Les objets mobiles connectés prennent une place prépondérante dans notre vie de tous les jours mais l’autonomie énergétique est à ce jour limitée. Ainsi, le développement de dispositifs de stockage d’énergie performants et miniaturisés est un domaine en pleine expansion. Les performances de ces systèmes dépendent des matériaux dont sont constituées leurs électrodes et de l’électrolyte utilisé. Cette thèse est consacrée à la fabrication de micro-supercondensateurs à électrodes interdigitées composées de films minces de nitrure de vanadium (VN) déposé par pulvérisation cathodique. La modulation des paramètres de dépôt a permis de densifier les dépôts afin d’augmenter la conductivité électrique ou, au contraire, de rendre poreuses les couches minces pour favoriser la capacité surfacique. La caractérisation operando par spectroscopie d’absorption X d’un film mince de VN cyclé en milieu aqueux KOH couplée à des analyses de surface (XPS / TOF-SIMS) montre que la capacité élevée du VN est due à l’oxyde de vanadium présent en surface du film. Des micro-supercondensateurs rapportant des performances à l’état de l’art en topologie interdigitée ou face / face ont été fabriqués en utilisant les films de VN optimisés dont nous avons fait varier l’épaisseur pour augmenter les densités d’énergie surfacique. Le dépôt de VN par ALD a été également mis au point dans le cadre de cette thèse afin de pouvoir assurer la formation de couches minces sur des substrats 3D de haute surface spécifique. Enfin, différents liquides ioniques ont été utilisés comme électrolytes afin de faire cycler des électrodes de VN, le but étant la formation d’électrolyte solide basé sur la technologie ionogels. / The mobile connected devices have a prominent place in our everyday life but energy autonomy is limited. Thus, the development of efficient and miniaturized energy storage devices is an expanding field. The performance of these systems depends on the used electrode materials and the electrolyte. This thesis is focused on the fabrication of micro-supercapacitors with interdigitated electrodes composed of sputtered vanadium nitride (VN) thin films. The modulation of the deposition parameters allows densifying the thin films in order to increase their electrical conductivity or, on the contrary, leads to the synthesis of porous thin films to increase the surface capacitance. X-ray absorption spectroscopy of VN thin films tested in aqueous KOH in operando configuration coupled with surfaces analyses (XPS/ ToF-SIMS) show that the high capacitance of the VN is due to the presence of thin layer of vanadium oxide at the VN surface. Micro-supercapacitors reporting state-of-art performance in interdigitated or face/face topologies were fabricated using optimized VN films: the film thickness was varied to increase the energy density. The Atomic Layer Deposition of VN layers was also achieved in the frame of this study in order to ensure the formation of thin layers on high specific surface area 3D substrates. Finally, different ionic liquids have been tested as electrolyte, the purpose being solid electrolyte formation based on ionogels technology.

Le travail de thèse a pour objectif la conception de micro-supercondensateurs tout-solide à base d’or nanoporeux, intégrés sur substrat de silicium. Dans un premier temps nous avons développé un procédé de formation de films d’or par réduction chimique auto-catalytique. Afin d’augmenter l’adhérence du film d’or sur le substrat de silicium, une couche d’accroche originale a été élaborée par procédé sol-gel. Il s’agit d’un film mince d’oxyde de zirconium (ZrO2) dopé par des nanoparticules d’or. La porosité de ces films d’or a été contrôlée par une méthode de templating à partir de microsphères de polystyrène (Ø ≈ 20 nm). Les films d’or nanoporeux peuvent atteindre 1,2 µm d’épaisseur en l’absence de délamination. La porosité est totalement interconnectée et la taille des pores (20 nm) a été choisie afin d’être compatible avec l’électrolyte utilisé. Le procédé fait uniquement intervenir des méthodes chimiques en solution et est totalement compatible avec les procédés classiques de micro-fabrication. Les films d’or nanoporeux constituant le matériau d’électrodes du micro-supercondensateur, ont été structurés par photolithographie sous la forme de peignes interdigités. L’imprégnation d’un électrolyte polymère gélifié (PVA / KOH) a permis de finaliser la fabrication du micro-supercondensateur tout-solide. Les caractérisations électrochimiques montrent que le micro-dispositif atteint une capacité surfacique de 240 µF/cm² à 20 