires disparaissent. Un autre enjeu important est le masquage temporaire de certains défauts par les vibrations, pouvant conduire à des faux négatifs lors du diagnostic et retarder la détection d’une dégradation latente.

L’objectif de la thèse est de mieux comprendre et modéliser le comportement électromécanique des défauts de câbles soumis à des sollicitations vibratoires, afin de relier les profils de vibration, l’évolution mécanique et électrique du défaut, ainsi que les signatures mesurées par réflectométrie. Le travail reposera sur des expérimentations couplant réflectométrie rapide et caméra haute vitesse, ainsi que sur le développement de modèles et d’outils d’analyse. Les données expérimentales et simulées seront ensuite exploitées afin d’améliorer la détection, la caractérisation et la prédiction de l’évolution des défauts, dans une perspective de diagnostic avancé et de maintenance prédictive.

Nouvelles stratégie pour l'optimisation de modèles thermodynamiques prédictifs

Les modèles thermodynamiques prédictifs, développés par la méthode Calphad, sont essentiels pour concevoir de nouveaux matériaux en anticipant leur comportement sans recourir à des expériences coûteuses et longues. Ces modèles permettent d'extrapoler les propriétés de matériaux complexes, de prévoir leur comportement dans des environnements extrêmes et de lier les propriétés énergétiques aux performances en service. Cependant, les méthodes actuelles de développement de ces modèles sont complexes et les incertitudes ne sont pas quantifiées avec les logiciels existants. Les scientifiques doivent encore s'appuyer sur leur expertise pour ajuster et valider ces modèles, ce qui est chronophage et peu adapté à l'ère de l'automatisation.

Pour remédier à cela, il est proposé de développer un outil numérique fiable, autonome et rapide, capable d'optimiser les modèles thermodynamiques en se basant uniquement sur des données expérimentales fournies par les utilisateurs. L'objectif est de fournir des modèles simples, fiables, validés et modulaires, permettant aux utilisateurs de prendre des décisions stratégiques en toute confiance, comme évaluer de nouvelles conditions de procédé ou optimiser la fabrication sans risquer des extrapolations incertaines. Ce projet vise à combler le fossé entre les données expérimentales spécifiques et les méthodes modernes de programmation non linéaire, en utilisant des approches d'optimisation avancées.

Etude du comportement en fatigue à très grand nombre de cycles de l’acier inoxydable martensitique 13-4 élaboré par Laser Metal Deposition : influence de la microstructure, des post-traitements et de la température

Les recherches récentes sur l’acier inoxydable martensitique 13-4 fabriqué par impression 3D métallique, notamment par le procédé Laser Metal Deposition (LMD), ont permis d’obtenir des matériaux présentant de bonnes propriétés mécaniques. Après cette phase d’optimisation, les travaux se concentrent désormais sur l’étude de leur comportement en fatigue à très grand nombre de cycles (VHCF), un critère essentiel pour les pièces soumises à des sollicitations répétées en conditions sévères.
La fatigue est l’une des principales causes de rupture des composants métalliques en service. Cette thèse vise donc à comprendre et modéliser le comportement en fatigue de l’acier 13-4 élaboré par LMD. Les travaux menés viseront à étudier l’influence de la microstructure, des traitements thermomécaniques et des conditions d’essais sur l’initiation et la propagation des fissures au cours des sollicitations mécaniques.
Les essais expérimentaux seront réalisés à l’aide de dispositifs de fatigue ultrasonique. Les mécanismes de rupture seront analysés grâce à des techniques de caractérisation multi-échelles comme l’EBSD, le MEB et le TEM. L’objectif final est de développer un modèle prédictif capable de prédire la durée de vie des composants en conditions de fonctionnement.

Compréhension des évolutions microstructurales au cours des traitements thermiques pour les aimants SmCo riches en fer

Les performances magnétiques des aimants en SmCo (rémanence et coercitivité) sont liées à leur microstructure. La microstructure finale sera développée après frittage lors de traitements thermiques d’homogénéisation et de vieillissement. La température et/ou la durée optimales de ces traitements dépendent de la composition de l'aimant. L'un des axes de développement majeurs pour les aimants commerciaux Sm2Co17 consiste à obtenir à la fois des performances magnétiques élevées et une réduction des matières critiques (le cobalt notamment). Ceci est réalisé par substitution d’une partie de Co avec du Fe, ce qui permet également de réduire les couts des matières premières. Cependant, la littérature montre que lorsque la teneur en Fe dépasse 20 % en poids, la coercitivité des aimants est détériorée.
L’objectif de la thèse sera de comprendre le rôle et la sensibilité des paramètres du procédé qui pilotent l’évolution de la microstructure au sein d’aimants Sm2Co17 riches en Fe et des propriétés qui en découlent. Ces évolutions seront suivies par différentes caractérisations (analyses chimiques, mesures magnétiques, observations MEB et MET, …) effectuées sur des échantillons prélevés lors des différentes étapes du procédé. L’objectif est de suivre de façon systématique (et pour la première fois sur ce type d’aimants) les transformations structurales (ségrégations chimiques, évolution de la teneur en Sm, présence de défauts, contamination en oxygène, etc…) intervenant, depuis la synthèse de l’alliage jusqu’à l’aimant final. Ces caractérisations doivent permettre d’aboutir à une description des mécanismes de formation de la microstructure attendue. Ces mécanismes sont activés lors des différents traitements thermiques mais l’influence de l’état métallurgique et chimique (par exemple la densité de défauts et l’inhomogénéité chimique) hérité des étapes précédentes du procédé est encore mal connu et devra être précisé.

