Croissance par sputtering en radio-fréquence et caractérisation d'oxydes à large bande interdite dopés par de la terre rare

Abstract

The thesis reports the results of an experimental research on rare earth ion-doping effects on the structural, chemical, optical and near-infra-red photoluminescence properties of wide band gap oxide films. The aim of the work was to develop materials with good photoluminescence properties, which can be applied to increase the photovoltaic conversion efficiency of crystalline Si-based solar cells, through the increase of the most efficient and useful fraction of the solar spectrum which hits the cells, thanks to a photon frequency down-shifting process. Neodymium trivalent ion (Nd3+) was used as dopant of TiO2 and ZnO thin films. The films, with different Nd concentrations were grown onto quartz by RF plasma co-sputtering and annealed at different temperatures (400-800). Different film architectures were investigated for their photoluminescence properties. Structural changes such as phase transformation from anatase to rutile, internal strain building and lattice distortion due to Nd3+ incorporation in titania, correlated with optical changes, were evidenced. Exciting titania and zinc oxide matrices with optimal Nd concentrations, with ultra-violet (UV) light energies equal to or above their gap values resulted in an efficient frequency down-shifting from UV to near-infra-red emission. The joint study of the vibrational, chemical and structural properties of the doped films allows the understanding of the excitation energy transfer process between the matrix to the ion, where self-trapped excitons can be involved. To conclude this study, the doped films were tested as down-shifter layers onto a Si-solar cell where they gave promising results. They were also tested for their photoactivity with methylene blue, showing their inhibitor effect on the photo-degradation of this organic dye molecule.Le travail de thèse a porté sur l étude des effets de dopage de couches minces d oxydes à large bande interdite par des ions de terre rare sur leur propriétés chimiques, structurelles, morphologiques, optiques et de photoluminescence dans le proche infra-rouge. Les couches dopées ont été produites par co-sputtering en radio-fréquence. Le travail a eu pour but de déveloper un matériau fonctionnel photon downshifter , susceptible d être appliqué dans le domaine de conversion photovoltaique sur des cellules solaires à base de silicium, pour en augmenter le rendement. Par ses proprietés de photoluminescence et de downshifting, ce materiau intervient dans ce processus en augmentant la fraction utile du spectre solaire incident sur la cellule. L ion trivalent du neodyme (Nd3+) a été utilisé comme dopant de couches minces de TiO2 et de ZnO, deposées avec différentes concentrations de Nd sur des substrats de quartz et recuits à différentes temperatures, entre 400C et 800C. L étude a mis en evidence des modifications structurelles, des transformation de phase, la creation de tensions mécaniques internes resultant en des distortions importantes du réseau crystallin et corrélées avec des modifications des propriétés optiques et de photoluminescence. L'excitation des matrices de TiO2 et de ZnO dopées avec des concentrations de Nd optimales, avec la radiation UV correspondant à la valeur de la bande interdite, a donné lieu à d intenses emissions dans le proche infra-rouge, grâce à un processus de transfert d energie entre la matrice et l ion Nd3+. L accés à de nombreuses techniques d analyse a permis d accéder à la compréhension du processus de transfert d énergie entre la matrice et l ion, dans lequel des excitons auto-piégés peuvent avoir un rôle. Pour conclure cette étude, les couches de TiO2 dopées ont été testées pour leur function de downshifter sur des cellules solaires à base de silicium, donnant des résultats prometteurs. En testant leur photo-activité en presence de methylène bleu, ces couches ont montré leur caractère inhibiteur de dégradation de cette molecule organique.PARIS-BIUSJ-Biologie recherche (751052107) / SudocSudocFranceF