Proposition de thèse : Cellules solaires organiques pour la récupération d’énergie et la réception de données pour les dispositifs communicants autonomes de l’Internet des Objets (IoT) dans le contexte de l’Industrie 4.0


Organic solar cells for energy harvesting and data reception of wireless and autonomous devices for Internet of Things (IoT) in the context of Industry 4.0

L’ED SISMI propose le sujet de thèse suivant :

Intitulé du sujet : Cellules solaires organiques pour la récupération d’énergie et la réception de données pour les dispositifs communicants autonomes de l’Internet des Objets (IoT) dans le contexte de l’Industrie 4.0

Ce projet serait sous la direction de Johann Bouclé du laboratoire XLIM à l’Université de Limoges

Co-directeurs renseignés : Anne Julien-Vergonjanne /

Les financement sont : La thèse est co-financée par une demi-bourse institutionnelle déjà acquise (bourse du Comité d’Animation Scientifique et d’Interdisciplinarité à XLIM, CASI), couplée à un demi-financement en cours d’évaluation par la Région Nouvelle Aquitaine (appel à projet ESR 2021 déposé par XLIM). En cas de refus de la Région, un demi-financement institutionnel fléché par l’équipe ELITE sera disponible (acquis).

Le début de la thèse est prévu pour : 10/2021

Mots clés du sujet : Cellules solaires, communications optiques sans fils, IoT

Présentation du sujet : L’usine du futur (Industrie 4.0) vise l’interconnexion des objets et des personnes afin d’améliorer les procédés, mais aussi le bien-être des opérateurs, dans un souci d’efficience et de rentabilité, tout en s’inscrivant dans une contrainte écoénergétique forte. Vues comme une alternative aux technologies RF, les technologies de communication par voie optique dans le visible (VLC) permettent un déploiement rapide, une sécurité améliorée, pour une gamme de débits très large adaptée à de nombreuses applications (localisation, identification, métrologie, monitoring, etc.). Dans ce contexte cette thèse vise le développement à bas coûts de composants photovoltaïques organiques permettant de récupérer simultanément l’énergie lumineuse de l’environnement tout en assurant une fonction de réception de données par voie optique. Mené en lien étroit entre le laboratoire XLIM et le Centre de Ressources Technologiques CISTEME, ce projet vise la fabrication, la caractérisation, et la simulation de composants photovoltaïques utilisés comme récupérateurs d’énergie et récepteurs de données optiques dans le contexte en fort développement des objets communicants de l’Usine du Futur.

Objectifs : Les objectifs de la thèse sont multiples et adressent plusieurs aspects très complémentaires. Un premier aspect expérimental, supervisé par l’équipe ELITE (Electronique Imprimée pour les Télécoms et l’Energie) du laboratoire XLIM, permettra de fabriquer des cellules solaires organiques à l’aide des technologies bas coûts déjà bien maîtrisés et de caractériser leurs propriétés photovoltaïques sous illumination indoor, ainsi que leur réponse dynamique (temps de réponse, bande passante). Un second aspect du travail, supervisé par l’équipe SYCOMOR (SYstèmes et réseaux de COMmunications Optique et Radio) du laboratoire XLIM, visera la simulation des performances de réception de données par voie optique des composants à l’aide du logiciel RaPSor, qui permet la prise en compte d’un environnement complexe de type industriel notamment. La thèse devra permettre, en lien avec notre partenaire CISTEME, d’identifier un cas d’usage du composant permettant l’évaluation et la validation des performances pour l’alimentation d’un capteur autonome communicant (exemple : identification d’équipements ou de personnes par la technologie LED-ID). Finalement, la thèse doit permettre une première validation d’une brique photoréceptrice imprimable à bas coût pour l’IoT industriel.

Description du sujet : L’industrie en Europe est engagée dans une stratégie de réindustrialisation visant à dépasser les limites commerciales, sociales, et écologiques du modèle de production actuel des pays à bas salaires. Ce nouveau modèle d’industrie 4.0 (Smart Factory) s’appuie sur les technologies liées aux systèmes cyber-physiques et à l’Internet des objets (IoT) afin d’aller vers une automatisation globale et flexible s’appuyant sur les technologies sans fil et l’intelligence artificielle. Les technologies sans fil, nécessaires pour collecter et traiter l’information des objets, s’appuient largement sur les technologies radiofréquences (5G, 6G) dont les limites de saturation seront pourtant bientôt atteintes. Depuis les années 2000, différents projets ont été ou sont menés sur les potentialités de l’optique (optical wireless communications ou OWC) notamment pour répondre aux contraintes hétérogènes des réseaux industriels en termes de fiabilité, très haut-débit, latence et efficacité énergétique.