Mise à l’échelle des jumeaux numériques de réseau par une gestion adaptative de la fidélité

Les futurs systèmes de communication, tels que les réseaux 6G, évoluent vers des infrastructures hautement distribuées, autonomes et hétérogènes, intégrant des architectures de continuum cloud-edge, l’Open RAN (O-RAN), des déploiements massifs d’objets connectés (IoT), l’informatique en périphérie (edge computing) et des environnements radio particulièrement dynamiques.

Ces systèmes devront prendre en charge des services exigeants tels que les communications critiques, l’automatisation industrielle, la mobilité autonome et les applications immersives, tout en fonctionnant dans des conditions caractérisées par un trafic fortement variable, des changements fréquents de topologie, une disponibilité fluctuante des ressources ainsi que des exigences strictes en matière de latence et de fiabilité.

La gestion de tels systèmes, notamment pour réaliser des opérations de configuration, d’optimisation et d’évolution sans risque, devient de plus en plus complexe. Cette difficulté est particulièrement marquée lorsqu’il s’agit d’effectuer une optimisation du réseau en temps réel, des analyses prospectives (« what-if »), du diagnostic de pannes ou encore de planifier des mises à niveau et des extensions du réseau.

Afin de répondre à ces défis, plusieurs initiatives de recherche récentes se sont intéressées à l’application du paradigme des jumeaux numériques aux réseaux de communication, donnant naissance au concept de "Network Digital Twins (NDTs)" ou "jumeaux numériques de réseau".

Un jumeau numérique de réseau est une représentation virtuelle d’un réseau de communication qui reste suffisamment synchronisée avec l’infrastructure physique pour reproduire son état opérationnel et son comportement, permettre des analyses prédictives et évaluer des scénarios hypothétiques avant l’application de décisions au système réel.

Cependant, maintenir un NDT précis et temporellement cohérent dans des réseaux de grande échelle et fortement dynamiques demeure un défi majeur.

Les NDT actuels reposent principalement sur des mécanismes explicites de synchronisation afin de préserver la fidélité entre les systèmes physique et virtuel. Bien que des travaux récents aient introduit des mécanismes de prédiction assistés par l’intelligence artificielle pour réduire la surcharge liée à cette synchronisation, ces approches ne résolvent pas entièrement le problème de l’adaptation dynamique de la fidélité du NDT en fonction de l’incertitude des prédictions, de la valeur de l’information, de la dynamique du réseau et des exigences opérationnelles.

La fidélité adaptative peut être interprétée comme un mécanisme de représentation multi-résolution, dans lequel le jumeau numérique ajuste dynamiquement sa granularité d’observation, son coût de synchronisation et sa précision de reconstruction en fonction de la valeur de l’information, de l’incertitude prédictive, de la dynamique du réseau et des ressources disponibles.

L’objectif principal de cette thèse de doctorat est de concevoir, développer et valider un cadre de gestion adaptative de la fidélité (Adaptive Fidelity Management) permettant la mise en œuvre de jumeaux numériques de réseau évolutifs, efficaces en ressources et adaptés aux futurs systèmes de communication.

Croissance de FAPbBr3 par CSS pour la détection des rayons X

Les pérovskites halogénées au plomb, et notamment les matériaux hybrides organiques-inorganiques à base de formamidinium possèdent des propriétés opto-électroniques exceptionnelles qui ont été intensivement exploitées pour les applications PV. Dans cette famille de matériaux, le FAPbBr3 est également particulièrement prometteurs pour la détection des rayons X pour les applications médicales. Mais cette technologie nécessite de savoir déposer des couches épaisses (>100 µm) sur de grandes surfaces. Le CEA-LITEN a développé pour les pérovskites inorganiques une approche innovante de dépôt par sublimation en espace proche (CSS) répondant à ces critères. Très récemment, il a été montré qu’il était possible de déposer également le FAPbBr3 par cette méthode, une première mondiale.
Mais les mécanismes de croissance du FAPbBr3 et des pérovskites hybrides par CSS sont largement incompris, et les possibilités offertes par cette méthode de dépôt entièrement à explorer. Par ailleurs, ces résultats sont également extrêmement prometteurs pour les applications PV car une même croissance est attendue en substituant le Br pour former du FAPbI3.
Cette thèse vise à (i) déterminer et optimiser les conditions de croissance par CSS pour les couches de FAPbBr3, (ii) comprendre par des caractérisations avancées (in-situ et ex-situ) les mécanismes de croissance du FAPbBr3 et (iii) optimiser les dispositifs pour la détection des rayons X. L’extension de ces travaux au FAPbI3 pour les applications PV est également attendue. La nouveauté de cette approche et la possibilité d’adresser plusieurs applications offre des perspectives de publications et brevets.