La recherche sur le photovoltaïque vise à réduire le prix par watt de puissance électrique générée. Des efforts considérables sont menés pour rechercher de nouveaux matériaux et des conceptions qui repoussent les limites des cellules solaires existantes. Le développement récent de matériaux et nanostructures complexes pour les cellules solaires nécessite des efforts plus importants pour mener à bien leur caractérisation et leur modélisation. Cette thèse porte sur la caractérisation optique, la modélisation et l'optimisation de la conception d'architectures de cellules solaires de pointe.Les mesures optiques sont utilisées pour la caractérisation rapide et non destructive des échantillons texturés pour les applications photovoltaïques. Les textures de surface améliorent le piégeage de la lumière et sont donc souhaitées pour améliorer les performances des cellules solaires. D'autre part, ces textures rendent la caractérisation optique plus difficile et des efforts plus importants sont nécessaires non seulement pour la mesure optique elle-même mais également pour la modélisation et l'interprétation ultérieure des données obtenues. Dans ce travail, nous démontrons que nous sommes en mesure d'utiliser des méthodes optiques pour étudier les textures pyramidales très répandues ainsi que les réseaux de nanofils de silicium à orientation aléatoire dont l'analyse est très difficile.Premièrement, nous nous sommes concentrés sur l'étude optique de diverses surfaces pyramidales et de leur impact sur les performances des cellules silicium à hétérojonction. Nous avons constaté que les angles au sommet des pyramides, préparées à l'aide de différentes conditions de texturation, diffèrent de la valeur théorique de 70.52° attendue pour le silicium cristallin. Cette modification de l'angle au sommet est expliquée par la présence, sur les facettes pyramidales, de terrasses monoatomiques régulières, observées par microscopie électronique à transmission de résolution atomique. L'impact d'une variation de l’angle au sommet sur les épaisseurs des couches minces déposées est étudié et les conséquences sur l'efficacité des cellules solaires résultantes sont discutées. Un modèle optique développé pour le calcul de la réflectance et de l'absorption des couches minces en multicouches sur surfaces pyramidales a permis l’optimisation de la conception de la cellule solaire pour un angle au sommet pyramidal donné.L'ellipsométrie matricielle Mueller a été utilisée in-situ pour caractéiser le processus de croissance - par méthode vapeur-liquide-solide activée par plasma - des nanofils de silicium. Nous avons développé un modèle optique facile à utiliser, qui, à notre connaissance, est le premier modèle utilisant des données ellipsométriques expérimentales pour contrôler le procédé de croissance, en phase vapeur-liquide-solide assisté par plasma, des nanofils. La dépendance linéaire observée du dépôt de matériau de silicium avec le temps de dépôt nous permet de suivre le processus de fabrication in situ et de contrôler la qualité du matériau. / Research in photovoltaics aims at lowering the price per watt of generated electrical power. Substantial efforts aim at searching for new materials and designs which can push the limits of existing solar cells. The recent development of complex materials and nanostructures for solar cells requires more effort to be put into their characterization and modeling. This thesis focuses on optical characterization, modeling, and design optimization of advanced solar cell architectures.Optical measurements are used for fast and non-destructive characterization of textured samples for photovoltaic applications. Surface textures enhance light-trapping and are thus desired to improve the solar cell performance. On the other hand, these textures make optical characterization more challenging and more effort is required for both, the optical measurement itself and subsequent modeling and interpretation of obtained data. In this work, we demonstrate that we are able to use optical methods to study the widely used pyramidal textures as well as very challenging randomly oriented silicon nanowire arrays.At first, we focused on the optical study of various pyramidal surfaces and their impact on the silicon heterojunction solar cell performance. We have found that vertex angles of pyramids prepared using various texturing conditions vary from the theoretical value of 70.52° expected from crystalline silicon. This change of the vertex angle is explained by regular monoatomic terraces, which are present on pyramid facets and are observed by atomic resolution transmission electron microscopy. The impact of a vertex angle variation on the thicknesses of deposited thin films is studied and the consequences for resulting solar cell efficiency are discussed. A developed optical model for calculation of the reflectance and absorptance of thin film multi-layers on pyramidal surfaces enabled a solar cell design optimization, with respect to a given pyramid vertex angle.In-situ Mueller matrix ellipsometry has been applied for monitoring the silicon nanowire growth process by plasma-enhanced vapor-liquid-solid method. We have developed an easy-to-use optical model, which is to our knowledge a first model fitting the experimental ellipsometric data for process control of plasma-assisted vapor-liquid-solid grown nanowires. The observed linear dependence of the silicon material deposition on the deposition time enables us to trace the fabrication process in-situ and to control material quality.