Étude des phénomènes de piégeage et dépiégeage de charges par mesures de charge d’espace et de décharge photostimulée dans des films polymères minces pour le stockage d’énergie

La soutenance de thèse de Duvan MENDOZA-LOPEZ , intitulée « Étude des phénomènes de piégeage et dépiégeage de charges par mesures de charge d’espace et de décharge photostimulée dans des films polymères minces pour le stockage d’énergie« ,  encadrée par Laurent Boudou et Laurent Berquez au sein du groupe DSF, a eu lieu le 20 décembre 2023.

Jury :

M. Serge AGNEL, Rapporteur

M. Stéphane HOLE, Rapporteur

Mme. Rachelle HANNA, Examinatrice

M. Gilbert TEYSSEDRE, Examinateur

M. Laurent BOUDOU, Directeur de thèse

M. Laurent BERQUEZ, Co-directeur de thèse

Résumé  :

Avec le développement du marché des condensateurs à base de films polymères, l’étude des phénomènes de génération, de transport et de piégeage de charges dans les diélectriques relativement minces connait un intérêt croissant. En effet, des exigences accrues imposées par des tensions d’alimentation ou des niveaux de température élevés, favorisent l’apparition de charges qui, lors de leur migration à travers le matériau, peuvent être piégées pour créer la charge d’espace. Cette dynamique de piégeage de charges expose une vulnérabilité, car elle provoque une intensification locale du champ électrique, susceptible de générer des contraintes électromécaniques pouvant potentiellement entraîner la défaillance du matériau. En conséquence, il s’avère impératif d’effectuer des études sur la nature et les propriétés des pièges dans les polymères. Pour mener à bien ces analyses, il est impératif de développer des méthodes permettant d’identifier les propriétés énergétiques des charges piégées, ainsi que de mesurer leur dynamique spatiale.

Un grand nombre de méthodes expérimentales sont disponibles soit pour étudier la charge d’espace, soit pour déterminer la profondeur énergétique des pièges dans les isolants. Cependant, lorsqu’il s’agit d’étudier les deux phénomènes simultanément, peu de techniques offrent cette possibilité. Ce travail de recherche propose un système qui combine des mesures de densité de charge par la méthode LIMM (Laser Intensity Modulated Method) avec des acquisitions de courant sous excitation optique par la technique PSD (Photo-Stimulated Discharge). Il s’agit d’un montage unique qui permet des essais consécutifs sans avoir à manipuler l’échantillon, la cellule d’essai ou les connexions de câblage. Comme le système de mesure n’a pas besoin d’être manipulé, les conditions de charge électrique ne sont pas affectées par les contacts externes ou le temps écoulé lors du changement de méthode. L’objectif de ce dispositif est d’étudier la relation entre la charge d’espace (localisation spatiale, densité et évolution dans le temps) et les énergies associées au photocourant (profondeur et distribution énergétique des pièges) afin d’améliorer notre compréhension des mécanismes de piégeage et de dépiégeage de charges dans les isolants polymères.

L’intégration des méthodes LIMM et PSD au sein d’un même dispositif expérimental, ainsi que leur utilisation dans des programmes séquentiels de mesure, offre la possibilité de suivre de manière continue le remplissage des pièges, de stimuler sa libération par l’irradiation de lumière et d’explorer les relations entre l’énergie lumineuse appliquée et les caractéristiques des pièges. En effet, le système de mesure démontre dans une approche innovante que la réduction de la densité de charge d’espace après les mesures PSD est directement attribuée à la perturbation lumineuse elle-même, plutôt que d’être influencée par des facteurs concomitants tels que le temps écoulé après la période de charge ou les manipulations provoquant la libération de la charge.