Conception et réalisation de cristaux photoniques et de réseaux de diffraction pour les cellules photovoltaïques silicium en couches ultra-minces Ce travail de thèse est consacré au piégeage de la lumière par des cristaux photoniques (CP) et des réseaux de diffraction. L'objectif consiste à intégrer de telles structures dans des cellules solaires à couches ultra-minces de silicium, afin d'augmenter leur rendement de conversion. Nous avons conçu et optimisé des cellules solaires en silicium cristallin (c-Si) assistées par les CP, grâce à la méthode FDTD (Finite Difference Time Domain). En gravant un CP 2D dans la couche active de silicium, l'absorption intégrée sur l'ensemble du spectre est augmentée de 50%. Cette amélioration est atteinte en combinant des modes de Bloch lent et des résonances Fabry-Perot. Afin de réaliser de telles cellules solaires, nous avons développé une filière technologique combinant insolation holographique, gravure ionique réactive et gravure ICP (Inductively Coupled Plasma). Nous avons étudié l'influence des paramètres de ces procédés sur la structuration réalisée. Enfin, les caractéristiques optiques et électriques de ces objets ont été mesurées par nos collaborateurs de l'IMEC, en Belgique. Les mesures d'absorption sont en bon accord avec les prédictions théoriques. De plus, l'absorption intégrée est peu sensible à l'angle d'incidence de la lumière solaire. La cellule solaire structurée comme un CP 2D présente finalement un courant de court-circuit d'environ 15mA/cm², soit 20% plus élevé que dans le cas de la cellule de référence. Par ailleurs, nous avons conçu une cellule solaire en c-Si plus complexe, intégrant des réseaux de diffraction avant et arrière. L'absorption aux grandes longueurs d'onde est augmentée du fait de la période élevée (750 nm) du réseau arrière, tandis que la réflexion en face avant est diminuée du fait de la faible période (250 nm) du réseau avant. Nous avons prédit une augmentation du courant de court-circuit jusqu'à 30m A/cm² pour ce dispositif, en comparaison avec la valeur de 18 mA/cm² correspondant à la cellule de référence non structurée. Ces résultats sont première étape vers le développement de futures générations de cellules solaires assistées par des cristaux photoniques et des réseaux de diffraction.

Ce travail de thèse est consacré au piégeage de la lumière par des cristaux photoniques(CP) et des réseaux de diffraction. L'objectif consiste à intégrer de telles structures dans des cellules solaires à couches ultra-minces de silicium, afin d'augmenter leur rendement de conversion. Nous avons conçu et optimisé des cellules solaires en silicium cristallin (c-Si) assistées par les CP, grâce à la méthode FDTD (Finite Difference Time Domain). En gravant un CP 2Ddans la couche active de silicium, l'absorption intégrée sur l'ensemble du spectre est augmentée de 50%. Cette amélioration est atteinte en combinant des modes de Bloch lent et des résonances Fabry-Perot. Afin de réaliser de telles cellules solaires, nous avons développé une filière technologique combinant insolation holographique, gravure ionique réactive et gravure ICP (Inductively Coupled Plasma). Nous avons étudié l'influence des paramètres de ces procédés sur la structuration réalisée. Enfin, les caractéristiques optiques et électriques de ces objets ont été mesurées par nos collaborateurs de l'IMEC, en Belgique. Les mesures d'absorption sont en bon accord avec les prédictions théoriques. De plus, l'absorption intégrée est peu sensible à l'angle d'incidence de la lumière solaire. La cellule solaire structurée comme un CP 2D présente finalement un courant de court-circuit d'environ 15mA/cm², soit20% plus élevé que dans le cas de la cellule de référence. Par ailleurs, nous avons conçu une cellule solaire en c-Si plus complexe, intégrant des réseaux de diffraction avant et arrière. L'absorption aux grandes longueurs d'onde est augmentée du fait de la période élevée (750 nm) du réseau arrière, tandis que la réflexion en face avant est diminuée du fait de la faible période (250 nm) du réseau avant. Nous avons prédit une augmentation du courant de court-circuit jusqu'à 30m A/cm² pour ce dispositif, en comparaison avec la valeur de 18 mA/cm² correspondant à la cellule de référence non structurée. Ces résultats sont première étape vers le développement de futures générations de cellules solaires assistées par des cristaux photoniques et des réseaux de diffraction.