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige, temperatursensitive Polymerbürsten mit terminaler Click-Funktionalität hergestellt, die nicht nur im Detail untersucht bzw. charakterisiert wurden, sondern deren Eigenschaften zusätzlich durch die polymeranaloge Umsetzung mit einem entsprechend modifizierten Fluoreszenzfarbstoff, Polymer oder mit superparamagnetischen Nanopartikeln erweitert werden konnten. Mittels kontrolliert radikalischer Polymerisation wurde mono- und bi-funktionalisiertes Poly(N-isopropylacrylamid) mit unterschiedlichen Endgruppen und Molekulargewichten synthetisiert und über das "grafting to"-Verfahren an eine Modeloberfläche angebunden. Die kovalente Anbindung der entsprechenden Komponenten erfolgte entweder durch die Kupfer-katalysierte oder thermisch induzierte Alkin-Azid-Cycloaddition. Neben den physiko-chemischen Eigenschaften wurde im Besonderen das temperaturabhängige Schaltverhalten dieser funktionellen Polymerbürsten in situ untersucht, wobei neben der spektroskopischen Ellipsometrie als Hauptmethode, zusätzlich Rasterkraftmikroskopie, UV/VIS- und Fluoreszenzspektroskopie, sowie Elektronenmikroskopie verwendet wurden. Im Fall der Farbstoff-modifizierten Polymerbürsten zeigte sich, dass nicht nur die Eigenschaften des Farbstoffs durch das Polymer beeinflussbar sind, sondern auch das Quellverhalten der Polymerbürsten durch den Farbstoff. Die mit Nanopartikeln modifizierten Polymerbürsten zeigten eine homogene Verteilung der Partikel auf der Oberfläche, sowie eine veränderte Schaltcharakteristik, die durch das Auftreten eine dynamischen Wechselwirkungszone zwischen den Polymerbürsten und den Nanopartikeln erklärt werden kann. Mit Hilfe der thermisch induzierten Azid-Alkin-Cycloaddition konnten erstmalig definierte Kettenverlängerungen an Polymerbürsten durchgeführt und gleichzeitig der Nachteil der limitierten Pfropfungsdichte der „grafting to“-Methode überwunden werden. Darüber hinaus konnte der temperaturinduzierte Schalteffekt nicht nur erhalten bleiben, sondern in Bezug auf die Schaltamplitude auch signifikant vergrößert werden und ergab ein sensitiveres, verbessertes Polymerbürstensystem.

In the past few years, studies regarding new bio-based materials have led to an increased attention in the nanoscale product of cellulose, called nanocellulose. This biodegradable and renewable material has interesting physical, optical and thermal properties. The optical properties could be affected by tuning the nanostructure of the material, which makes it interesting for further investigation. The promising properties of nanocellulose can be useful in many different applications. The aim of this work was therefore to study the optical properties of nanocellulose, and to examine if the material is suitable for spectral design of camouflage or in passive cooling applications. The optical properties of a nanocellulose, specifically cellulose nanofiber (CNF), have been studied. Freestanding CNF films and CNF films deposited on glass substrates were made and characterized by spectroscopy, ellipsometry, BRDF measurements, and optical microscopy. The freestanding samples were examined with different CNF concentrations of 0.52% and 1.0%, and different thicknesses. The samples on glass substrates all had a concentration of 1.0% CNF, but with different amount deposited solution which was either drop or spin coated. The freestanding CNF samples show high transmission in the visual region and relatively high emissivity in the atmospheric windows. This implies that it can be used as an effective material for passive radiative cooling. A thicker sample could also be used to increase the emissivity in the atmospheric windows and improve the ability for passive cooling. The low reflectance, and high emissivity in the atmospheric windows can be promising for use in camouflage applications, according to earlier studies. However, the suitable properties are very dependent on the spectral response of the background. Additional measurements need to be performed and more specified scenarios are necessary to draw any further conclusions.

