Sol-gel/ALD procédure à basse température : Etude des nanostructures d'Al2O3 et TiO2 codopé pour application photovoltaïque

Sol-gel/ALD low temperature process : study of Al2O3 and codoped TiO2 nanostructures for photovoltaic applications

• Auteur / Autrice : Fatma Trabelsi
• Direction : Elisabeth Blanquet, Rached Salhi, Frédéric Mercier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 01/07/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Université de Sfax. Faculté des sciences
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Michel Langlet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rached Salhi, Jamel Bouaziz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Geneviève Chadeyron, Radhouane Chtourou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Erbium

Ytterbium

Mots clés libres

Upconversion

Sol-Gel

Ytterbium

Ald

Erbium

Résumé

L'énergie solaire reste l'une des sources d'énergie renouvelables les plus courantes. En utilisant des cellules photovoltaïques, l'énergie solaire peut être convertie en électricité. Malheureusement, l’un des principaux inconvénients des cellules solaires en Si est leur efficacité limitée d'absorption de la lumière solaire à longueur d'onde élevée. Pour résoudre ce problème, une attention particulière est accordée aux processus de luminescence par upconversion dans lequel l'absorption séquentielle de deux photons ou plus conduit à l'émission de lumière à une longueur d'onde plus faible que la longueur d'onde d'excitation. Dans ce contexte, afin de faire face à cette perte spécifique d'absorption des photons de longueur d’onde au-dessus de la bande interdite de Si, les travaux de cette thèse visent à développer des couches minces à base de nanopoudres photoluminescentes enrobées pour étendre la sensibilité spectrale des cellules solaires au spectre proche infrarouge.L'idée est d'étudier l'efficacité d’un procédé à basse température pour obtenir une émission efficace par phénomène d’upconversion (UC) qui peut être utile pour améliorer l'efficacité des cellules solaires à base de Si. Les propriétés structurelles, morphologiques et de composition après chaque étape de l'approche hybride proposée sont détaillées. Pour le film mince à base de nanopoudres, TiO2 est choisi comme matériau hôte et Er3+/Yb3+ est intégré comme activateur/sensibilisateur pour jouer le rôle de modificateur de spectre. Ce film mince à base de nanopoudre est formé grâce à une optimisation des étapes de dispersion (pH, ultrasons) et de dépôt (paramètres de spin coating) de la nanopoudre élaborée. Le revêtement de dépôt de couche atomique (ALD pour Atomic Layer Deposition) en utilisant l’Al2O3 suivi d’un traitement thermique est un outil important pour la passivation du Si afin de réduire les défauts, et ainsi son application potentielle en tant que barrière contre l'environnement environnant pour éviter la suppression de la luminescence. L'influence de l'épaisseur de la couche déposée et du traitement thermique sur la luminescence et les propriétés structurelles du film à base de nanopoudres est étudiée. Il est conclu que les couches minces de nanopoudres renforcées par un dépôt d’ALD ont conservé la fonctionnalité originale de la nanopoudre liée au phénomène d’upconversion. En réglant l'épaisseur de la couche de revêtement, une amélioration de l'émission par upconversion dans le vert (98%) peut être obtenue, qui montre que le revêtement d’Al2O3 agit comme une barrière pour diminuer l’extinction de l'UC et également pour favoriser l'absorption de la lumière. En outre, l'effet du revêtement ALD et du traitement thermique sur l'adhérence et la dureté des films à base de nanopoudre revêtus est étudié. La combinaison d’étapes couramment utilisées pour améliorer les propriétés électriques avec une luminescence et des propriétés mécaniques élevées obtenues dans ce travail est optimisée afin d’obtenir un film aux propriétés améliorées.

Solar energy remains one of the most common renewable energy sources. Using photovoltaic cells, the energy of sunlight can be converted into electricity. Unfortunately, one of the main drawbacks of Si solar cells is their limited efficiency absorption of long wavelength sunlight. To address this issue, special attention is given to the upconversion luminescence process in which the sequential absorption of two or more photons leads to the emission of light at shorter wavelength (Visible) than the excitation wavelength (Near Infra Red) that can be reabsorbed by the cell. In this context, the work of this PhD thesis aims to develop coated upconversion nanopowder based thin films to extend the spectral sensitivity of solar cells to the NIR (Near Infra Red) spectrum.The idea is to investigate the efficiency of a low temperature procedure to get an efficient upconversion emission that can be used to improve the performance of Si solar cells. The structural, morphological and composition properties after every step of the proposed approach are examined in details. For the nanopowder based thin film, TiO2 is chosen as host material and Er3+/Yb3+, embedded as activator/sensitizer, to play the role of spectrum modifier. This nanopowder based thin film is formed through an optimization of the dispersion (pH, ultrasonication) and deposition (spin coating parameters) steps of the elaborated upconversion nanopowder. The Atomic Layer Deposition (ALD) layer of Al2O3 material followed by thermal treatment is used as an important tool for Si passivation through defects reducing. In addition, its potential application as a barrier from the surrounding environment helps to avoid the supressing of luminescence. The influence of thickness layer and thermal treatment on upconversion luminescence and structural properties of the nanopowder-based films are studied. It is concluded that ALD reinforced nanopowder thin films retained the original functionality of the nanopowder related to upconversion phenomenon. Interestingly, by tuning the thickness of the coating layer, enhancement by 98% of the green upconversion emission can be obtained, it is proved that Al2O3 acts as a barrier to decrease the quenching of luminescence and promote the light absorption. Furthermore, the effect of ALD coating and thermal treatment on adhesion and hardness of the coated nanopowder based films is investigated. The combination of the common steps used for enhancing electrical properties with good luminescence and mechanical properties makes these films more attractive.