UPThèses

Nous étudions dans cette thèse la rectification thermique de diodes thermiques radiatives ou conductive constituées de matériaux à changement de phase.Cette thèse est divisée en trois parties. Dans les premières parties, nous modélisons comparativement les performances d’une diode thermique conductive sphérique et cylindrique constitués de VO2 présentant un transition de phase et des matériaux n’en présentant pas. Des expressions analytiques aux bornes des diodes sont dérivées. Des flux thermiques, des facteurs de rectifications ainsi que les profils de température à l’intérieur de la diode sont obtenus. Nos résul-tats montrent que les différentes géométries de diodes ont un impact significatif sur les profils de température et les flux thermiques, mais moins un sur les facteurs de rectification. Dans ce travail, nous avons obtenu des facteurs de rectification maximaux allant jusqu’à 20.8% et 20.7%, qui sont supérieurs à celui prédit pour une diode plane constituée de VO2. Nous montrons également que des facteurs de rectification similaires à ceux obtenus avec le VO2 dans les géométries sphériques et cylindriques peuvent être atteints avec des matériaux à changement de phase dont le contraste de conductivité est plus important que dans le cas du VO2. Dans la deuxième partie, nous étudions la rectification de diodes thermiques constituées de deux matériaux à changement de phase. Avec, l’idée de générer un facteur de redressement plus élevé que dans le cas d’une diode thermique conductive ne comprenant qu’un matériau à changement de phase unique. Là encore, le travail a conduit à l’établissement d’expressions explicites pour les profils de température, les flux thermiques et le facteur de rectification. Nous avons obtenu un facteur de rectification optimal de 60% avec une variation de température de 250 K couvrant les transitions métal-isolant des deux matériaux. Dans la troisième partie de notre travail, nous avons modélisé et optimisé la rectification thermique de diodes thermiques planes, cylindriques et sphériques radiatives à base de deux matériaux à changement de phase. Nous savons calculer et analyser les facteurs de rectification de ces trois diodes et obtenu les facteurs de rectification optimaux respectifs pour les trois géométries 82%, 86% et 90.5%. Nos résultats montrent que la géométrie sphérique est la meilleure pour optimiser la rectification des courants thermiques radiatifs. De plus, des facteurs de rectification potentiellement supérieurs à ceux prédits ici peuvent être réalisés en utilisant deux matériaux à changement de phase avec des contrastes d’émissivités plus élevés que ceux proposés ici. Ces résultats analytiques et graphiques fournissent un guide utile pour optimiser les facteurs de rectification des diodes thermiques conductives et radiatifs basées sur des matériaux à changement de phase de géométries différentes.

Dans ce mémoire de thèse, nous étudions la validité de quelques modèles non locaux de la permittivité diélectrique (PD) dans le calcul du coefficient de transfert de chaleur par rayonnement (CTCR) entre deux matériaux diélectriques, semi- infinies, plans et parallèles, et séparés par un espace vide de largeur d. Dans les études théoriques antérieures, il a été montré que lorsque l'on considère un modèle local de la PD, le transfert de chaleur par rayonnement en champ proche (TCRCP) suit une loi 1/d² quand d devient de l'ordre ou inférieure à quelques centaines de nanomètres. Cette divergence non physique constitue la faille majeure du modèle local. Plusieurs efforts ont été fournis afin de développer un nouveau modèle de la PD qui tient compte des effets nonlocaux. Aucune correction non locale pour le TCRCP n’a été abordée dans le passé dans le cas des diélectriques. Cependant dans le cas des métaux, un travail complet a été effectué en utilisant le modèle non local de Lindhard-Mermin de la PD. Nos travaux portent sur l'étude de quatre modèles différents de la PD nonlocale. Nous exploitons ces modèles pour le calcul du CTCR entre deux plans de 6H-SiC. Nous montrons que le CTCR sature quand d tend vers zéro. La distance du début de saturation dépend grandement des paramètres clés de chaque modèle.

Le thermo-photovoltaïque (TPV), conversion du rayonnement thermique par des cellules photovoltaïques (PV), est un dispositif qui a suscité un intérêt croissant depuis deux décennies, notamment pour son efficacité supérieure à celle de la conversion photovoltaïque classique. Ceci est essentiellement dû à l'accord entre le spectre du rayonnement de la source thermique et le spectre de conversion de la cellule PV. Les rendements maximaux sont obtenus pour des sources thermiques cohérentes, émettant dans une gamme spectrale étroite, énergétiquement au-dessus de l'énergie de la bande interdite de la cellule PV. On propose dans ce travail d'appliquer une méthode d'optimisation stochastique, en l'occurrence l'optimisation par essaims de particules, pour concevoir et optimiser de telles sources. On aboutit alors à des structures unidimensionnelles simples, à base de films minces de diélectriques, métaux et de semi-conducteurs. Les propriétés radiatives de ces sources, stables pour des températures allant jusqu'à 1000 K, sont aisément contrôlables à l'aide de paramètres simples comme les épaisseurs des films ou la concentration de dopage. Finalement, on propose une étude d'optimisation paramétrique des propriétés optiques des matériaux susceptibles de maximiser l'échange radiatif en champ proche entre deux milieux plans semi-infinis. Cette étude aboutit à un outil pratique, sous forme d'abaques, permettant de guider le choix des matériaux pertinents afin de maximiser les puissances au même temps que l'efficacité des systèmes TPV nanométriques.

Le développement des nouvelles technologies entraîne une réduction considérable de la taille des systèmes des composants. Afin de prédire leur comportement, il est nécessaire de connaître leurs propriétés physiques. Dans ce contexte, ce travail s'attache à approfondir les connaissances des propriétés thermiques des semiconducteurs en effectuant des simulations numériques des transferts de chaleur dans des nanostructures. Les transferts de chaleur sont analysés grâce à l'équation de Boltzmann en utilisant la méthode des ordonnées discrètes. Le comportement spectral des porteurs de chaleur, caractérisés par les phonons, est pris en compte à travers leurs vitesses de déplacement et leurs temps de relaxation. Des résultats sont exploités en régime stationnaire afin d'établir les propriétés thermiques des composants. Il a été montré que la loi de Fourier décrit correctement les transferts de chaleur dans les nanofils. En revanche, pour que cette loi soit valable dans les films à température ambiante l'épaisseur de ces structures doit être supérieure au micromètre. Pour des plus petites épaisseurs, les transferts de chaleur par conduction présente une forte composante balistique et ont un comportement analogue à celui du rayonnement en milieu faiblement absorbant. Enfin, la prise en compte de la dépendance spectrale a permis des études en régime instationnaire. Il est, ainsi, montré l'évolution thermique dans les nanostructures aux échelles ultracourtes. On observe que la propagation de la chaleur par conduction dans les systèmes balistiques présente deux vagues, conséquence de la différence entre les vitesses propres aux polarisations des phonons.