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Dans ce travail, l'adsorption de protéines globulaires sur des surfaces modifiées a été investiguée par ellipsométrie et par réflectivité de neutrons.<p><p>L'adsorption de myoglobine deutérée sur des monocouches hydrophobes d'OTS et de PS a été étudiée par réflectivité de neutrons pour des solutions de protéines de différentes concentrations (de 1 mg/ml à 0.01 mg/ml). A basse concentration, les protéines adsorbées se dénaturent et s'étalent sur le substrat hydrophobe et l'adsorption résulte en une fine couche dense en protéines. Sur le PS, les protéines s'étalent moins, ce qui est en accord avec la moindre hydrophobicité du PS. A haute concentration, une couche supplémentaire peu dénaturée est observée au-dessus de la première couche.<p><p>La cinétique d'adsorption primaire de HSA a été étudiée par ellipsométrie sur des brosses de PEG (Mw = 35700 Da) de différentes densités de greffage. Les résultats confirment que les brosses de PEG répriment l'adsorption de protéines. En outre, l'adsorption est très rapide sur le PS, tandis que sur les brosses, l'adsorption est plus lente. Le comportement à temps long de la quantité adsorbée Γ en fonction de la densité de greffage σ est en accord semi-quantitatif avec une théorie développée par Halperin et basée sur les différentes contributions à l'énergie libre d'une protéine adsorbée. Il a également été mis en évidence un régime pour lequel le taux d'adsorption dΓ/dt décroît exponentiellement avec la quantité de protéines adsorbées Γ.<p><p>L'adsorption de protéines (lysozyme, HSA et myoglobine) a ensuite été étudiée sur des brosses de PNIPAM en fonction des paramètres de la brosse et de la température. Les brosses ont été greffées par ATRP à partir d'une monocouche d'OEG (oligo éthylène glycol) silanisé contenant du brome comme initiateur. Il a été montré que l'adsorption primaire sur la surface de greffage est inférieure à 0.1 mg/m^2 et que l'adsorption ternaire dans la brosse, en dessous et au-dessus de la LCST, ne dépasse pas 1 mg/m^2 (~ 2% de fraction volumique en protéines). La résistance à l'adsorption a été associée à la présence d'une région hydrophile superficielle qui pourrait présenter une barrière cinétique à l'adsorption des protéines dans le cœur moins polaire de la brosse.<p><p>L'ensemble de ces résultats montre que les propriétés interfaciales du substrat jouent un rôle crucial dans les processus d'adsorption des protéines. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Surface- and tip-enhanced resonant Raman scattering (resonant SERS and TERS) by optical phonons in a monolayer of CdSe quantum dots (QDs) is demonstrated. The SERS enhancement was achieved by employing plasmonically active substrates consisting of gold arrays with varying nanocluster diameters prepared by electron-beam lithography. The magnitude of the SERS enhancement depends on the localized surface plasmon resonance (LSPR) energy, which is determined by the structural parameters. The LSPR positions as a function of nanocluster diameter were experimentally determined from spectroscopic micro-ellipsometry, and compared to numerical simulations showing good qualitative agreement. The monolayer of CdSe QDs was deposited by the Langmuir–Blodgett-based technique on the SERS substrates. By tuning the excitation energy close to the band gap of the CdSe QDs and to the LSPR energy, resonant SERS by longitudinal optical (LO) phonons of CdSe QDs was realized. A SERS enhancement factor of 2 × 10³ was achieved. This allowed the detection of higher order LO modes of CdSe QDs, evidencing the high crystalline quality of QDs. The dependence of LO phonon mode intensity on the size of Au nanoclusters reveals a resonant character, suggesting that the electromagnetic mechanism of the SERS enhancement is dominant. Finally, the resonant TERS spectrum from CdSe QDs was obtained using electrochemically etched gold tips providing an enhancement on the order of 10⁴. This is an important step towards the detection of the phonon spectrum from a single QD. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Dans le domaine des cellules photovoltaïques à base de couches minces, l'alliage de Cu(In1-x,Gax)Se2 (CIGSe) constitue l'une des filières les plus avancées. Le passage à l'échelle industrielle soulève cependant de nouvelles problématiques. En effet, si le procédé standard de co-évaporation permet d'atteindre des rendements records supérieurs à 20 %, il reste relativement couteux à mettre en place. C'est ainsi que dans un contexte toujours plus compétitif, l'électrodépôt apparait comme une alternative de choix pour diminuer les coûts de production tout en garantissant des rendements compétitifs sur de grandes surfaces. Néamoins, de nombreuses propriétés spécifiques à ce mode de dépôt