Développement de composites thermoélectriques Mg2Si/MoS2 extrudés à chaud

Les modules thermoélectriques (TE) permettent la conversion directe d’énergie thermique en énergie électrique. Leur utilisation dans la récupération de chaleur résiduelle sur les sites industriels, ou dans le secteur automobile, conduirait à de précieuses économies d’énergies, à une heure où la rationalisation de la consommation énergétique est sur toutes les lèvres. On se focalise ici sur le siliciure de magnésium (Mg2Si), un semi-conducteur aux propriétés prometteuses pour les applications TE dans la gamme de température 500 K – 800 K. Il est particulièrement populaire grâce à la relative abondance, au caractère peu onéreux et à la non-toxicité des éléments qui le composent. Dans le cadre de cette étude, il est produit pour la première fois par extrusion à chaud,un procédé facilement adaptable à la production industrielle à grande échelle. Les matériaux de base (Mg2Si et MoS2) sont broyés dans un pot scellé, avant que la fine poudre ne soit chargée dans le cylindre d’extrusion. Elle est ensuite poussée à travers la filière à 788 K, sous une pression garantissant une vitesse de sortie constante, fixée entre 0.1 et 1 mm/min. Les flocons de MoS2 agissent comme lubrifiant solide lors de l’extrusion, facilitant la densification, avec une concentration optimale de 2 at. %. Uniformément répartis dans la matrice de Mg2Si, ils agissent probablement comme centres de diffusions pour les phonons, provoquant une réduction de la conductivité thermique des composites produits. Cette interprétation n’a toutefois pas été confirmée par l’utilisation de flocons de WS2, aux propriétés analogues. L’oxydation est un enjeu majeur pour les composés à base de Mg2Si, et en particulier pour nos échantillons extrudés à chaud.Les résultats d’analyse dispersive en énergie (EDS) ont montré qu’on trouve l’oxygène préférentiellement aux joints de grains. Un séquençage du procédé de production a montré qu’il était incorporé à la suite du broyage. Notre étude désigne la résistivité à température ambiante rRT comme caractéristique du taux d’oxydation d’un échantillon, et un recuit sous atmosphère protectrice comme une manière de diminuer sa valeur, ainsi que de chasser l’oxygène des composites extrudés à chaud. L’application du traitement thermique permet d’obtenir une valeur maximale de zT = 0.29 à 700 K, qui reste toutefois inférieure à celle de 0.39 à 700 K mesurée pour un thermoélément commercial. L’étude présentée valide l’approche de l’extrusion à chaud pour la production de Mg2Si avec inclusions de MoS2, et appelle à une optimisation des paramètres de fabrication pour cette classe de composites TE.----------Abstract Thermoelectric (TE) modules allow to directly convert thermal energy into electrical energy. Their use to recover waste heat from the industrial and automotive sector would lead to precious energy savings, as every public policy tends to rationalize our energetic use. This study focuses on magnesium silicide (Mg2Si), which is attractive for TE applications in the 500 K – 800 K temperature range. It is of particular interest due to its abundant, inexpensive and non-toxic constituent elements. In this work, we propose a hot extrusion method favourable for large-scale industrial production, where the starting materials (Mg2Si and MoS2) are milled together in a sealed vial. The resulting powder is then loaded into the extrusion cylinder and pushed through the die at a constant extrusion speed fixed between 0.1 and 1 mm/min. The MoS2 flakes act as solid lubricant during the extrusion process, thus facilitating material densification, with an optimal concentration of 2 at. %. Uniformly dispersed throughout the Mg2Si matrix, they might act as phonon scattering centers, thus reducing the thermal conductivity of the produced composites. This interpretation could not be confirmed by using WS2 flakes, despite their similar electronic and structural properties. Oxidation is a major issue for Mg2Si-based composites, and in particular for our hot extruded samples. Electron dispersive spectroscopy (EDS) has shown high oxygen concentrations, especially at the grain boundaries. By sequencing the production process, we could point out that it forms after the milling step. Our study designates the room temperature resistivity rRT as a signature of the oxidation level of a sample, and the annealing under protective atmosphere as a way to remove the oxygen from our composites and lower the rRT value. Applying this thermal treatment leads to zT = 0.29 at 700 K, a value that remains lower than zT = 0.39 at 700 K, which was measured for a commercial Mg2Si leg. These results validate the hot extrusion approach and open the way for further investigation to optimize the processing parameters for the Mg2Si/MoS2 composites

Point contacts at the copper indium gallium selenide interface a theoretical outlook

For a long time, it has been assumed that recombination in the space-charge region of copper-indium-gallium-selenide (CIGS) is dominant, at least in high efficiency solar cells with low band gap. The recent developments like potassium fluoride post deposition treatment and point-contact junction may call this into question. In this work, a theoretical outlook is made using three-dimensional simulations to investigate the effect of point-contact openings through a passivation layer on CIGS solar cell performance. A large set of solar cells is modeled under different scenarios for the charged defect levels and density, radius of the openings, interface quality, and conduction band offset. The positive surface charge created by the passivation layer induces band bending and this influences the contact (CdS) properties, making it beneficial for the open circuit voltage and efficiency, and the effect is even more pronounced when coverage area is more than 95%, and also makes a positive impact on the device performance, even in the presence of a spike at CIGS/CdS heterojunction

