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Offre de stage 2018-2019

Publié le 18 janvier 2019

Etudier et concevoir un banc de test cellules li-Ion low cost.

Missions :
_ Comprendre les problématiques des essais batteries Li-Ion.
_ Etudier le coût de fabrication.
_ Concevoir un banc de tests cellule Li-Ion à base d'éléments low cost (Arduino Rpi…..).
_ réaliser un prototype de banc de test.
_ Enregistrement des données caractéristiques d'un test pour une utilisation R&D.

Etude de l'état de l'art, intégration et validation fonctionnelle d'un système de gestion des batteries Li-Ion

Missions :
_ Veille technologique des différents systèmes de gestion d une batterie Li-Ion.
_ Prise en main (programmation, intégration,schéma électrique) d un système de gestion open source.
_ Validation sur banc de tests du système pour une utilisation R&D laboratoire.
_ Etude des possibilités de développement de nouvelles fonctionnalités sur la base actuelle.

Comportement des technologies imprimées sur substrats étirables

L’extensibilité (« stretchability ») constitue un défi majeur que doit aujourd’hui relever l’électronique imprimée pour permettre l’intégration des fonctionnalités imprimées (capteurs, actuateurs, systèmes de récupération d’énergie) au coeur des systèmes. L’intégration au plus près de la fonction/de l’utilisation impose en effet de nouvelles contraintes dans le cahier des charges des composants : étirable, léger, capacité à être co-intégré avec des éléments ayant des caractéristiques très différentes (rigide/étirable). Ce stage s’inscrit dans un projet plus large ayant pour objectif d’étudier l’impact de ces nouvelles contraintes sur les technologies imprimées sur la plateforme PICTIC du CEA Grenoble, qui met en valeur des substrats plastiques grâce à l’impression de fonctions électroniques. Cette plateforme regroupe divers procédés d’impression tels que la sérigraphie, l’impression jet d’encre, l’héliogravure, ou le slot-die ainsi que des équipements de caractérisation, d’assemblage, d’encapsulation et bénéficie de tout l’environnement scientifique du CEA et de la pesqu’île de Grenoble.
Le stage portera sur le comportement sur substrat étirable des briques de base de l’électronique imprimée (piste conductrice, semi-conducteur organique, couche diélectrique, capacité). Il permettra de mettre en évidence les modifications à apporter sur les empilements standards, sur les architectures ainsi que les points bloquants matériaux pour imprimer des composants sur
substrats étirables voir textiles. Il mettra également en évidence la singularité du comportement de ces matériaux sous sollicitation mécanique.
Le travail consistera donc à réaliser des dépôts sur la plateforme d’impression PICTIC. Différents tests électriques et mécaniques seront réalisés au repos et sous sollicitation. Des caractérisations matériaux (microscopie…) complèteront galement les analyses.
Ce stage est proposé pour un élève ingénieur en MASTER 2. Le candidat devra être motivé par le fait d’être acteur de toute la chaine « impression des échantillons en salle blanche/caractérisation matériau et électrique/retour sur la conception et modification du dessin ». En effet, grâce aux procédés d’impression, les fonctions électroniques sont déposées en une fois, sans recours à la lithographie et aux méthodes soustractives ce qui permet d’avoir un cycle très court de conception/réalisation/caractérisation.
Ce stage pourra déboucher sur une thèse centrée sur l’impact de l’intégration étirable sur les technologies imprimées (capteurs, transistor).

Durabilité des modules PV

Dans un contexte de forte diminution des coûts de l'énergie photovoltaïque (PV), un enjeu majeur actuel est d'augmenter la fiabilité et la durabilité des modules PV au-delà des 25 années habituellement garanties, tout en s'adaptant à la large gamme le climats pouvant être rencontrés (tempéré, désertique, tropical, polaire...). Le développement de nouveaux protocoles de tests de vieillissement ultra accélérés en laboratoire est donc central pour garantir la fiabilité des modules PV dans le temps, mais la difficulté réside dans l'obtention d'une bonne corrélation avec les résultats de terrain, sans créer de défauts artificiels.
Ce stage se focalisera sur deux nouveaux équipements acquis au sein du Laboratoire des Modules Photovoltaïques (LMPV) du
département des technologies solaires (DTS) du CEA:
- un simulateur solaire permettant la stabilisation initiale des modules PV et l'étude des phénomènes de "hot-spots"
(échauffement local dû à un ombrage partiel)
- une source d'illumination UV LED à forte irrandiance (jusqu'à 50x Soleil) permettant de faire une étude contrôlée du
vieillissement sous UV des différents composants des modules PV.

