Photoconversion et exaltation plasmonique de nanoparticules de β-NaGdF4 pour potentielles applications photovoltaïques sur silicium

Frequency conversion and plasmonic assisted enhancement of luminescence in β-NaGdF4 nanoparticles for potential photon harvesting in Si photovoltaic devices

• Auteur / Autrice : Youcef Cheroura
• Direction : Rachid Mahiou, Audrey Potdevin-Caumond, Omar Ziane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 26/05/2021
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...) en cotutelle avec Université des Sciences et de la Technologie Houari-Boumediène (Alger)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (Aubière, Puy-de-Dôme ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Ahmed-Chafik Chami
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Marie Jurdyc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nassima Benbrahim, Mohamed Bouazaoui

Mots clés

Mots clés libres

Fluorures

Nanoparticules

Co-précipitation

Terres-rares

Conversions Stokes et anti-Stokes

Plasmonique

Fluorides

Nanoparticles

Co-precipitation

Rare earths

Down and Up conversions

Plasmonic

Résumé

Un système multifonctionnel a été élaboré pour être utilisé comme double capteur de lumière ultraviolette (UV) et proche infrarouge (NIR) et permettant de convertir ces rayonnements par des mécanismes Stokes (DS-DC) et anti-Stokes (UC) en lumière visible susceptible d’accroître le rendement des cellules photovoltaïques. Des nano-bâtonnets ( 140 nm x 60 nm) de β-NaGdF4 monodopés par Eu3+, Pr3+, Er3+ et codopés par Yb3+ ont été synthétisés de façon reproductible par co-précipitation (conditions optimisées : 150°C, 60 min). Les propriétés structurales et morphologiques ont été caractérisées par diffraction des rayons X, spectroscopie infrarouge, Raman et microscopie électronique (MET) confirmant la qualité des matériaux synthétisés. L’utilisation des propriétés de sonde structurale de l’ion Eu3+ a permis d’identifier et de discuter de l’ordre local en s’appuyant sur la théorie de Judd-Ofelt. L’analyse des propriétés de fluorescence a été menée sous excitations impulsionnelle et continue. Les canaux de désexcitation radiative et de transfert d’énergie pour les deux processus DC et UC, pour chaque système, ont été identifiés et discutés en s’appuyant sur l’évolution des intensités de fluorescence en fonction de la puissance de pompe en régime continu et sur les cinétiques de décroissances temporelles sous excitations UV et NIR. Une attention particulière a été accordée au système Er3+/Yb3+ pour lequel un couplage par effet plasmonique a été envisagé avec des nanoparticules métalliques (NPMs) de métaux nobles or et argent. Selon la nature, la forme et la taille des NPMs, des exaltations ou des atténuations des intensités de fluorescence, s’accompagnant dans certains cas d’un accroissement des taux de décroissance temporelle ont été observées. Elles sont discutées en considérant deux processus principaux, la diffusion et l’effet Purcell.

A multifunctional system was developed to be used as a dual ultraviolet (UV) and near infrared (NIR) light harvester and photo-converters by Down (DS-DC) and Up Conversions (UC) in visible light to enhance the light trapping properties of thin-film solar cells. Nanorods ( 140 nm x 60 nm) of β-NaGdF4 singly doped by Eu3+, Pr3+, Er3+ and co-doped by Yb3+ were synthesized by co-precipitation method (optimized conditions: 150°C, 60 min). The structural and morphological properties were characterized by X-ray diffraction, infrared spectroscopy, Raman and electron microscopy (TEM) confirming the quality of the elaborated materials. Using the structural probe properties of the Eu3+ ion, local order was identified and discussed on the basis of Judd-Ofelt theory. The analysis of the fluorescence properties was carried out under pulsed and cw excitations. The radiative de-excitation and energy transfer channels for both DC and UC processes, occurring in each system, have been identified and discussed based on the evolution of fluorescence intensities as a function of continuous pump power and on the kinetics of luminescence decays under UV and NIR excitations. Particular attention was paid to the Er3+/Yb3+ system for which a coupling by plasmonic effect was considered with metallic nanoparticles (NPMs) of noble metals gold and silver. Depending on the nature, shape and size of the NPMs, enhancements or attenuations of fluorescence intensities, in addition in some cases to an increase in decaying rates have been observed. They are discussed considering two main processes, scattering and the Purcell effects.