restent méconnues. En particulier les propriétés optiques à l'origine du photo-courant. Le premier objectif de cette thèse est donc de déterminer les constantes optiques de chaque couche du dispositif par ellipsométrie. Une attention particulière est donnée à la couche absorbante de CIGSe électrodéposée pour laquelle un protocole spécifique est employé. Une seconde partie de la thèse est dédiée à la réalisation d'un outil de caractérisation sans contact : la photoréflectance (PR). La PR va permettre de mesurer avec précision les énergies de transition interbandes d'un semi-conducteur, dont l'énergie de gap. Nous décrivons dans le détail le dispositif expérimental. Une implémentation originale utilisant une double modulation des sources a été développée et permet de réduire le bruit de mesure induit par la rugosité et la diffusion. L'étude de 14 échantillons de CIGS permet finalement de corréler des paramètres opto-électriques issus des caractéristiques courant-tension aux spectres PR. / Regarding, thin film photovoltaic market, Cu(In1-x,Gax)Se2 (CIGSe) based material is one of the most advanced technologies. Its high absorption coefficient allows it to absorb an important part of the solar spectrum with only two micron thickness. But while moving from fundamental research to the development of batch flow production, issues still remain. If the standard co-evaporation process lead to the best efficiency up to 20 %, high energy consumption is needed. In an increasingly competitive market, electroplating allows to reduce operating cost related to vacuum processes while guaranteeing competitive efficiencies on large scale modules. Nevertheless, due to the specificities of electroplating, new issues occur and some properties may differ from vacuum routes. In particular, optical properties which are responsible for photo-current generation. The first part of this thesis is thus devoted to obtain the optical constants for each layer of the device by spectroscopic ellipsometry. We pay special attention to the electrodeposited CIGSe absorber layer for which a specific method have been used in order to perform measurements on the back side. The second part of this thesis is dedicated to the development of an caracterisation tool : the photoreflectance (PR). The experimental setup is precisely described. An special implementation, using dual modulation technique, increases accuracy by removing luminescence and scattering perturbations. The study of 14 CIGS samples allows finally to correlate opto-electrical parameters from I(V) curves with PR spectra.

Les travaux de cette thèse concernent l'étude de l'influence des conditions de dépôt sur la microstructure et les propriétés optiques de monocouches dans le but de réaliser des filtres optiques particuliers commercialisables. La méthode de dépôt utilisée est l'évaporation par canon à électrons avec assistance ionique. L'un des deux projets a été de vérifier la faisabilité de filtres optiques infrarouges dans la gamme [2-15] µm avec des matériaux non toxiques. Les monocouches des trois fluorures étudiées ont montré des comportements différents suivant les conditions de dépôt, notamment suivant la température du substrat qui influe fortement sur leur microstructure. L'association du BaF₂ au germanium, avec des réglages optimisés, montre pour différents filtres réalisés des résultats proches de la théorie. Ces filtres sont donc commercialisables. Le second projet a été de développer une machine de dépôt dans le but de pouvoir réaliser des filtres complexes d'une centaine de couches d'épaisseur variable (de 15 à 300 nm) associant des monocouches de TiO₂ à des monocouches de SiO₂. L'étude de l'influence des paramètres de dépôts (pression, assistance ionique, préchauffage du matériau) au travers différentes caractérisations (MEB, AFM, ellipsométrie)  a permis une optimisation des réglages de l'enceinte de dépôt plus efficace et adaptée en fonction des spécifications des filtres optiques à réaliser. Puis, une étude ellipsométrique poussée de l'indice de réfraction des monocouches de TiO₂ en fonction de leur épaisseur a conduit à une nette évolution des résultats pour la réalisation du filtre complexe. / This thesis deals the study of deposition conditions 'effect on the microstructure and optical properties of monolayers in order to achieve marketable optical filters, with particular specifications. All filters and monolayers were deposited by ion-assisted electron-beam evaporation technique. One of the two projects was to test the feasibility of infrared optical filters in the range [2-15] µm with non-toxic materials. The study of monolayers of three fluorides showed different behaviors depending on the deposition conditions especially as a function of the substrate temperature that affects their microstructure. For