Nous présentons une étude numérique et expérimentale des propriétés de réfraction des matériaux à bandes photoniques interdites bidimensionnels diélectrique et métallique en micro-ondes. Nous examinons en particulier les effets d'ultraréfraction et de super prisme dans une gamme de fréquences 6 GHz et 16 GHz. L'étude numérique est concentrée sur des structures bidimensionnelles finies et infinies. Dans le cas des structures finies nous avons utilisé un logiciel de simulation basé sur la méthode des éléments finis. Quant aux structures infinies nous avons utilisé la méthode des ondes planes et la méthode de la super cellule. Les aspects expérimentaux sont concentrés sur la vérification des prédictions numériques. Nous montrons qu'un matériau à bandes interdites photoniques diélectrique se comporte comme un milieu homogène linéaire et isotrope dans sa première gamme de fréquences permises. Dans la première bande de fréquences interdites, nous vérifions que les photons ont une probabilité de transition non nulle dans une région de l'espace qui, classiquement leur serait interdite. Au bord de la bande interdite, nous obtenons un effet ultraréfractif. Puis nous étudions effet d'une répartition de défauts dans la structure diélectrique, et nous montrerons que les défauts de surface changent la trajectoire de l'onde dans le cristal photonique et permettent l'excitation de nouveaux modes électromagnétiques. Ces propriétés peuvent aboutir à une amélioration du rendement des antennes et des multiplexeurs en longueur d'onde. Dans le cas d'un matériau à bande interdite photonique métallique, nous montrons numériquement et expérimentalement qu'il se comporte comme un milieu homogène ultraréfractif dont l'indice effectif est compris entre 0 et 1. Nous vérifions aussi que dans la première bande de fréquences interdites, les défauts de surface dans les cristaux métalliques changent la trajectoire de l'onde électromagnétique et permettent l'excitation de nouveaux modes électromagnétiques

Thèse de doctorat : Sciences. Dispositifs de l'électronique intégrée : Ecole Centrale de Lyon : 2003. / 215 réf.

Thèse doctorat : Sciences. Dispositifs de l'électronique intégrée : Ecole Centrale de Lyon : 2003. / Titre provenant de l'écran-titre. 215 réf.

Thèse doctorat : Dispositifs de l'Electronique Intégrée : Villeurbanne, INSA : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 135-146.

Dans ce travail, nous avons étudié les modifications du taux d'émission spontanée de sources internes utilisées comme sondes des variations de densités locales d'états photoniques. Des matériaux aussi divers que des milieux désordonnés polymères ou inorganiques, des cristaux photoniques et des nanostructures plasmoniques ont été caractérisés. Ainsi, nous discutons successivement i) les changements des taux d'émission spontanée de sources internes dus aux variations locales de densité du milieu polymère environnant, en dessous et au dessus de la température de transition vitreuse; ii) les changements des taux d'émission spontanée consécutives aux changements de conformation des molécules fluorescentes dus aux mouvements des chaînes environnantes; iii) l'étude de l'inhibition/exaltation de l'émission de fluorescence dans les cristaux photonique et iv) l'émission dans les nanostructures plasmoniques. Finalement, nous décrivons quelques perspectives de recherche telles que i) le développement de matériaux extrêmement désordonnés afin d'étudier les phénomènes de localisation de la lumière et de lasers aléatoires; ii) le developpement des nanostructures plasmoniques combinant plasmons de surface localisés et propagatifs afin de générer des facteurs de Purcell élevés dans une gamme spectrale soit très large soit très étroite et iii) le développement des structures plasmoniques sensibles à l'effet Kerr optique afin de réaliser des bistables optiques.

