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Thèse dirigée par Mauro ANTEZZA et Brahim GUIZAL.

Dans ce travail de thèse nous avons étudié le transfert radiatif de chaleur, en champ proche, d'une cellule thermophotovoltaïque (TPV - Thermophotovoltaïcs) en InAs et estimé la pression de Casimir-Lifshitz (CLP - Casimir-Lifshitz Pressure), à l'équilibre thermique et hors équilibre thermique, entre deux feuillets de graphène d’une part et deux couches de silice recouvertes de graphène d’autre part. Les fondements théoriques du transfert de chaleur sont étroitement liés à ceux de l'effet Casimir. Ce dernier résulte d'un phénomène fondamental en physique quantique : les fluctuations quantiques du champ électromagnétique dans le vide entre des objets proches. Rytov, Polder et van Hove ont été les premiers à montrer que l'effet tunnel des ondes évanescentes dans le régime du champ proche augmente considérablement l'ordre de grandeur de la force et du transfert radiatif de chaleur. En 1956, Lifshitz a généralisé la théorie de la CLP aux diélectriques et aux températures non nulles. Au fil des années, un large éventail d'utilisations a été proposé pour le transfert radiatif de chaleur, notamment le TPV, les technologies solaires thermiques et les processus de conversion de l'énergie. D'un point de vue expérimental, les prédictions théoriques ont été confirmées dans différentes configurations géométriques, pour des distances allant de quelques nanomètres à plusieurs microns. Concernant la CLP, une large gamme de configurations géométriques et thermiques a été testée. Il a été observé que les structures planes à base de graphène présentent des comportements novateurs dans la modulation de la CLP, grâce aux propriétés optiques uniques de ce matériau 2D.
Concernant le système TPV, les résultats obtenus nous ont permis de caractériser l'influence de l'électrode métallique sur l'efficacité du dispositif. Nous avons d'abord démontré que le modèle simplifié de la technique d'ombrage sous-estime la puissance radiative et la puissance électrique générée d'environ un ordre de grandeur. De plus, la présence d'un réseau augmente la puissance électrique générée par rapport à une cellule sans réseau, uniquement pour des hauteurs de réseau inférieures à 1 micron. Il est préférable de minimiser la hauteur du réseau sur la cellule pour une meilleure efficacité. Un faible facteur de remplissage de 25% pour une hauteur de réseau h < 500 nm augmente le flux absorbé par la cellule. Toujours pour h < 500 nm, la puissance électrique générée est plus élevée avec un facteur de remplissage de 25% par rapport au cas de 50%. Cette étude sur l'influence du facteur de remplissage suggère de favoriser un faible facteur de remplissage, ce qui correspond aux barres collectrices utilisées dans les électrodes. Ensuite, en ce qui concerne la CLP, on a considéré le cas de deux feuilles de graphène placées sur deux couches de silice. Ces deux corps sont portés à deux températures différentes et plongés dans un bain thermique à une troisième température. Contrairement au cas typique, où la pression est toujours attractive sous conditions d'équilibre thermique, cette étude montre qu’elle peut être rendue répulsive si l'environnement est à basse température. Nous démontrons également qu'il est essentiel de maintenir des températures basses pour les feuilles de graphène, que ce soit en conditions d'équilibre ou hors équilibre, afin d'obtenir des variations significatives de la CLP. Enfin, nous observons que la dépendance par rapport au potentiel chimique de la CLP hors équilibre devient non monotone dans une certaine plage de distances. Ce travail nous permettra par la suite d'évaluer le transfert radiatif à travers la cellule TPV sous différentes tensions électriques et de tracer la courbe caractéristique courant-tension afin d'obtenir la puissance électrique maximale générée. Il nous permettra également d'étudier la force de Casimir dans de nouvelles configurations et pour différents matériaux, notamment la CLP hors équilibre thermique entre deux réseaux de graphène alignés ou tournés l’un par rapport à l’autre.

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