different filters realized, the association of BaF₂ with germanium, settings of deposition optimized, shows results close to the theory and these filters are marketable. The second project was to develop a deposition chamber in order to realize complex filters built with one hundred layers of variable thickness (15 to 300 nm) associating monolayers of TiO₂ with monolayers of SiO₂. The study of the influence of deposition parameters (pressure, ionic assistance, preheating of material) through different characterizations (SEM, AFM, ellipsometry) allowed the optimization of deposition's parameter settings more effective, and adapted according to the specifications of the optical filters to realize. Then, an ellipsometric advanced study of the refractive index of TiO₂ monolayers depending on their thickness led to a significant change in results for the realization of complex filter.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Niedertemperatur Sol-Gel Spin-Coating Verfahren entwickelt, mit dem sich Metalloxide und -fluoride in Form von Nanometer-dicken Schichten abscheiden lassen. Ziel dieses Verfahrens ist die Herstellung von anti- (AR) und hoch reflektierenden (HR) Schichtsystemen, die aus einem alternierenden Aufbau von niedrig brechenden und hoch brechenden Materialien bestehen. Zur Darstellung der Metallfluoride wurde dabei eine neuartige nichtwässrige Sol-Gel Synthese ausgehend von Metallalkoxiden und in Alkoholen einkondensiertem Fluorwasserstoff angewendet. Die abgeschiedenen Schichten, die bei 100 °C getrocknet wurden, sind mit REM, TEM und AFM auf ihre morphologische Struktur, mit EDX und XPS auf ihre chemische Zusammensetzung und mit Ellipsometrie und UV-vis Transmissionsspektroskopie auf ihre optischen Eigenschaften hin untersucht worden. Mit diesem Verfahren gelang die Präparation von homogenen MgF2- und TiO2-Schichten mit geringen Rauheiten (Ra < 2,0 nm) auf Si- und SiO2-Substraten. Die MgF2-Schichten haben einen Brechungsindex von n500 = 1,36. Die TiO2-Schichten weisen einen Brechungsindex von n500 = 2,05 auf. Die Dicken der MgF2- und TiO2-Schichten sind zwischen 25 nm und 500 nm einstellbar. Durch einen alternierenden Aufbau von MgF2- und TiO2-Schichten gelang außerdem erstmalig die Herstellung von Metallfluorid- und Metalloxid-basierten Schichtsystemen über einen Niedertemperatur Sol-Gel Prozess. Mit Hilfe der bestimmten optischen Eigenschaften der MgF2- und TiO2-Einzelschichten wurden einfache AR und HR Designs entwickelt und aufgebaut. Die Transmissionsspektren der Designs und der jeweiligen Schichtsysteme zeigten dabei gute Übereinstimmungen, gleiches galt für die mit Hilfe der Spektralellipsometrie aufgenommenen Reflexionsspektren. In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass sich das Niedertemperatur Sol-Gel Verfahren prinzipiell zur Herstellung von einfachen AR und HR Schichtsystemen eignet. / This work deals with the development of a low temperature sol-gel spincoating process for thin films with thicknesses in the nanometer range based on metal oxides and metal fluorides. Optical films such as anti-reflective (AR) or high reflective coatings are of much interest and consist of alternating dielectric layers of low and high refractive index materials. Regarding the general procedure for the metal fluorides a novel nonaqueous sol-gel synthesis starting from metal alkoxides and alcohol-dissolved HF was used. The coatings were dried and calcined at 100 °C. The morphology of these films was characterised with REM, TEM and AFM. EDX and XPS were used to indentify the chemical composition and ellipsometry and UV-vis spectroscopy to determine the optical properties of the films. This new process allows the preparation of homogeneous magnesium fluoride and titanium dioxide layers with low roughness (Ra < 2.0 nm) on Si and SiO2 substrates. The thicknesses of the MgF2 and TiO2 single layers were adjustable between 25 nm and 500 nm depending on the number of coating steps and on the concentration of the used sols. The MgF2 layers had a refractive index of n500 = 1.36 and the TiO2 layers a refraction index of n500 = 2.05. For the first time, an alternating metal fluoride and oxide multilayer system was produced with a low temperature sol-gel method (consisting of MgF2 and TiO2). Based on the determined optical constants of the MgF2 and TiO2 single layers, AR and HR multilayer systems were calculated and fabricated. The transmission spectra of the designs and the corresponding multilayer were in good agreement. Similar results were obtained with the reflection spectra determined with spectral ellipsometry. The presented investigations were able to show that the developed low temperature sol-gel process using the spin-coating technique is suitable for the preparation of simple AR and HR multilayer systems.