Absorbeurs solaires multicouches apériodiques

Absorbeurs solaires multicouches
apériodiques

Les structures multicouches apériodiques représentent une solution relativement simple pour concevoir des absorbeurs sélectifs efficaces. En jouant sur les mécanismes d’interférences, la localisation de modes, etc, il est possible de sculpter leur spectre d’absorption. Dans ce chapitre, nous présentons le design d’absorbeurs multicouches capables de fonctionner efficacement à haute température On décrit tout d’abord l’équilibre thermique d’un absorbeur solaire. Puis nous introduisons le concept d’absorbeur parfait et déduisons de ses caractéristiques le rendement maximal d’un absorbeur solaire. Le spectre d’absorption de cet absorbeur idéal sera ensuite utilisé comme fonction objectif pour optimiser une structure multicouche à l’aide d’une méthode d’optimisation globale que nous décrirons en détail 2.1 Structures multicouches apériodiques, une solution à de nombreux problèmes La théorie générale des couches minces, développée en 1950 par Florin Abelès [Abelès, 1950], a permis de comprendre le comportement des ondes électromagnétiques à l’intérieur des systèmes à couches minces multiples. Dès lors, un grand nombre de systèmes multicouches aux propriétés optiques originales ont été développés. Parmi ces structures, de nombreux absorbeurs sélectifs on été conçus. Au cours des années 50, Winfield Salisbury [Salisbury, 1952] développa l’écran de Salisbury pour rendre furtifs les avions face à la détection radar (Fig. 2.1). C’est l’un des premiers exemples d’absorbeur multicouche à bande étroite [Chambers, 1994]. Cet absorbeur est généralement composé de trois couches distinctes : un substrat métallique, une couche de matériau diélectrique transparente dont l’épaisseur fait un quart de la longueur d’onde incidente et une couche supérieure absorbante dite résistive. Ce type d’écran permet, grâce à un phénomène d’interférences destructives [Fante et McCormack, 1988], de diminuer fortement la réflexion de la structure à la longueur d’onde du champ incident (Fig. 2.1b). Originellement développé dans le domaine radio, il est facile de réaliser cet écran pour n’importe quelle longueur d’onde, en ajustant l’épaisseur des couches et en choisissant convenablement les matériaux. Ce type d’absorbeurs à bande étroite est aussi très utilisé pour la détection dans le THz. En effet, dans cette gamme les ondes ont un fort pouvoir pénétrant et permettent de voir à travers les matériaux non conducteurs, tels que les plastiques. Cette propriété est largement utilisée dans le domaine de la sécurité afin de détecter des armes, des produits dangereux ou des matières explosives. Cependant, la précision de l’écran de Salisbury est limitée. Contrairement à ce type d’absorbeurs, les structures multicouches ont montré leur capacité à absorber une longueur d’onde précise [Tao et al., 2008]. L’introduction de défauts dans les structures périodiques a également permis de concevoir des absorbeurs quasi-monochromatique [Ben-Abdallah et Ni, 2005, Sang et al., 2004] grace à la présence de mode localisés dans les bandes interdites de ces structures (Fig. 2.2). Citons également les structures multicouches périodiques couplées à une couche de matériau polaire qui permettent par l’intermédiaire du couplage du rayonnement incident avec le phonon-polariton de surface supporté par le matériau polaire (via le réseau périodique) d’obtenir une absorption localisée autour de la fréquence de ce mode de surface [Lee et Zhang, 2006] (Fig. 2.3). Ces détecteurs peuvent aussi être utilisés dans le domaine de la biologie, plus précisément dans le domaine de l’imagerie médicale, et permettent de différencier des tissus sains de tissus malades [Hu et Nuss, 1995]. La détection d’espèces chimiques est une application importante de ce type d’absorbeur à bande étroite depuis le domaine visible jusqu’à l’infrarouge. Enfin, les absorbeurs à bande étroite sont des candidats naturels dans le domaine de la conversion thermophotovoltaïque. Ils ont permis de concevoir des émetteurs infrarouges capables de rayonner en direction des cellules PV précisément à la fréquence du gap de conversion de ces dernières [Nefzaoui et al., 2012] et d’atteindre des rendements de conversion supérieurs à la limite de Shockley [Shockley et Queisser, 1961]. A l’opposé, les structures multicouches permettent également de concevoir des absorbeurs à large bande. Un exemple intéressant dû à Corrigan et al. [Corrigan et al., 2012] consiste en une structure composée de fluorure de baryum et de nickel-chrome capable d’absorber le rayonnement sur une gamme de longueurs d’onde allant de 4 à 100 microns (Fig. 2.4). Un tel absorbe permet par exemple de capturer la chaleur perdue par rayonnement dans des procédés industriels lorsque la température est inférieure à 700 K. Les absorbeurs à large bande trouvent également des applications dans le domaine du refroidissement radiatif lorsque leur bande d’absorption coïncide avec une fenêtre de transparence de l’atmosphère [Rephaeli et al., 2013]. La conception d’absorbeurs large bande est déjà un problème très ancien. En 1956, Tabor présente déjà le principe d’un absorbeur sélectif pour augmenter l’efficacité des collecteurs solaires [Tabor, 1956]. Depuis ces premiers travaux, de nombreuses structures ont été proposées [Hottel et Unger, 1959, Gillette, 1960, Kokoropoulos et al., 1959, Schmidt et Janssen, 1964]. Cependant, ces structures sont inopérantes au dessus de 550˚C. Récemment, des travaux ont été dédiés à la conception d’absorbeurs multicouches large bande capables de fonctionner à haute température [Sergeant et al., 2009] et autour de multiples bandes étroites [Wang et al., 2014]. Si les propriétés optiques de ces structures permettent d’obtenir des performances déjà très intéressantes pour le solaire concentré, celles-ci sont encore loin des limites théoriques [Langlais et al., 2014b] et peuvent être encore améliorées. Ce sera l’objet du prochain paragraphe. 

Equilibre thermique d’un absorbeur

 Le fonctionnement d’un absorbeur solaire est schématisé Fig. 2.5. Il absorbe une partie du rayonnement solaire incident pour convertir son énergie sous forme de chaleur. Une partie de cette énergie est alors extraite de l’absorbeur pour être convertie en électricité, l’autre partie est ré-émise dans son environnement. Elle est alors perdue. Idéalement, un absorbeur doit capter toute l’énergie du champ radiatif incident et, dans le même temps, ne pas émettre dans son environnement. L’efficacité d’un absorbeur quantifie la propension qu’il a à absorber le rayonnement incident par rapport à celle qu’il a à se refroidir par « radiative cooling ». Pour définir cette efficacité, il est primordial de connaitre le spectre d’absorption depuis le visible jusqu’à l’infrarouge. Ce spectre nous permet de calculer le flux d’énergie incident absorbé par la structure ainsi que le flux sortant qui contribue à son refroidissement par radiation. 

Flux incident

Le flux incident correspond au flux total provenant de la source primaire via le système de concentration, c’est à dire au rayonnement total issu de la source multiplié par un facteur de concentration C qui tient compte du système optique situé en amont du récepteur. Lorsque la source est assimilée un corps noir de température TS, le flux incident sous un angle solide ΔΩ

Cours gratuitTélécharger le cours complet

Télécharger aussi :

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *