Etude de la up-conversion de la lumière dans les couches minces dopées terres rares : synthèse, caractérisation, luminescence et perspectives pour l'application aux cellules solaires

Light up-conversion in rare earth doped thin films : synthesis, characterization, luminescence and prospects for solar cell application

• Auteur / Autrice : Elisabeth L. Payrer
• Direction : Jean-Luc Deschanvres, Rui Manuel Amaral de Almeida
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 12/02/2014
• Etablissement(s) : Grenoble en cotutelle avec Instituto superior técnico (Lisbonne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble, Isère, France ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire des matériaux et du génie physique (Grenoble, Isère, France ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Bellet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Deschanvres, Rui Manuel Amaral de Almeida, Jorge Manuel Morgado
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Constantin Vahlas, Bernard Moine
• DOI : 10.70675/800b500cz7c3ez4a36zbc19zcc665cb016f1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfaces (technologie)

Mots clés libres

Up-conversion

Terres rares

Couche mince

YF3

Oxydes

Y2O3

MOCVD

Sol-gel

Microcavités de Fabry-Pérot

Up-conversion

Rare earths

Thin films

YF3

Oxides

Y2O3

MOCVD

Sol-gel

Fabry-Pérot microcavities

Résumé

Le phénomène d’up-conversion de photon (UpC) permet de générer de la lumière à longueurs d’onde plus courtes que la longueur d’onde d’excitation. Dans cette recherche, la synthese de couches minces dopées avec des ions de terres rares (RE3+) optiquement actifs, leurs caractérisations structurales, ainsi que leurs propriétés optiques et de photoluminescentes ont été étudiées. Les couches ont été élaborées par deux voies de dépôt de couche sur du silicium et des substrats transparents: tout d’abord, un dépôt chimique organométallique en phase vapeur (LI-MOCVD, AA-MOCVD) est utilisé pour le dépôt des couches minces de YF3 et Y2O3 co-dopées Er/Yb. Il est démontré que l’émission d’UpC de Er3+ avec une excitation à 972 nm est influencée par le réseau hôte. Par ailleurs, le traitement sol-gel, une technique chimique par voie humide, est utilisé pour la fabrication de couches minces Y2O3, SiO2 et TiO2 co-dopées Er/Yb par spin-coating. Une optimisation de l’´emission de lumière par UpC a été atteinte grâce à l’ajustement de la concentration de RE et de la température de traitement thermique. De plus, une approche différente a été étudiée pour atteindre une émission UpC renforcée : l’utilisation de microcavités diélectriques de Fabry-Pérot obtenues par sol-gel, constitués d’un empilement de couches de silice et d’oxyde de titane, avec Er/Yb:Y2O3 comme couche de cavité. Le but de ce travail est de répondre aux questions suivantes: comment la nature du réseau hôte et le niveau de dopage influencent l’émission radiative de l’Er3+? Quelles sont les conditions pour un bon matériau d’UpC et ses limites? Nous incluons également une discussion sur les perspectives d’une application possible d’une couche d’UpC dans un dispositif de cellule solaire, qui pourrait améliorer la réponse dans l’infrarouge.

Photon up-conversion (UpC) allows the generation of light of shorter wavelengths compared to the excitation wavelength. In this work the synthesis of thin films doped with optically active rare earth (RE3+) ions, their structural characterization, as well the optical and photoluminescence properties are highlighted. The emphasis lies on two different routes of film deposition on silicon and transparent substrates: first, metalorganic chemical vapor deposition (LI-MOCVD, AA-MOCVD) is introduced for the deposition of Er/Yb-doped YF3 and Y2O3 films and it is demonstrated, how the UpC emission of Er3+ upon 972 nm excitation is influenced by the host lattice. Secondly, sol-gel processing, a wet-chemical technique, is used for the fabrication of Er/Yb-doped Y2O3, SiO2 and TiO2 thin films by spin-coating. Optimization of the up-converted light emission was achieved through adjusting the RE concentration and the processing temperature. Moreover, in a different approach for achieving an enhanced UpC emission, sol-gel derived Fabry-Pérot dielectric microcavities, consisting of a multilayer stack of silica and titania layers and Er/Yb: Y2O3 as the cavity layer, are investigated. The aim of this work is to address the questions, how does the nature of the host lattice and doping level influence the radiative emission in Er3+, what are the requirements for a good upconverter material and what are the limitations? We also include a discussion of the application of an upconverter to a solar cell device, which may debatably enhance the response in the infrared.