Elaboration et caractérisation de films d'oxynitrure de silicium dopés cérium et ytterbium : applications aux diodes électroluminescentes et au découpage quantique pour les cellules solaires

Elaboration and characterization of cerium-ytterbium co-doped silicon oxynitride films : applications to light emitting devices and quantum cutting for solar cells

• Auteur / Autrice : Florian Ehré
• Direction : Christophe Labbé, Christian Dufour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/12/2017
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Paule Besland
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Labbé, Christian Dufour, Marie-Paule Besland, Hervé Rinnert, Odile Cristini-Robbe, Andréa Balocchi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Paule Besland, Hervé Rinnert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pulvérisation cathodique

Photoluminescence

Terres rares

Ytterbium

Cérium

Couches minces

Oxynitrures

Diodes électroluminescentes

Énergie solaire

Conversion photovoltaïque

Silicium

Mots clés libres

Photovoltaïque

DEL

Oxynitrures

Découpage quantique

Down conversion

Silicon

Photovoltaic

LED

Oxynitride

Thin films

Cerium

Résumé

Cette thèse porte sur les applications optiques de films d’oxynitrures de silicium dopés cérium et co-dopés cérium-ytterbium élaborés par pulvérisation cathodique magnétron radiofréquence. Les paramètres de dépôt ont été optimisés afin d’obtenir une intense émission visible à l’œil nu des ions Ce3+ dans la matrice hôte SiOxNy. Il est démontré que le flux d’azote est un paramètre crucial pour obtenir cette émission. Nous avons montré aussi que les ions Ce3+ peuvent être incorporés en grande quantité dans cette matrice, sans clusterisations jusqu’à de très hautes températures de recuits (1200°C). Ces excellentes propriétés optiques ont mené à une première application : la tentative d’élaboration de DEL bleue. Les premiers résultats obtenus montrent une électroluminescence peu intense, mais restent encourageants pour une étude plus approfondie. La deuxième application étudiée est le développement de couches à conversion de fréquence basse pour augmenter le rendement des cellules solaires à base de silicium. En effet les cellules solaires sont limitées par le recouvrement du spectre solaire et la plage d’absorption de la cellule. L’élaboration de films SiOxNy co-dopés Ce/Yb pour convertir un photon ultra-violet (300-400 nm) en deux photons infra-rouges (980 nm) permet de passer outre la limite théorique des cellules solaires. Les systèmes élaborés montrent une émission des ions Yb3+ en présence d’ions Ce3+ dans la matrice hôte SiOxNy. Les ions Ce3+ permettent d’excités les ions Yb3+ sur une large gamme spectrale et le mécanisme de transfert d’énergie entre ces deux terres rares est détaillé. Un rendement de conversion de 185% est obtenu pour la plus forte concentration en ions Yb3+. Pour améliorer ce système, l'ajout de miroirs de Bragg entre la couche à conversion et le substrat de silicium, représentant la cellule solaire, a été étudié théoriquement. Leur but est double : maximiser le flux de photons ultraviolets piégé dans la couche à conversion de fréquence et transmettre un maximum de photons infrarouges, qui sont facilement absorbables, vers la cellule solaire.

This thesis is dedicated to cerium doped and cerium-ytterbium co doped oxynitride silicon films optical applications grown by radio frequency magnetron sputtering. Growth parameters have been optimized in order to obtain a strong cerium emission visible to the naked eye in the matrix host SiOxNy, especially the nitrogen flux has a dominant role. We showed that cerium ions have a high solubility without clustering at very high annealing temperature (1200°C). Those excellent properties lead to a first application: the elaboration of blue LED. First results show a weak electroluminescence signal but are still encouraging for further study. The second application is the elaboration of frequency conversion layers to increase the efficiency of Si based solar cell. Indeed solar cell are limited by the mismatch between the solar spectrum and the cell absorption range. The elaboration of Ce/Yb co doped SiOxNy films to convert a UV photon (300-400 nm) into two infrared photons (980 nm) allows to overcome the solar cell theoretical limit. Layers grown show an Yb3+ ion emission in presence of Ce3+ ions in the host matrix SiOxNy. Ce3+ ions sensitize Yb3+ ions on a large spectral range and their cooperative energy transfer mechanism is detailed. An efficiency of 185% is obtained for the higher dopants atomic concentration. In order to improve this system, the effect of adding Bragg mirrors placed between the conversion layer and the silicon substrate, which represents the solar cell, is theoretically studied. Their aim is double: increase the maximum flux of UV photons trapped in the frequency conversion layer and transmit a maximum of infrared photons, which are easily absorbable, toward the solar cell.