Développement de couches absorbantes à base de composites Al2O3-NiO pour des applications en énergie solaire thermique

Une conversion efficace du rayonnement solaire en chaleur utile est caractérisée par la capacité du dispositif de conversion solaire à capter et absorber la plus grande quantité du rayonnement solaire tout en minimisant les pertes par émission thermique. Les performances d'un capteur solaire dépendent de plusieurs paramètres dont les procédés d'élaborations, les propriétés optiques et thermiques des matériaux utilisés. Divers procédés d'élaborations sont employés et des revêtements de composite sont largement étudiés dans le but d'améliorer les rendements et en raison de l'intérêt accru pour le développement et l'utilisation efficace des sources d'énergie renouvelables. Cependant les rendements thermiques des capteurs solaires restent faible ( 40 %) par rapport aux rendements optiques ( 80 %) et doivent être améliorés. De plus leurs durabilités doivent être prises en compte car les performances thermiques et chimiques de certains capteurs solaires sur le marché sont médiocres dû à la qualité des matériaux utilisés. L'objectif principal de cette thèse était de développer des couches absorbantes à base de composites dans le but d'améliorer les performances optiques et thermiques et éventuellement la durabilité des technologies de conversion de l'énergie solaire en chaleur et/ou électricité. Ces couches absorbantes ont été développées par la technique de dépôt électrophorétique (EPD) en dispersant des nanoparticules d'oxyde de nickel (NiO) dans une matrice d'alumine (Al2O3) sur des substrats en nickel (Ni), aluminium (Al) et acier inoxydable (SS). L'EPD est basée sur la migration des particules chargées en suspension dans un milieu fluide sous l'influence d'un champ électrique (l'électrophorèse) et la formation du dépôt sur l'électrode de signe contraire à leur charge (dépôt). Les études des mécanismes d'apparition des charges (les particules ne migreront que si elles possèdent une charge suffisante) et de stabilité de la suspension seule une suspension parfaitement stable permet d'obtenir des dépôts de microstructures denses et homogènes) sont des étapes primordiales pour toute expérience d'électrophorèse. Le mécanisme d'apparition des charges électriques: La surface des particules d'oxydes dans l'air se couvre généralement par des groupes hydroxyles amphotères (H + et OH –). Ces particules en suspension dans un solvant subissent une réaction avec les ions du solvant, et la charge de surface formée autour des particules peut être positive ou négative selon la valeur du pH de la suspension. vii Le mécanisme de stabilité de la suspension: La présence des charges de surface autour des particules entraîne la formation d'une atmosphère ionique appelée «double couche» (couche de Stern et couche diffuse). La mesure expérimentale du potentiel à la limite de la couche de Stern donne la valeur du potentiel zêta des particules et permet de prédire la stabilité d'une suspension. Le premier modèle utilisé pour décrire le processus de l'EPD est attribué à Hamaker [1] qui proposa que la masse déposée par unité de surface soit proportionnelle aux paramètres liés aux propriétés de stabilité de la suspension dont la concentration et la mobilité électrophorétique des particules et aux paramètres liés aux conditions physiques et électriques fixées du dépôt dont la tension et le temps de dépôt. La mobilité électrophorétique (vitesse des particules) est proportionnelle au potentiel zêta et à certains paramètres liés au solvant dont la permittivité et la viscosité. Le solvant a donc une influence directe sur la masse déposée et doit être judicieusement choisi. En EPD, les solvants aqueux (l'eau) et organiques (l'éthanol) sont utilisés. L'eau offre une bonne stabilité et une cinétique de dépôt rapide mais l'électrolyse de l'eau qui accompagne interfère avec les qualités des films déposés [2]. Les solvants organiques comme l'éthanol ont l'avantage d'une densité élevée et conductivité appropriée [3, 4]; cependant la charge électrique sur