Métamatériau au silicium nanostructuré et son procédé de fabrication pour des applications énergétiques et optoélectroniques

Nanostructured silicon-based metamaterial and its process of fabrication for applications in optoelectronics and energy

• Auteur / Autrice : Mikaël Hosatte
• Direction : Zbigniew T. Kuznicki, Patrick Meyrueis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, photonique
• Date : Soutenance le 26/09/2014
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des systèmes photoniques (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Ulrich Lemmer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Haeberlé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tomas Markvart, Pere Roca i Cabarrocas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conversion photovoltaïque

Silicium -- Substrats

Électrons de faible énergie

Nanocristaux semiconducteurs

Mots clés libres

Energie solaire

Photovoltaïque

Nanotechnologie

Semiconducteurs

Multiplication de porteurs

Silicium

Solar energy

Photovoltaics

Nanotechnology

Semiconductors

Carrier Multiplication

Silicon

Résumé

Des nanostructures basées sur des différences de cristallinité ont été insérées dans des cellules test en silicium par des techniques d’amorphisation innovantes. Un nouveau mécanisme de multiplication de porteurs a ainsi été observé. Cet effet peut provenir des niveaux d’énergie électronique introduits par de grandes densités locales de bi-lacunes. Un principe de fonctionnement impliquant des mécanismes à niveaux d’énergie multiples et un transport électronique rapide au sein de la bande d’énergie des atomes de phosphore non-ionisés a également été proposé. Cela conduit à une asymétrie favorable entre la génération et la recombinaison des porteurs libres.L’énergie nécessaire à un photon pour enclencher le procédé s’est révélée plus petite que deux fois celle de la bande interdite. L’amélioration du rendement photovoltaïque devient donc concevable et une nouvelle génération de cellules solaires à haute efficacité pourrait ainsi émerger de cet effet de multiplication à faible-énergie.

Nanostructures based on differences of crystallinity have been embedded into all-silicon test devices by innovative amorphization techniques and a new carrier multiplication mechanism was observed. This effect can indeed originate from the electron energy levels resulting from the high densities of divacancies localized at the crystalline/amorphous interfaces.An operating principle involving multiple energy level mechanisms and fast electronic transport within the unionized phosphorus energy band was also advanced. It led to a favourable asymmetry between generation and recombination of free carriers.Besides, contrary to other carrier multiplication effects, photon energy lower than twice the band gap was found sufficient to initiate the process. The enhancement of photovoltaic yields becomes therefore conceivable and propositions of prototypes are made. A new generation of high efficiency solar cells may then emerge from this Low-Energy Electron Multiplication effect.