PhD Position F / M Optimisation numérique des cellules solaires ultrafines

Type de contrat: Contrat  à durée déterminée

Niveau de qualification requis:  diplôme d’études supérieures ou équivalent

Fonction:  PhD Position

A propos du centre de recherche ou du département Inria

Le centre Inria Sophia Antipolis – Méditerranée compte 34 équipes de recherche ainsi que 8 directions support. Le personnel du centre (environ 500 personnes dont 320 salariés Inria) est composé de scientifiques de différentes nationalités (250 étrangers de 50 nationalités), d’ingénieurs, de techniciens et de personnel administratif. 1/3 du personnel sont des fonctionnaires, les autres sont des agents contractuels. La majorité des équipes de recherche du centre sont localisées à Sophia Antipolis et à Nice dans les Alpes-Maritimes. Quatre équipes sont basées à Montpellier et deux équipes sont hébergées à Bologne en Italie et à Athènes. Le Centre est membre fondateur de l’Université Côte d’Azur et partenaire du I-site MUSE soutenu par l’Université de Montpellier.

Le contexte

Ce projet doctoral sera conduit dans l’équipe-projet Atlantis, en étroite collaboration avec des chercheurs en physique de l’équipe Sunlit du C2N (Centre de Nanosciences et Nanotechnologies) à Palaiseau.

Atlantis est une équipe-projet commune entre Inria et le Laboratoire de Mathématiques Jean-Alexandre Dieudonné de l’Université Nice Sophia Antipolis. L’équipe rassemble des mathématiciens appliqués et des scientifiques en informatique qui mènent en collaboration des activités de recherche visant la conception, l’analyse, le développement et l’application de méthodes numériques innovantes pour les systèmes d’équations aux dérivées partielles (PDE) modélisant des problèmes d’interaction nanométrique entre la lumière et la matière. Dans ce cadre, nous développons la suite logicielle DIOGENeS [ https://diogenes.inria.fr/], qui met en œuvre plusieurs méthodes de type Discontinuous Galerkin (DG) adaptées aux systèmes d’équations de Maxwell dans le domaine temporel et fréquentiel éventuellement couplées à des équations différentielles modélisant le comportement des milieux de propagation aux fréquences optiques. DIOGENeS est un cadre numérique unique exploitant les capacités des techniques DG pour la simulation de problèmes multi-échelles pertinents pour la nanophotonique et la nanoplasmonique.

Les activités de recherche de l’équipe Sunlit [ http://sunlit-team.eu ] portent sur différents aspects du développement des cellules solaires photovoltaïques (PV), de l’étude des propriétés des matériaux semi-conducteurs à la conception de structures de cellules solaires qui présentent d’excellentes performances d’absorption et de conversion de la lumière du soleil. L’équipe mène à la fois des études expérimentales (de la nano-empreinte de couches de matériaux constituant une cellule solaire, à la caractérisation de dispositifs de cellules solaires) et des études de modélisation à l’aide d’outils numériques tiers tels que la RCWA (méthode de type modal) et la FDTD. (méthode de type différence finie).

Affectation

Le succès ultime de la technologie des cellules photovoltaïques (PV) nécessite des progrès substantiels à la fois en termes de réduction des coûts et d’amélioration de l’efficacité. Une approche activement étudiée pour atteindre simultanément ces deux objectifs consiste à tirer parti  du piégeage de la lumière régimes. Le piégeage de la lumière permet aux cellules solaires d’absorber la lumière du soleil en utilisant une couche de matériau actif beaucoup plus mince que la longueur d’absorption intrinsèque du matériau. Cela réduit alors la quantité de matériaux utilisés dans les cellules photovoltaïques, ce qui réduit le coût des cellules en général et facilite en outre la production de masse de cellules photovoltaïques basées sur des matériaux moins abondants. De plus, le piégeage de la lumière peut améliorer l’efficacité des cellules, car des cellules plus minces fournissent une meilleure collection de porteurs de charge photo-générés. L’amélioration de l’absorption de la lumière dans les cellules solaires en silicium à film ultrafin est donc d’une importance capitale pour améliorer l’efficacité et réduire les coûts.

La théorie du piégeage de la lumière a été initialement développée pour les cellules solaires conventionnelles où le film absorbant la lumière a généralement plusieurs longueurs d’onde d’épaisseur. Du point de vue de l’optique des rayons, le piégeage de la lumière classique exploite l’effet de la réflexion interne totale entre le matériau semi-conducteur (tel que le silicium) et le milieu environnant (généralement supposé être de l’air). En rendant rugueuse l’interface semi-conducteur-air, on randomise les directions de propagation de la lumière à l’intérieur du matériau. L’effet de la réflexion interne totale se traduit alors par une distance de propagation beaucoup plus longue à l’intérieur du matériau et donc une amélioration substantielle de l’absorption. Pour de tels schémas de piégeage de la lumière, la théorie standard, d’abord développée par E. Yablonovitch, montre que le facteur d’amélioration de l’absorption a une limite supérieure de 4n ² / sin²  θ, où θ est l’angle du cône d’émission dans le milieu entourant la cellule. Cette limite est appelée limite de Yablonovitch ou limite 4n ²  , car on s’intéresse principalement aux structures avec θ = π / 2 qui ont un cône d’émission quasi isotrope. Pour les films nanophotoniques d’épaisseurs comparables ou même inférieures à l’échelle de longueur d’onde, l’image optique des rayons et certaines des hypothèses de base de la théorie conventionnelle ne sont plus applicables. Dans ce cas, on peut montrer que le facteur d’amélioration de l’absorption peut aller bien au-delà du 4n ² limite avec une conception appropriée. Dans ce contexte, il existe un intérêt récent important pour la conception de cellules solaires ultrafines en silicium cristallin avec une épaisseur de couche active de quelques micromètres [1]. Une absorption efficace de la lumière dans de tels films minces nécessite à la fois des revêtements antireflet à large bande et des techniques efficaces de piégeage de la lumière, qui ont souvent des considérations de conception différentes.