L'étudiant aura la tâche de qualifier ces équipements, de développer leurs protocoles d'utilisation et de définir les tests de vieillissement adaptés aux différents projets du laboratoire, ainsi que les protocoles de caractérisation correspondants. Il sera amené à fabriquer les échantillons et les mini-modules PV de tests et à les caractériser électriquement, optiquement et chimiquement. Parmi les nombreux objectifs de ce stage, il aura notamment à:
- étudier la stabilisation initale des performances des modules PV selon la technologie de cellules utilisée;
- évaluer les limites de la loi de réciprocité (dose UV - réactions photochimiques);
- définir des protocoles innovants de vieillissement de modules PV sous UV et déterminer les lois de comportements
correspondantes.

Stockage et transport d’hydrogène par liquides organiques

L’objectif du stage est d’étudier et modéliser les réactions catalytiques d’hydrogénation et de déshydrogénation d’un couple de liquides organiques (cinétique, thermique, réacteurs …) et de dimensionner un banc de tests adapté à l’étude expérimentale de ces réactions.

Le stage se déroulera au CEA/LITEN à Grenoble, au sein du Laboratoire des Echangeurs et Réacteurs et comprendra les étapes suivantes :

- Réaliser une étude bibliographique sur les réactions envisagées (cinétique, taux de conversion …) et les réacteurs catalytiques actuellement utilisés (batch/continus slurry/lits fixes/monolithes …)

- Dimensionner un réacteur par des simulations numériques cinétiques, thermiques et fluidiques (utilisation de l’outil Comsol)

- Définir les conditions expérimentales qui seront utilisées et proposer le dimensionnement d’un banc de tests de performance de réacteurs catalytiques pour ces réactions.

Etude du recyclage des panneaux photovoltaïques de seconde génération

Le développement économique de sources d’électricité nouvelles (Pile à combustible), batteries et dispositif de type photovoltaïque (PV) nécessite de considérer leurs fins de vie. Les panneaux photovoltaïques ne dérogent pas à la règle. Entrée en vigueur en août 2012, la nouvelle directive sur les déchets d'équipements électriques et électroniques (DEEE) étend l'obligation en Europe de collecte et de recyclage des panneaux photovoltaïques à partir de 2018. PV Cycle table sur 130 000 tonnes de panneaux à traiter d'ici 2030. Le recyclage des PV est devenu une préoccupation des industriels du secteur solaire, avec l'arrivée en fin de vie de la première génération de panneaux photovoltaïques de technologie cristalline. Des procédés commencent à voir le jour, pour la première génération de panneaux, mais trop peu pour la seconde génération de PV.
Le stage propose d’investiguer des voies de traitements hydrométallurgiques pour le recyclage et la valorisation des éléments métalliques présents dans les PV de seoncde génération. Le projet de stage vise à définir un schéma de traitement qui permette la mise en solution et la récupération des éléments métalliques. Les aspects cinétiques et économiques devront être pris en compte pour satisfaire à l’équilibre économique d’un procédé industriel. Pour cela, la phase expérimentale sera précédée d’une étude bibliographique pour identifier les voies les plus pertinentes. Une seconde partie traitera de la mise en solution des métaux en milieu aqueux. Enfin, une dernière partie s’intéressera à la récupération des espèces en solution par les techniques conventionnelles de séparation telle que la précipitation. En fin de stage un bilan sera effectué afin d’évaluer l’efficacité du procédé (pureté des éléments, nombres d’étapes,…).

Modélisation physico-chimique (et éventuellement numérique) du transfert de matière dans un réacteur CO2,sc

Étudier la fluidique et les transferts de masse associés à la technique d’imprégnation sous CO2 supercritique mise en oeuvre dans nos équipements (en batch ou avec recirculation).
Établir les flux des espèces chimiques d’intérêt au sein du fluide et des matériaux à imprégner.
Travail de modélisation fluidique qui intégrera un module de prise en compte des phénomènes de solubilisation d’espèces chimiques, des phénomènes de transport d’espèces chimiques au sein de nos équipements et d’améliorer la connaissance de leur interaction avec les échantillons à traiter.
In fine, cette connaissance nous permettra de mieux faire le lien entre les conditions de procédé et les propriétés des matériaux obtenus à l’issu des traitements. Validation expérimentale des modèles développés, notamment la mise en place d’outils de caractérisation dédiés, comme la spectroscopie Raman in-situ. Des plans d’expériences seront alors conduits sur des traitements ciblés afin de valider la bonne concordance entre les résultats des modèles et des mesures expérimentales.