En 2014-2015, le groupe de Harald Haas en Ecosse a proposé l’utilisation de modules photovoltaïques pour la réception optique des données, dans le but d’exploiter un effet simultané de récupération d’énergie lumineuse. Dans ce cas, un composant unique permet la réception OWC et la conversion d’énergie lumineuse en énergie électrique, permettant d’envisager une utilisation très pertinente dans le domaine de l’IoT Industriel. Plusieurs technologies de modules photovoltaïques ont été depuis évalués pour cette application, principalement des modules au silicium cristallin et amorphe et des cellules en couches minces. En 2015, la première cellule solaire organique (OPV) a été évaluée pour cette application, et en 2021, un débit record de 147 Mbps associé à une puissance électrique récupérée de 3.7 mW a été démontré. Néanmoins, ces démonstrations utilisent des composants de petite surface et des environnements très simplistes (source laser utilisée à quelques dizaines de centimètres du récepteur OPV). De même, l’influence du bruit ambiant n’a pas été spécifiquement adressé, ni même l’influence de l’environnement complexe de l’industrie du futur (ombrage, mobilité, etc). La technologie OPV, qui repose sur l’utilisation de matériaux semi-conducteurs organiques (polymères, molécules) facilement mis en œuvre à l’aide de procédés d’impression bas coût, présente des caractéristiques très intéressantes pour une application Indoor de type IoT : performances élevées sous lumière artificielle (rendement au-delà de 26%), faible dépendance à l’angle d’incidence, matériaux absorbeurs facilement modulables pour s’adapter aux sources lumineuses artificielles, procédés d’impression compatibles avec les substrats flexibles, légèreté, etc.
Cette thèse vise ainsi à démontrer, pour la première fois, la pertinence d’un composant photovoltaïque organique pour la récupération d’énergie et la réception OWC dans un environnement industriel spécifique. Elle repose aussi sur une phase de simulation de performances à l’aide d’outils à l’état de l’art, capables d’intégrer les contraintes complexes du composants (surface, flexibilité, temps de réponse, etc.) et celles de l’environnement (sources de lumière multiples, mobilité, milieux diffusants, etc.). En particulier, il convient de démontrer qu’une brique photoréceptrice OPV peut être implémentée en répondant aux contraintes des réseaux industriels en termes de fiabilité, débit et efficacité énergétique.

Compétences acquises à l’issue de la thèse : Le(a) candidat(e) sera formé(e) dans un premier temps dans les procédés de fabrication de composants optoélectroniques imprimées, en particulier des composants photovoltaïques de 3ème génération. Il(elle) démontrera une bonne connaissance des techniques de caractérisation associées (performances photovoltaïques et réponse temporelle et fréquentielle). La thèse permettra de plus de développer de solides compétences dans le domaine de la simulation du bilan de liaison en optique sans fils pour un environnement industriel complexe, et des performances associées. Plus généralement, la thèse permettra de développer une expertise forte dans le domaine des nouvelles technologies de communication optique appliquées à l’Industrie du futur.

Présentation de l’équipe d’accueil : Ce projet est porté par deux équipes très complémentaires de l’institut XLIM (UMR 7252, Université de Limoges/CNRS, www.xlim.fr) : l’équipe ELITE qui est spécialisée dans le développement et la caractérisation de composants photovoltaïques de 3ème génération (domaine de l’électronique imprimée) et l’équipe SYCOMOR, spécialiste des systèmes de communications RF et optique, intégrant en particulier un savoir-faire important dans modélisation des canaux de propagation et des performances de systèmes de communications par optique sans fil en environnement complexe.
La thèse implique par ailleurs de façon effective le Centre d’Ingénierie des Systèmes en Télécommunications en Électromagnétisme et en Électronique (CRT CISTEME), qui permettra notamment de définir les spécifications d’un cas d’usage en environnement industriel. CISTEME participera aussi activement à l’intégration préliminaire des composants au sein d’objets ou systèmes électroniques communicants afin de permettre la valorisation des stratégies mises en jeu, et leur potentiel transfert vers des acteurs du tissu industriel régional.
On note finalement que cette thèse s’inscrit une action plus globale menée au niveau national (demande de financements ANR en cours), associant XLIM (ELITE et SYCOMOR), CISTEME, l’IM2NP de Marseille et l’industriel Dracula Technologies (spécialiste français de l’impression numérique de dispositifs photovoltaïques OPV pour applications IoT).

Compétences souhaitées pour les candidats : Les candidats doivent être titulaires d’un master (ou être sur le point d’en valider un) ou posséder un diplôme universitaire équivalent à un master européen (durée de 5 ans). Il / elle démontrera une formation pertinente dans un ou plusieurs des domaines clés suivants : électronique et optoélectronique, nanotechnologies, technologies de télécommunications. Des connaissances ou des expériences passées dans le domaine de la conversion d’énergie, des communications optiques sans fils, ou des dispositifs pour l’IoT seront très appréciées. Une aisance pour communiquer et pour travailler en autonomie dans un contexte interdisciplinaire sera aussi un atout.

Pour plus d’informations et pour candidater, merci de contacter :

Date de dépôt : 03/25/2021 à  9 h 09 min




ED SISMI