Diodes thermiques radiatives pour le contrôle du flux de chaleur et systèmes thermophotovoltaïques // thermal diodes for radiative heat control and thermophotovoltaic systems

Topic description

De nombreuses applications technologiques liées à la production d'énergie nécessitent, directement ou indirectement, d'avoir une bonne gestion des flux de chaleur. Dans ce contexte, l'usage de matériaux choisis selon leurs propriétés structurales et fonctionnelles joue un rôle majeur pour obtenir, là une couche isolante ou, ici, un bon conducteur. Si l'analogie entre thermique et électricité est connue dès l'établissement de la loi de Fourier, ce qui permet d'introduire la résistance thermique, il semble plus difficile de réaliser le pendant thermique de certains composants électroniques tels que la diode. Pourtant, dès, Chauncey Starr [1] démontre qu'il est possible de redresser un courant thermique grâce à un dispositif consistant notamment en un empilement de couches d'oxyde de cuivre et de papier. Ce travail pionnier ouvre certes la voie aux recherches dans le domaine des diodes thermiques, mais il faut attendre le début des années pour que le sujet prenne son essor, grâce à des interprétations théoriques [2] permettant de stimuler les développements expérimentaux. En effet, à partir de cette étude il est dès lors clair que, pour obtenir une diode thermique, il est nécessaire d'avoir à la fois une asymétrie structurale et une inhomogénéité dans le dispositif. Ces conditions ne sont toutefois pas suffisantes et plusieurs pistes se sont ouvertes, donnant lieu à différents types de diodes thermiques : celles basées sur les mécanismes de conduction et convection, qui impliquent, par exemple des hétérostructures de graphène ou des matériaux à changement de phase [3] ; mais aussi celles basées sur le transfert radiatif, dans lesquelles les matériaux émetteur et récepteur sont séparés et peuvent faire appel à des nanostructures composites que ce soit en champ proche ou lointain [4-6].
Si ces technologies n'ont qu'un même objectif, contrôler les flux de chaleur, les redresser, elles reposent sur des principes physiques différents. Afin de comparer l'efficacité des diodes entre-elles, la notion de taux de redressement thermique a été introduite, mais différentes définitions coexistent selon les auteurs [7]. Par ailleurs, comme il a été récemment remarqué, la bonne performance d'une diode se caractérise non seulement par ce taux, mais également par sa capacité à laisser passer un flux suffisamment important, ce qui implique de trouver une définition d'un coefficient de performance (COP) pour quantifier ce compromis [8]. Cependant, ce COP dépend de la physique sous-jacente et ne permet pas une comparaison directe des dispositifs entre eux.
Cette thèse, visant des développements théoriques, s'inscrit dans ce contexte général. Un intérêt particulier sera porté aux diodes thermiques radiatives en mettant en exergue leur potentiel d'application dans les cellules thermophotovoltaïques (TPV), où la radiation d'une surface chaude est convertie en électricité [9]. Les systèmes TPV fonctionnent à haute température et reposent sur la sélectivité spectrale, ainsi que l'émissivité, dépendante de la température. Il s'agit de conditions étroitement liées à celles requises pour la rectification thermique radiative.
Malgré cette forte similitude conceptuelle, les diodes thermiques et les systèmes TPV ont été étudiés indépendamment. Le rôle fonctionnel que peut jouer la rectification thermique radiative dans les systèmes TPV, au-delà d'une simple démonstration théorique, demeure inexploré. Aborder cette question offre l'opportunité de relier des questions fondamentales de physique thermique hors équilibre à des systèmes de conversion d'énergie concrets.
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Controlling heat flows is a central challenge in energy science and thermal engineering. While materials are routinely optimized either to conduct or to insulate heat, achieving directional control of heat transport remains far more difficult. Thermal diodes aim to reproduce, for heat, the rectifying behavior of electronic diodes by allowing heat to flow preferentially in one direction.
Early experimental demonstrations of thermal rectification date back to the work of Starr in [1]. Since then, theoretical studies have clarified that thermal rectification requires a combination of structural asymmetry, material inhomogeneity, and nonlinear transport properties [2]. Based on these principles, various classes of thermal diodes have been proposed, relying on different physical mechanisms. Some exploit heat conduction in solid or composite materials, while others are based on radiative heat transfer, where energy exchange is mediated by electromagnetic radiation between bodies separated by a gap [3–6].
Despite significant progress, the field still lacks a widely accepted unified view of thermal diode performance. Thermal rectification is often characterized by a rectification ratio, but this metric varies across studies and does not capture the trade-off between rectification strength and usable heat flux [7,8]. Radiative thermal diodes are particularly intriguing in this respect, as radiative heat transfer is inherently spectral, directional, and strongly temperature-dependent.
These same features are central to thermophotovoltaic (TPV) energy conversion, where thermal radiation emitted by a hot surface is converted into electricity [9]. TPV systems operate at high temperatures and rely on spectral selectivity and temperature-dependent emissivity—conditions closely related to those required for radiative thermal rectification.
Despite this strong conceptual overlap, thermal diodes and TPV systems have largely been studied independently. Whether radiative thermal rectification can play a functional role in TPV systems—beyond a purely academic demonstration—remains largely unexplored. Addressing this question offers the opportunity to connect fundamental questions in nonequilibrium thermal physics with practical energy-conversion systems.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

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