Développement d'un procédé de mélange de poudre Aluminium/nanoparticules de carbure de silicium pour mise en oeuvre par fabrication additive (3D)

Le stagiaire réalisera des mélanges de poudres au moyen d’un mélangeur tridimensionnel (Turbula ©). Il pourra réaliser une étude paramétrique sur cet équipement pour optimiser le procédé. Le taux de remplissage, le ratio billes de mélange/poudre, la teneur en SiC et le temps de mélange seront notamment étudiés.
L’homogénéité des mélanges obtenus sera évaluée par des mesures de surface spécifique par BET réalisées sur  plusieurs prélèvements de chaque mélange. La dispersion de ces valeurs sera l’indicateur de l’homogénéité du mélange. Le comportement rhéologique des mélanges de poudres sera également étudié pour s’assurer de leurs compatibilités avec le procédé de fabrication additive visé (fusion laser sur lit de poudre).Pour cela, le stagiaire réalisera des mesures d’angle d’avalanche, densité apparente et de morpho granulométrie sur les mélanges qu’il aura réalisés.

Caractérisation et modélisation des couches optiques d'un module photovoltaique

Le stage prendra place dans le Laboratoire des modules photovoltaïques (LMPV) du département des technologies solaires (DTS) du CEA.
Situé sur le site de l’institut national de l’énergie solaire (INES) au Bourget-du-Lac, il bénéficie d’un environnement particulièrement favorable, avec des équipements de pointes sur toute la chaine de valeur, des cellules PV jusqu’aux systèmes photovoltaïques. En particulier une plateforme industrielle de fabrication et de caractérisation des modules, une plateforme durabilité et vieillissement regroupant des bancs extérieurs de test en conditions d’éclairement et de température réelles, et des enceintes de vieillissement accéléré.
Des équipements permettent également de simuler le comportement thermique et mécanique des modules photovoltaïques.
Dans les technologies standard de modules, les couches optiques ont trois constituants principaux : un encapsulant en polymère, un verre trempé, et un backsheet, en plus de la cellule solaire. Le flux solaire incident sur un module subit de multiples phénomènes optiques qui modifient son intensité : réflexion aux interfaces, absorption dans les matériaux, diffusion dans le volume et par la rugosité des interfaces…Dans une démarche d’optimisation de la performance d’un module, il est important de pouvoir simuler numériquement - et donc quantifier - les effets mentionnés ci-dessus. Les logiciels de simulation optique sont nombreux et performants, mais ils nécessitent toujours d’être alimentés par des paramètres d’entrée précis. La caractérisation optique des matériaux et des cellules PV est donc une étape primordiale. En conséquence, l’objectif du stage est double:
1. Caractérisation optique: Mesure en transmission et réflexion à incidence normale pour détermination des indices de réfraction et coefficients d’absorption d’un matériau (longueur d’onde entre 300 et 1300 nm). Mesure de l’impact de la diffusion surfacique des interfaces et des centres diffusants en volume. L’étude pourra être étendue à des mesures à angle d’incidence variable et pour des longueurs d’ondes jusqu’à l’infrarouge moyen.
2. Modélisation numérique: Tester la cohérence des mesures expérimentales et des modèles d’extraction, prévoir le comportement d’un empilement de couche optique. Modèles analytiques et en lancer de rayon.

Détermination des caractéristiques physico-chimiques influant sur l’interconnexion HET et détermination des analyses à réaliser pour les caractériser

Le LMPV développe des modules à partir d'une technologie de cellule hétérojonction (HET). L'interconnexion en série de ces cellules nécessite un procédé basse température. Une des méthodes consiste à utiliser des colles ECA (Electrically onductive
Adhesive) pour assembler la cellule et le ruban d'interconnexion et créer un string de cellules.
Une méthode de sérigraphie est utilisée aujourd’hui pour effectuer le dépôt de l’ECA sur la cellule photovoltaïque. Ensuite, une fois le ruban d’interconnexion déposé sur la cellule, l’ECA est réticulé par chauffage (<200°C) pour créer l’adhésion entre les deux éléments. Il est donc nécessaire de déterminer un certain nombre de paramètre physico-chimique afin de déterminer le procédé de sérigraphie et l’étape de curing.
Par ailleurs, afin de garantir la fiabilité des modules, il est nécessaire que l’interconnexion résiste à différentes sollicitations (mécanique – thermique – chimique). De même, une connaissance des différents matériaux et de leurs éventuelles interactions est nécessaire.
L’objectif du stage est :
- De déterminer les caractéristiques physico-chimiques et les analyses les plus pertinentes pour caractériser un ECA
- De déterminer les caractéristiques de l’adhésion d’un ECA à t0 (électrique, peel-test)
- D’évaluer de nouveaux ECA afin de compléter une base de données interne (mécanique, chimique et électrique)

Détermination des propriétés électroniques de matériaux en couches minces pour les applications PV tandems

