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ENS Paris-Saclay - Lumière, Matière et Interfaces

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Elaboration de surfaces micro-structurées par auto-assemblage de microparticules monodisperses d’oxydes, pour des applications en photovoltaïque.

Sujet de thèse de Mlle Najla GHIFARI (directeurs de thèse: Abdel El Abed et Adil Chaboun).

Les centrales solaires sont généralement localisées dans des milieux désertiques où le taux d'ensoleillement est optimal tout au long de l'année mais où ont lieu également des dépôts importants de sable et de poussières sur la surface des panneaux photovoltaïques (PV). Une conséquence importante de tels dépôts, à défaut de disposer de surfaces auto-nettoyantes, est une dégradation importante et rapide au cours du temps de l'absorption de la lumière par les panneaux photovoltaïques (PV). En effet, une étude a montré que l'efficacité d'un module peut chuter de 33 % pour une densité de poussière de l'ordre de 1g/m2. Une autre source du mauvais rendement énergétique des PV est liée à la réflexion de la lumière sur la surface de ces panneaux, puisque un minimum de 4 % de la lumière incidente est perdue à l'interface air/verre à cause du désaccord intrinsèque des index de réfraction de l'air (1) et du verre (n~1.5). Des approches, inspirées de la nature, ont été développées depuis quelques années pour résoudre ces problèmes mais leur coût reste relativement élevé. Elles consistent généralement à rendre la surface des PV super-hydrophobes et anti-réfléchissantes grâce à un revêtement en microstructures plus ou moins régulières déposé à la surface des PV par des techniques de micro/nano-lithographie ou de dépôt sous vide. Cette micro-structuration est responsable en partie du caractère super-hydrophobe de ces surfaces, caractérisé par un mouillage quasi-nul. Différents matériaux peuvent être micro-structurés artificiellement grâce à des techniques de microfabrication standard en salles blanches (plasma et attaque chimique). Elles consistent en des alignements de petits plots ou de cannelures rendus chimiquement hydrophobes (figure 1) qui conduisent à un état super-hydrophobe. Notre travail a pour objectif de développer une approche originale pour produire, par auto-assemblage, des surfaces micro-structurées d'oxydes de métaux, basée sur i) la synthèse par une voie « sol-gel microfluidique » de microparticules de taille et de forme calibrées, ii) la caractérisation expérimentale et la modélisation de ces surfaces afin d'optimiser les conditions expérimentales pour produire des revêtements efficaces et peu chers pour améliorer le rendement énergétique des panneaux solaires dans un environnement chargé de sable ou de poussière.


Image MEB de la surface super-hydrophobe d'une feuille de Lotus [gauche] et celle d'une surface super-hydrophobe artificielle obtenue par microfabrication [milieu] ; l'image de droite, obtenue par microscopie optique, est celle d'une surface microstructurée de silice formés par auto-assemblage de microgouttes de silice condensée, la distance entre les plots (égale ici à 30 µm) peut être modifiée très facilement grâce à l'approche microfluidique.