Charge transport in photovoltaics via multidimensional luminescence imaging

L’IRDEP (UMR EDF-CNRS-ChimieParisTech) est spécialisé dans la conception et l’élaboration de cellules solaires en couches minces. Nous développerons dans cette thèse de nouvelles méthodes de caractérisation permettant une cartographie (imagerie) des propriétés de transport des cellules à différentes échelles sur plusieurs technologies photovoltaïques. Des expériences basées sur la photoluminescence (PL) et les différentes techniques associées en régime transitoire (résolution temporelle, modulation optique, modulation électrique) seront utilisées. Le travail se base sur la suite d’une thèse CIFRE (Gilbert El-Hajje) où l’analyse des déclins temporels de PL sur CIGS a été faite. La PL pourra être corrélée à l’analyse d’autres signaux complémentaires tels que l’Electroluminescence (EL) voire à la Cathodoluminescence (CL). Ajoutons que la PL est une méthode de caractérisation purement optique, sans contacts électriques, qui permet un contrôle qualité à différentes étapes de fabrication et présente alors un fort intérêt dans le milieu industriel. En effet, cette technique de mesure se développe dans plusieurs industries pour le control in-line des dispositifs: l'intensité de PL est liée à la tension de circuit ouvert et le temps de déclin de la PL est lié au rendement des cellules.IRDEP specialises in the development of thin film solar cells. New characterization methods will be developped during this thesis, allowing to map transport properties at numerous scales inside various types of solar cells. We plan to realise experiments based on photoluminescence (PL) and different associated techniques (spatial resolution, optical modulation, electrical modulation). This work is based on a previous thesis (by Gilbert El-Hajje), in which PL decay in CIGS solar cells has been analyzed. PL correlation with other signals such as electroluminescnce and cathodoluminescence will be investigated. What's more, PL is an essentially optical characterization method, thus contactless, which allows an effective quality at every step of the production process. That's why many industries have shown interest for this technique, by developping in-line control. The PL intensity is related to the open-cuircuit voltage, as well as the signal decay time to the cell efficiency

Transport de charge dans le photovoltaïque par imagerie multidimensionnelle de luminescence

IRDEP specialises in the development of thin film solar cells. New characterization methods will be developped during this thesis, allowing to map transport properties at numerous scales inside various types of solar cells. We plan to realise experiments based on photoluminescence (PL) and different associated techniques (spatial resolution, optical modulation, electrical modulation). This work is based on a previous thesis (by Gilbert El-Hajje), in which PL decay in CIGS solar cells has been analyzed. PL correlation with other signals such as electroluminescnce and cathodoluminescence will be investigated. What's more, PL is an essentially optical characterization method, thus contactless, which allows an effective quality at every step of the production process. That's why many industries have shown interest for this technique, by developping in-line control. The PL intensity is related to the open-cuircuit voltage, as well as the signal decay time to the cell efficiency.L’IRDEP (UMR EDF-CNRS-ChimieParisTech) est spécialisé dans la conception et l’élaboration de cellules solaires en couches minces. Nous développerons dans cette thèse de nouvelles méthodes de caractérisation permettant une cartographie (imagerie) des propriétés de transport des cellules à différentes échelles sur plusieurs technologies photovoltaïques. Des expériences basées sur la photoluminescence (PL) et les différentes techniques associées en régime transitoire (résolution temporelle, modulation optique, modulation électrique) seront utilisées. Le travail se base sur la suite d’une thèse CIFRE (Gilbert El-Hajje) où l’analyse des déclins temporels de PL sur CIGS a été faite. La PL pourra être corrélée à l’analyse d’autres signaux complémentaires tels que l’Electroluminescence (EL) voire à la Cathodoluminescence (CL). Ajoutons que la PL est une méthode de caractérisation purement optique, sans contacts électriques, qui permet un contrôle qualité à différentes étapes de fabrication et présente alors un fort intérêt dans le milieu industriel. En effet, cette technique de mesure se développe dans plusieurs industries pour le control in-line des dispositifs: l'intensité de PL est liée à la tension de circuit ouvert et le temps de déclin de la PL est lié au rendement des cellules

4D-Photoluminescence microscope based on Single Pixel Imaging for characterization of semiconductors

Analyzing the photoluminescence (PL) maps of semiconductors complementarily in time and wavelength allows to derive their key optoelectronic and transport properties. Up to now, separate acquisitions along time or wavelength had to be acquired for time and wavelength so that a comprehensive study of the dynamics was out of reach. We developed a 4D imaging setup that allows the simultaneous acquisition of spectral and temporal luminescence intensity with micrometric spatial resolution under the exact same experimental conditions. This novel setup relies on single pixel imaging, an approach that enables the reconstruction of the spatial information recorded from a higher resolution nonimaging detector. The sample PL signal is spatially modulated with different patterns by a digital micro-mirror device 1. We make use of this technique for the first time with a streak camera as a detector, allowing to record the PL intensity decays and spectrum for each pixel with very high temporal (<100ps) and spectral resolutions (< 1nm). A patent application has been filled. We demonstrate the use of this setup by characterizing III-V samples. We observe the spatial variations of a red shift occurring during the short time of the decay

Investigation of in-depth transport and absorption properties of various perovskite materials using luminescence imaging

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Quantitative optical assessment of photonic and electronic properties in halide perovskite

The electronic and photonic contributions to the power conversion efficiency in solar cell devices are often hard to disentangle. Here Bercegol et al. develop a purely optical method to quantitatively decouple and assess the electronic and photonic processes in halide perovskite solar cells

Elaboration of III-V top cell for tandem cell with Silicon

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Light induced passivation in triple cation halide perovskites: interplay between surface chemistry and photoluminescence properties

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