Le stage se déroulera à l’INES (Le Bourget du Lac) au sein du SMCP/LHET. Le but de ce stage est d’apporter une meilleure connaissance des propriétés électroniques de certains matériaux candidats envisagés pour une structure tandem tels que les films minces de ZnSnN2 et Cu2O. Le candidat mettra en oeuvre différents instruments de caractérisation optiques et électriques, combinées à des outils de simulation numérique et de caractérisation des cellules de test afin de déterminer les propriétés de structure de bandes électronique de ces matériaux. Pour cela, il pourra :
• Caractériser les films minces par effet Hall (mobilité, concentration de porteurs de charge, resistivité, et énergies d'activation)
sur une large gamme de températures,
• Etudier la pertinence des modèles actuellement utilisés pour déterminer les bandgaps optiques de ces matériaux par la
technique d'ellipsométrie,
• Mettre en oeuvre des mesures de travaux de sortie par Sonde Kelvin (SKP).
Tout cela pour différents paramètres de dépôt (température, dopage, etc.)
Les différents résultats expérimentaux pourront servir de données d'entrée dans des outils de simulation numérique (AFORSHET, PC1D) afin de modéliser ces matériaux et leur influence sur les propriétés d'interfaces en vue d'une intégration dans un dispositif PV à base de silicium. Des structures de test PV intégrant ces couches minces de ZnSnN2 et/ou de Cu2O seront générées et caractérisées (QSSPC, SunsVoc, IV sous lumière) pour confrontrer données expérimentales avec les résultats de simulation...

Encapsulation des pérovskites 

Le premier objectif est de déterminer et minimiser l’impact de différents matériaux et procédés d’encapsulation sur les performances des cellules solaires pérovskites. Plusieurs voies sont étudiées au laboratoire :
- encapsulation par lamination sous vide et à chaud de matériaux thermoplastiques
- encapsulation par dispense d’adhésifs liquides ou d’adhésifs sensibles à la pression
- dépôt direct de couches de planarisation et de couches barrières aux gaz.
On étudiera ensuite le vieillissement de ces dispositifs dans des conditions accélérées, notamment en présence de forts taux d’humidité (85°C et 85% HR). Les expériences seront menées sur des cellules et modules fabriqués au laboratoire. Des caractérisations avancées des dispositifs pérovskites et des matériaux d’encapsulation seront mises en oeuvre afin d’identifier les principaux mécanismes de dégradation et apporter des pistes d’amélioration (design des dispositifs pérovskites ou de l’encapsulation).

Développement d'outils de caractérisation avancés des cellules photovoltaïques en silicium cristallin

Le stage se déroulera à l’INES (Le Bourget du Lac) au sein du SMCP (Service Matériaux & Cellules Photovoltaïques). Deux équipements de caractérisation seront étudiés lors de ce stage. Le premier est un équipement de mesure de réponse spectrale, qui sera amélioré et testé sur différentes technologies de cellules solaires à haut rendement. Le deuxième est un équipement de photoluminescence pour des applications en ligne. Il s'agira principalement d'établir des relations entre le signal photoluminescent et les performances finales des dispositifs, de fiabiliser le fonctionnement de l'outil, et d'améliorer le traitement des données de mesure.

Développement d'un outil d'aide au design de convertisseurs statiques

Le CEA développe des convertisseurs de puissance pour des applications de fourniture d'énergie. Ces convertisseurs sont basés sur des composants de puissance de type grand gap (SiC : Carbure de Silicium et GaN : Nitrure de Gallium).
Différentes applications sont étudiées, amenant pour le design des contraintes très variées, en termes de choix de topologie, de choix de composants de puissance, de rendement, de compacité, de fiabilité ou encore de coûts.
Lors des travaux de pré-design, les équipes du laboratoire sont amenées à faire des inter-comparaisons des différentes solutions possibles sur la base de calculs et de simulations. Ces travaux permettent de consolider les choix techniques avant la phase de développement.
Le laboratoire souhaite à moyen terme se doter d'un outil informatique d'aide au dimensionnement optimal.
Dans ce contexte, il est proposé au candidat de travailler en ce sens en développant une ou plusieurs briques élémentaires de calculs visant cet objectif, ainsi qu'en élargissant le domaine d'application des briques pré-existantes.
Le travail se décomposera en plusieurs parties :
- Analyse du besoin et de l'existant (tant en interne que commercialement ou dans la littérature)
- Définition du périmètre de travail pour le stage et élaboration du planning correspondant
- Développement et validation des briques de dimensionnement choisies
- Amélioration ou extension de briques existantes vers d'autres puissances ou une autre topologie
- Vérification sur des convertisseurs antérieurs de la cohérence des designs proposés par cet outil
- Rédaction de préconisations pour la poursuite du travail et restitution à l'équipe.
- Rédaction du rapport de stage