Thèse Diodes Thermiques Radiatives pour le Contrôle du Flux de Chaleur et Systèmes Thermophotovoltaïques H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Perpignan Via Domitia École doctorale : Energie et Environnement Laboratoire de recherche : PROcédés, Matériaux et Energie Solaire Direction de la thèse : François VERNAY ORCID 0000000337137724 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-08T23:59:59 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 1936, 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 2000 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. Cette thèse de doctorat aborde une question simple mais fondamentale : le redressement thermique radiatif peut-il être à la fois physiquement significatif et utile pour la conversion d'énergie ?

D'un point de vue fondamental, les diodes thermiques radiatives se situent à l'intersection de la physique statistique hors équilibre, de l'électromagnétisme et de la théorie du transport non linéaire. Elles offrent un cadre riche pour explorer comment l'asymétrie et la dépendance à la température façonnent les flux d'énergie loin de l'équilibre.

Localement, ce projet de thèse s'inscrit dans la thématique de recherche 'Matériaux pour l'Energie et l'Espace', où des recherches prometteuses sur la conversion d'énergie thermophotovoltaïque (TPV) prennent leur essor grâce à Maxime Giteau qui en est un spécialiste reconnu. Le contrôle des flux de chaleur dans le cadre du TPV joue un rôle central, il est donc essentiel d'avoir une compréhension profonde des mécanismes physiques dans ce domaine. Le développement des diodes thermiques sur les deux dernières décennies ouvre en la matière des perspectives intéressantes ; en particulier pour ce qui concerne les diodes thermiques radiatives.
Il s'agit essentiellement de trouver des dispositifs pour lesquels une certaine asymétrie structurale engendre une asymétrie dans le transport de chaleur. Les mécanismes physiques sous-jacents impliquent des connaissances en physique statistique et théorie de la matière condensée, notamment pour des milieux hétérogènes et/ou nanostructurés, domaines pour lesquels Hamid Kachkachi et François Vernay ont développé des approches semi-analytiques et numériques particulièrement adaptées.
Ce sujet vient renforcer la collaboration entre les deux sites du laboratoire PROMES (Odeillo et Perpignan) sur une thématique en rupture, en mettant en synergie les compétences des 3 encadrants. La thèse est, en effet, interdisciplinaire en ce sens qu'elle vise à formuler, en premier lieu, une théorie physique complète du redressement obtenu par diode thermique radiative, définir un critère objectif de la performance ; puis, dans un second temps, à transposer ces connaissances dans une application d'ingénierie liée au TPV. Il s'agit d'une thèse théorique, dont l'objectif est de développer une compréhension fondamentale des performances des diodes thermiques, en particulier du transfert de chaleur par rayonnement et de son rôle potentiel dans les systèmes thermophotovoltaïques. Les travaux s'articuleront autour de trois questions de recherche principales :

1. Comment définir les performances d'une diode thermique ?

La première partie de la thèse analysera les définitions existantes de la rectification thermique et identifiera leurs limites. L'objectif est de clarifier la prise en compte à la fois du taux de redressement et le flux de chaleur transmis. Ceci nécessitera d'identifier les paramètres physiques clés qui régissent les performances des diodes thermiques.

2. Qu'est-ce qui caractérise les diodes thermiques radiatives ?

La deuxième partie portera sur les diodes thermiques basées sur le transfert de chaleur par rayonnement, en champ proche et en champ lointain. Une attention particulière sera accordée à la sélectivité spectrale, aux propriétés optiques dépendantes de la température et aux effets non linéaires qui permettent ou limitent la rectification thermique.

3. Les diodes thermiques radiatives peuvent-elles jouer un rôle fonctionnel dans les systèmes thermophotovoltaïques ?

La dernière partie explorera le couplage entre les diodes thermiques radiatives et les convertisseurs TPV. L'objectif est d'identifier les conditions dans lesquelles la rectification thermique pourrait améliorer la fonctionnalité ou les performances des TPV (par exemple par la régulation thermique), et de proposer un concept de diode spécifiquement adapté aux applications TPV.

- Master (ou équivalent) en physique, sciences thermiques, mathématiques appliquées ou ingénierie énergétique
- Solides connaissances en transfert thermique, physique statistique, électromagnétisme ou physique de la matière condensée (au moins un de ces domaines)
- Fort intérêt pour la modélisation théorique et les systèmes physiques liés à l'énergie
- Maîtrise de la programmation scientifique (Python et/ou MATLAB)
- Capacité à travailler de manière autonome et à communiquer clairement au sein d'une équipe
Ce que nous valorisons le plus : la curiosité intellectuelle, la rigueur scientifique, l'autonomie et une forte motivation pour un projet de doctorat stimulant et axé sur la théorie.