les particules dans ces solvants est extrêmement faible si bien qu'une suspension stable s'obtient difficilement pour le dépôt des poudres d'oxydes [5]. Dans la première étape de notre étude et dans le but d'atteindre notre objectif global, nous avons jugé nécessaire d'expérimenter deux solvants dont l'éthanol pur et le mélange éthanol-eau. Des films monolithiques de Al2O3 et NiO ont été déposés sur du Ni par l'EPD à partir des suspensions de l'éthanol pur et du mélange éthanol-eau, stabilisées avec de l'acide acétique afin de déterminer les paramètres optimums de stabilité et de dépôts de chaque poudre, conditions nécessaires pour synthétiser leurs composites. Les résultats ont montré les microstructures des dépôts d'Al2O3 et de NiO homogènes; aussi leurs masses déposées ont augmentées linéairement avec les temps de dépôt et les tensions appliquées en accord avec la loi de Hamaker. Cependant l'étude de comparaison des suspensions a montré le mélange éthanol-eau plus avantageux pour Al2O3 et NiO en termes de suspension plus stable, de mobilité électrophorétique plus élevée et des dépôts plus denses et homogènes. C'est donc tout naturellement que ce solvant a été retenu pour la suite de nos travaux. De plus dans ce solvant, à faible pH les particules d'Al2O3 et de NiO étaient chargées positivement et les valeurs de leur mobilité électrophorétique étaient proches. Ces résultats ont été très viii intéressants pour la suite de nos travaux, car une condition nécessaire pour commander le processus de dépôt des composites de particules à partir du mélange de deux poudres est la même mobilité électrophorétique des deux constituants dans la suspension. Dans la seconde étape de notre étude, des composites de particules de Al2O3-NiO contenant 0 à 100 % de NiO ont été fabriqués à partir du mélange des poudres et de l'éthanol-eau en ajustant les paramètres optimums précédents. Tous les films ont été déposés sur la cathode et leurs épaisseurs pouvaient être contrôlées en ajustant la teneur en NiO, le temps de dépôt ou le potentiel de déposition. Ce qui illustre clairement l'avantage de l'EPD pour la synthèse des composites de Al2O3-NiO. Les microstructures ont montré les particules de NiO uniformément dispersées dans la matrice d'Al2O3. La distribution devenait plus symétrique avec l'augmentation de NiO, formant une matrice interconnectée qui inhibe ainsi la croissance des grains d'Al2O3 et suscite l'intérêt d'étudier la relation microstructure et propriétés mécaniques. Une augmentation de la tension électrique au-delà de 150 V a engendré des microstructures poreuses et une réduction des masses déposées à NiO ≤ 40 %, probablement due à la formation du spinelle NiAl2O4 révélée par XRD. Dans la troisième étape de notre étude, nous avons étudié les influences de la teneur en NiO, des températures de frittage et des tensions appliquées sur les densités, les propriétés mécaniques et électriques de ces composites. Les résultats ont révélé que contrairement à l'Al2O3 monolithique, l'ajout de nanoparticules de NiO ≥ 50 % a favorisé le frittage des revêtements à des températures relativement moyennes et une augmentation sensible des densités, des conductivités électriques ainsi que la ténacité des dépôts. La micro-dureté a été trouvé inversement dépendante de la ténacité. Dans la dernière étape de notre thèse, nous avons caractérisé les propriétés optiques et thermiques des composites de Al2O3-NiO contenant 60 à 85 % NiO sur des substrats en Ni, Al et SS. Leurs coefficients d'absorptions solaires et émissivités thermiques ont été déterminés et comparés à partir des mesures de réflectances dans le spectre solaire et dans l'infrarouge respectivement. Les influences du choix du substrat, de la teneur en NiO, des températures de frittage, des tensions électriques et les durées de dépôts sur les propriétés sélectives ont été étudiées et comparées. Les tests de durabilité et de stabilités thermiques ont été effectués. Les résultats expérimentaux de tous ces travaux présentés dans les chapitres V, VI, VII et VIII font l'objet des articles publiés et soumis.