Activités principales

L’objectif général de ce doctorat. Le projet consiste à développer plusieurs stratégies numériques pour la conception de cellules solaires ultrafines avec des propriétés de piégeage de la lumière améliorées. L’accent sera mis sur l’optimisation (ou conception inverse) de la nanostructuration des couches de matériau (couches métalliques et semi-conductrices) qui constituent le dispositif de cellule solaire. Pour ce faire, on combinera l’utilisation d’un solveur DGTD d’ordre élevé [2] de la suite logicielle DIOGENeS pour la caractérisation optique d’un dispositif de cellule solaire, avec des stratégies d’optimisation globale basées sur l’apprentissage statistique [3] à savoir, CMA- ES (Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy) et méthodes EGO (Efficient Global Optimization) basées sur la métamodélisation, proposées par la bibliothèque DiceOptim [http://dice.emse.fr/]. Cette recherche abordera plusieurs sujets spécifiques liés à (1) la modélisation numérique temporelle de l’absorption de la lumière dans les matériaux semi-conducteurs utilisés dans le domaine PV, (2) le développement de stratégies d’optimisation efficaces pour les problèmes de propagation à large bande présentant des résonances multiples et, (3 ) explorant des schémas avancés de piégeage de la lumière donnant de nouveaux modèles de nanostructuration. Dans le cadre de cette thèse conjointe. projet, le candidat sera principalement localisé à l’Inria avec plusieurs visites au C2N. De plus, ce doctorat. Le projet sera également mené en collaboration avec des ingénieurs de recherche chez Total Gas, Renewables & Power et Total R&D Computational Science and Engineering. (2) le développement de stratégies d’optimisation efficaces pour les problèmes de propagation à large bande présentant de multiples résonances et (3) l’exploration de schémas avancés de piégeage de la lumière donnant de nouveaux modèles de nanostructuration. Dans le cadre de cette thèse conjointe. projet, le candidat sera principalement localisé à l’Inria avec plusieurs visites au C2N. De plus, ce doctorat. Le projet sera également mené en collaboration avec des ingénieurs de recherche chez Total Gas, Renewables & Power et Total R&D Computational Science and Engineering. (2) le développement de stratégies d’optimisation efficaces pour les problèmes de propagation à large bande présentant de multiples résonances et (3) l’exploration de schémas avancés de piégeage de la lumière donnant de nouveaux modèles de nanostructuration. Dans le cadre de cette thèse conjointe. projet, le candidat sera principalement localisé à l’Inria avec plusieurs visites au C2N. De plus, ce doctorat. Le projet sera également mené en collaboration avec des ingénieurs de recherche chez Total Gas, Renewables & Power et Total R&D Computational Science and Engineering.

[1] HL Chen, A. Cattoni, R. De Lépinau, AW Walker, O. Höhn, D. Lackner, G. Siefer, M. Faustini, N. Vandamme, J. Goffard, B. Behaghel, C. Dupuis, N. Bardou, F. Dimroth et S. Collin,  Une cellule solaire ultramince à 19,9% d’efficacité basée sur un absorbeur de GaAs de 205 nm d’épaisseur et un miroir arrière nanostructuré en argent , Nat. Energy, Vol. 4, pages 761-767, 2019.

[2] S. Lanteri, C. Scheid et J. Viquerat,  Analyse d’un modèle dispersif généralisé couplé à une méthode DGTD avec application à la nanophotonique , SIAM J. Sci. Comp., Vol. 39, n ° 3, p. 831-859, 2017.

[3] R. Duvigneau et P. Chandrashekar,  Optimisation basée sur le krigeage appliquée au contrôle de flux , Int. J. Num. Meth. Fluids, vol. 69, pp. 1701-1714, 2011.

Compétences

Master en science et ingénierie computationnelles, informatique scientifique ou génie électrique.

Les connaissances et compétences requises sont une solide connaissance des méthodes de type éléments finis pour résoudre les PDE et des techniques d’optimisation numérique; une expérience concrète en modélisation numérique pour l’électromagnétisme computationnel; solides compétences en développement de logiciels, de préférence dans Fortran 95/2008.

Une expérience de recherche antérieure en nanophotonique appliquée sera clairement un atout pour ce poste.

Ensemble d’avantages sociaux

• Repas subventionnés
• Remboursement partiel des frais de transports publics
• Congé: 7 semaines de congé annuel + 10 jours de congé supplémentaires pour RTT (réduction légale du temps de travail) + possibilité de congé exceptionnel (enfants malades, déménagement, etc.)
• Possibilité de télétravail (après 6 mois d’emploi) et organisation flexible des heures de travail
• Matériel professionnel disponible (visioconférence, prêt de matériel informatique, etc.)
• Événements et activités sociaux, culturels et sportifs
• Accès à la formation professionnelle
• Couverture de sécurité sociale

Rémunération

Durée: 36 mois
Lieu: Sophia Antipolis, France
Salaire brut par mois: 1982 € brut par mois (année 1 et 2) et 2085 € brut / mois (année 3)

Informations générales

• Thème / Domaine:  Schémas numériques et simulations
  Calcul scientifique (BAP E)
• Ville / Ville:  Sophia Antipolis
• Centre Inria:  CRI Sophia Antipolis – Méditerranée
• Date de début:  2020-10-01
• Durée du contrat:  3 ans
• Date limite pour postuler:  2020-09-30

Contacts

• Équipe Inria:  NACHOS
• Directeur de thèse:
  Lanteri Stéphane /  Stephane.Lanteri@inria.fr