Oxydes transparents conducteurs et convertisseurs de photons pour des applications photovoltaïques : les cas de l'oxyde de zinc et de l'oxyde de cérium dopés aux terres rares

Transparent conductive oxides with photon converting properties in view of photovoltaic applications : the cases of rare earth-doped zinc oxide and cerium oxide

• Auteur / Autrice : Matteo Balestrieri
• Direction : Silviu-Mihail Colis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 15/10/2014
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Abdelilah Slaoui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jef Poortmans, Aziz Dinia
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Portier, Hervé Rinnert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Couches minces

Semiconducteurs

Terres rares

Oxydes de cérium

Oxyde de zinc

Mots clés libres

Conversion photonique

Terres rares

Photovoltaïque

ZnO

CeO2

Photon conversion

Rare earths

Photovoltaics

ZnO

CeO2

Résumé

L’objectif de cette thèse était d’étudier les propriétés de conversion de photons des ions terres rares insérées dans des matrices d’oxydes transparents en vue d’application photovoltaïques. En particulier, le but était de fonctionnaliser des couches minces déjà utilisées dans les cellules solaires comme couches antireflet ou oxydes transparents conducteurs. Nous avons donc sélectionné deux matériaux (ZnO et CeO2) compatibles avec les cellules solaires au silicium.Ce travail a montré que les couches minces dopes aux terres rares peuvent être utilisées pour convertir les photons dans des applications photovoltaïques, mais qu’il n’est pas facile d’obtenir des rendements élevés.Cependant, nous avons obtenu des informations très importantes sur l’influence de la matrice sur les propriétés de conversion des terres rares et sur les mécanismes de transfert d’énergie entre la matrice et la terre rare.

The objective of this thesis was to investigate the photon converting properties of rare earths (RE) ions embedded in transparent oxide hosts in view of potential application on silicon solar cells. In particular, the goal was to functionalize thin films that are already used in solar cells such as anti-Reflection coatings or transparent conductive oxides.Two host materials (ZnO and CeO2) have been selected, which are compatible with silicon solar cells.This work shows that RE-Doped transparent oxide films are a viable low-Cost solution for obtaining photon-Converting layers that can be applied on solar cells, but that achieving high efficiencies is much more difficult than it might appear in theory. Nevertheless, very valuable information has been obtained on the effect of the host material on the photon management properties and on the energy transfer mechanisms in these systems. In particular, the energy level diagram of some of the rare earth ions in the specific matrices has been reconstructed.