mV/s, et peut endurer plus de 8000 cycles en ne perdant que 5% de sa capacité initiale. Ces performances sont comparables à celles des micro-supercondensateurs intégrés tout-solide reportées dans la littérature. / The thesis work aims at the design of nanoporous gold-based all-solid state micro-supercapacitors, integrated on a silicon substrate. In a first step, we have developed a process for the formation of gold films by auto-catalytic chemical reduction. In order to enhance the adhesion of the gold film to the silicon substrate, an original seed layer was produced by a sol-gel process. It consists in a thin film of zirconium oxide (ZrO2) doped with gold nanoparticles. The porosity of these gold films was controlled by a templating method using polystyrene microspheres (Ø ≈ 20 nm). Nanoporous gold films can reach a 1.2 μm thickness in the absence of delamination. The porosity is completely interconnected and the pore size (20 nm) was chosen in order to be compatible with the used electrolyte. The method only involves wet chemistry processes and is fully compatible with conventional micro-manufacturing processes. The nanoporous gold films constituting the electrode material of the micro-supercapacitor have been structured by photolithography in the form of interdigitated combs. The impregnation of a gelled polymer electrolyte (PVA / KOH) made it possible to finalize the manufacture of the all-solid state micro-supercapacitor. Electrochemical characterizations show that the micro-device reaches a surface capacitance of 240 μF/cm² at 20 mV/s, and can endure more than 8000 cycles, while losing only 5% of its initial capacitance. These performances are comparable to those of the all-solid state integrated micro-supercapacitors reported in the literature.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε κατά το διάστημα 11/2011-9/2012 στα πλαίσια των ερευνητικών δραστηριοτήτων του εργαστηρίου Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, υπό την επίβλεψη του καθηγητή Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλου. Σκοπός της εργασίας είναι η σύγκριση της δυναμικής συμπεριφοράς ενός συμβατικού σύγχρονου αντισταθμιστή και ενός εγκάρσιου στατικού αντισταθμιστή αέργου ισχύος (SVC) σε ένα εγκατεστημένο ηλεκτρικό δίκτυο, προσομοιώνοντας διαφορετικές περιπτώσεις που επηρεάζουν την διαδικασία αντιστάθμισης αέργου ισχύος και υποστήριξης τάσης σε ζυγούς του δικτύου. Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται το μαθηματικό μοντέλο του σύγχρονου αντισταθμιστή, οι επαγωγικές παράμετροι που το χαρακτηρίζουν, τα διαφορετικά μοντέλα συστημάτων διέγερσης που χρησιμοποιούνται και ο Μετασχηματισμός Park. Όσον αφορά τον εγκάρσιο στατικό αντισταθμιστή (SVC) παρουσιάζονται οι βασικές αρχές ελέγχου των TCR και TSC που διαθέτει, η χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος και γίνεται μια αναλυτική περιγραφή των συνιστωσών του συστήματος ελέγχου του, όπως ο ρυθμιστής τάσης, το σύστημα συγχρονισμού και η γεννήτρια παραγωγής παλμών. Τέλος, για την μοντελοποίηση και την προσομοίωση των αντισταθμιστών και του ηλεκτρικού δικτύου χρησιμοποιείται το πρόγραμμα PSCAD/EMTDC λόγω της αξιοπιστίας και της ευχρηστίας του σε μεγάλος εύρος ενεργειακών μελετών. / The current thesis was held during the period 11/2011-9/2012 within the research activities of the Generation, Transmission, Distribution and Utilization of Electric Energy Laboratory, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras, under the supervision of Professor Gabriel B. Giannakopoulos. The purpose of this study is to compare the dynamic performance of a conventional synchronous condenser and a static reactive power compensator (SVC) on an installed electrical grid, simulating different cases affecting the process of reactive power compensation and voltage support at the network’s load buses. This thesis includes representation of the mathematical model of the conventional synchronous condenser and the inductive parameters that characterize it, the different excitation system models used and the Park Transformation. Regarding the static VAR compensator (SVC), this thesis also refers to the fundamentals of TCR and TSC control, the explanation of the current-voltage characteristic and the analytic description of the control system’s components, such as the voltage regulator, the synchronization system and the gate-pulse generator. Lastly, for the modeling and simulation of both compensators and the installed electrical grid, the simulation program used is PSCAD / EMTDC because of its usability and reliability on a wide range of energy projects.