Résumé indisponible / Résumé indisponible

Ce travail de thèse est consacré au piégeage de la lumière par des cristaux photoniques(CP) et des réseaux de diffraction. L’objectif consiste à intégrer de telles structures dans des cellules solaires à couches ultra-minces de silicium, afin d’augmenter leur rendement de conversion. Nous avons conçu et optimisé des cellules solaires en silicium cristallin (c-Si) assistées par les CP, grâce à la méthode FDTD (Finite Difference Time Domain). En gravant un CP 2Ddans la couche active de silicium, l’absorption intégrée sur l’ensemble du spectre est augmentée de 50%. Cette amélioration est atteinte en combinant des modes de Bloch lent et des résonances Fabry-Perot. Afin de réaliser de telles cellules solaires, nous avons développé une filière technologique combinant insolation holographique, gravure ionique réactive et gravure ICP (Inductively Coupled Plasma). Nous avons étudié l’influence des paramètres de ces procédés sur la structuration réalisée. Enfin, les caractéristiques optiques et électriques de ces objets ont été mesurées par nos collaborateurs de l’IMEC, en Belgique. Les mesures d’absorption sont en bon accord avec les prédictions théoriques. De plus, l’absorption intégrée est peu sensible à l’angle d’incidence de la lumière solaire. La cellule solaire structurée comme un CP 2D présente finalement un courant de court-circuit d’environ 15mA/cm², soit20% plus élevé que dans le cas de la cellule de référence. Par ailleurs, nous avons conçu une cellule solaire en c-Si plus complexe, intégrant des réseaux de diffraction avant et arrière. L’absorption aux grandes longueurs d’onde est augmentée du fait de la période élevée (750 nm) du réseau arrière, tandis que la réflexion en face avant est diminuée du fait de la faible période (250 nm) du réseau avant. Nous avons prédit une augmentation du courant de court-circuit jusqu’à 30m A/cm² pour ce dispositif, en comparaison avec la valeur de 18 mA/cm² correspondant à la cellule de référence non structurée. Ces résultats sont première étape vers le développement de futures générations de cellules solaires assistées par des cristaux photoniques et des réseaux de diffraction. / Gratings are considered. The goal is to integrate such structures into ultra-thin film silicon photovoltaic solar cells, with a view to improve their conversion efficiency. First, a PCs assisted ultra-thin film crystalline silicon (c-Si) solar cell is designed optimized by using the Finite Different Time Domain (FDTD) approach. An increase over50% is achieved for the absorption, as integrated over the whole spectral range, by patterning a 2D PCs in the active Si layer. This enhancement is achieved by combining Slow Bloch modes and Fabry-Perot modes. In order to fabricate such solar cells, we developed a process based on Laser Holographic Lithography, Reactive Ion Etching and Inductivity Coupled Plasma etching. We have investigated the influence of the parameters taking part in these processes on the obtained patterns. Finally the optical and electrical properties of the devices have been characterized by our co-workers at IMEC, Belgium. Absorption measurements are in good agreement with the theoretical simulations. Moreover, the integrated absorption is tolerant with regard to the sunlight angle of incidence. The final fabricated 2D PCs patterned solar cell exhibits a 20% higher short circuit current (Jsc = 15mA/cm2) than the reference. Additionally, a more complex thin film c-Si solar cells integrating front and back diffraction gratings has been designed. Long wavelength absorption is increased thanks to the long period (750 nm) back grating, while the incident light reflection is reduced by using a short period (250 nm) front grating. A short-circuit current increase up to 30 mA/cm² is predicted for this device, far above the 18 mA/cm² value for the unpatterned reference These are first steps towards the development of a future generation of PC and diffraction grating assisted solar cells.

Au cours de ce travail, nous nous sommes intéressés à l’élaboration de cristaux photoniques colloïdaux d’architecture contrôlée afin d’étudier leur effet sur les spectres de photoluminescence de luminophores. Notre stratégie a été d’incorporer les émetteurs au sein des particules de silice composant les cristaux colloïdaux de façon à les répartir de manière homogène dans l’ensemble des matériaux. Nous présentons la synthèse des précurseurs minéraux et l’élaboration de cristaux colloïdaux d’épaisseur contrôlée à la couche près grâce à la technique de Langmuir-Blodgett. Ces structures sont caractérisées par une bande interdite qui affecte la propagation de la lumière. L’insertion d’une couche de particules de diamètre différent dans un cristal colloïdal induit l’apparition d’une bande passante au sein de la bande interdite. Nous avons ainsi étudié l’influence de la structure de cristaux avec et sans défaut(s) sur les spectres d’émission de différents luminophores. Nous avons observé une inhibition et une exaltation locale de la lumière émise dans les zones spectrales correspondant respectivement aux bandes stoppante et passante. Nous avons également observé des modifications réversibles des spectres de photoluminescence des émetteurs, lorsque ceux-ci sont incorporés au sein de cristaux colloïdaux dont les propriétés optiques peuvent être modulées via l’application d’un stimulus extérieur. / During this work, we were interested in the elaboration of colloidal photonic crystals with a controlled architecture to study their effect on the photoluminescence spectra of emitters. Our strategy was to incorporate the emitters within the silica particles composing the colloidal crystals in order to distribute them homogeneously in the samples. We present the synthesis of the mineral precursors and the elaboration of colloidal crystals whose thickness is controlled at the layer level thanks to the Langmuir-Blodgett technique. These structures are characterized by a band gap which affects the light propagation. Insertion of a monolayer of particles with a different size as a planar defect within a colloidal crystal leads to the formation of a pass band in the band gap. We thus studied the effect of the structure of crystals with or without planar defect(s) on the emission spectra of different emitters. We observed local inhibition and exaltation of the emission in the spectral region corresponding to the stop band and the pass band, respectively. We have also observed reversible modulations of the photoluminescence spectra of the emitters when these ones were incorporated in colloidal crystals whose optical properties can be tuned by an external stimulus.