Cette étude a pour objectif de développer des matériaux luminescents avec un rendement quantique supérieur à 100% permettant d'améliorer l'efficacité des cellules photovoltaïques. Ces travaux sont basés sur des sulfures avec une faible énergie de phonon. Les verres Ga₂S₃-GeS₂-CsCl dopés par des terres-rares sont d'abord étudiés. Il a été démontré qu'un photon visible peut être divisé en deux photons infrarouges par les couples d'ions Er³⁺/Yb³⁺ou Pr³⁺/Yb³⁺ Cependant, le rendement quantique mesuré avec une sphère intégrante est beaucoup plus faible que 100%. Ceci est attribué aux impuretés qui conduisent au désexcitation non-radiative, et à l'absorption du transfert de charge d'Yb³⁺ qui se situe dans le visible dans le cas des sulfures. Grâce à l'électronégativité plus élevée de l'oxygène par rapport au soufre, la bande de transfert de charge d'Yb³⁺ est repoussée vers l'UV dans des oxysulfures de terres-rares. Les oxysulfures très purs ont été préparés avec la méthode de combustion complétée par une sulfuration. La multiplication de photon dans l'IR a été observée dans La₂O₂S dopé par Pr³⁺/Yb³⁺, Er³⁺/Yb³⁺ ou Tb³⁺/Yb³⁺. Un rendement quantique supérieur à 100% est pour la première fois directement mesuré dans La₂O₂S :Er³⁺,Yb³⁺. Une structure "core-shell" est conçue pour sensibiliser des ions Er³⁺ dans les oxysulfures par des ions Ce³⁺ dans le YAG. Par une précipitation homogène, on a réussi à déposer du Y₂O₂S sur des poudres fines de YAG : Ce³⁺. Bien que la structure désirée ne soit pas encore obtenue due à la diffusion d'Er³⁺ dans le YAG, cette piste de recherche est intéressante pour développer des convertisseurs spectrales avec une bande d'absorption large et intense.

Les récentes avancées en microscopie de fluorescence (augmentation de résolution spatiale, correction des aberrations induites par l'échantillon...) ouvrent de nombreuses perspectives en imagerie biologique. Mais pour que ces techniques se répandent, il est nécessaire de réduire les contraintes qu'elles imposent sur la préparation des échantillons, sur les sondes fluorescentes, sur la complexité de mise en oeuvre ou la cadence d'acquisition. Pendant ma thèse, j'ai travaillé sur le développement et l'amélioration de quelques-unes de ces techniques. Dans un premier temps, deux systèmes d'illumination structurée ont été réalisés dans le but d'accélérer la cadence de réalisation de coupes optiques pour l'observation d'échantillons épais vivants. Une deuxième partie de mon travail a concerné la mise en place d'une nouvelle approche de reconstruction en illumination structurée afin de dépasser la limite de résolution imposée par le microscope. Cet outil permet de réduire le nombre d'images requises pour la reconstruction d'une image super-résolue, ce qui ouvre la voie à une augmentation de la cadence de réalisation de ces images. Un montage d'optique adaptative a également été développé afin de corriger les aberrations introduites par les échantillons épais, permettant une amélioration des capacités d'imagerie en profondeur. L'accent a été mis sur la protection de l'échantillon, grâce à l'utilisation de billes fluorescentes pour déterminer la correction à appliquer sans illuminer l'échantillon. Enfin, un instrument de mesure du rendement quantique de fluorescence dédié à la caractérisation de fluorophores infrarouges a été mis en oeuvre afin de pallier les limitations des méthodes de mesure classiques dans le proche infrarouge.

Ce travail s’inscrit dans le cadre du développement de nouvelles applications des matériaux III-Nitrure en général, et de l’alliage InGaN en particulier, pour la réalisation de cellules solaires à base de multi-jonction. Les nombreux avantages du matériau InGaN, à savoir son coefficient d’absorption élevé (105 cm−1), sa résistance thermique élevée, et sa tolérance aux radiations ainsi que sa bande interdite couvrant presque tout le spectre solaire (0.64 - 3.4eV), en font un sérieux candidat pour les dispositifs photovoltaïques. Ainsi une cellule solaire à quadruple jonctions permettrait l’obtention d’une efficacité au-delà de 50%. Cependant, les enjeux technologiques tels que la séparation de phase, le manque de substrat approprié donnant lieu à de forte densité de dislocations, et la difficulté de réalisation du dopage de type-p, sont considérés comme des obstacles pour atteindre les performances attendues. L’objectif de ce travail est d’étudier deux nouvelles approches qui peuvent résoudre les problèmes cités précédemment pour la réalisation de cellules solaires de haute efficacité à base d’InGaN. La première approche est dite approche "semibulk". Elle consiste à élaborer une structure multicouches InGaN/GaN épaisse avec une optimisation de l’épaisseur de chaque couche (InGaN et GaN), de façon que les couches de GaN soient suffisamment épaisses pour être efficaces, et assez mince pour permettre le transport des porteurs de charges par effet tunnel. Les couches InGaN quant à elles, doivent être assez épaisses et nombreuses afin d’absorber efficacement le rayonnement lumineux et suffisamment minces pour éviter la relaxation et l’apparition de dislocations. La deuxième approche consiste en la croissance de nanostructures InGaN qui autorise une incorporation d’indium élevée avec un matériau complètement relaxé et sans dislocation. La complète relaxation du matériau permet en outre de s’affranchir de l’effet piézoélectrique qui conduit à une chute du rendement. Nous avons pu démontrer que les cellules photovoltaïques à base d’In0.08Ga0.92N réalisées suivant l’approche "semibulk" présentent un pic de rendement quantique de 85%, ainsi qu’une efficacité de conversion en conditions AM 1.5G, presque trois fois plus élevée que l’état de l’art. Les premiers résultats obtenus sur les cellules photovoltaïques à base de nanostructures d’In0.08Ga0.62N sont très encourageants / The InGaN material system, with high absorption coefficient (105 cm−1) and a bandgap from 0.64 eV to 3.4 eV spanning the entire visual spectrum, make the development of all-InGaN multijunction solar cells with overall conversion efficiency larger than 50% theoretically possible. However, to reach this goal high-quality and thick InGaN layers with high indium concentration are required, which is not a trivial task. Studies of InGaN-based junctions with an indium mole fraction exceeding 0.3 are rare due to issues such as strong phase separation and relaxation of the layer due to lattice mismatch with the substrate which lead to InGaN layers with large dislocation density and indium-clustering. These material problems, significantly limit the performance of InGaN-based photovoltaic cells, and whatever the indium content, performance still remains far from the theoretical ones. The objective of this study is to investigate new approaches that may overcome the issues of phase separation and high dislocation density in InGaN materials with high indium concentration, for the realization of high efficiency InGaN based solar cells. Two novel approaches are proposed that may overcome the basic challenges involved in the InGaN hetero-junction solar cells. The first approach consists in the growth of a thick multi-layered InGaN/GaN absorber, called Semibulk. These GaN interlayers need to be thick enough to be effective and thin enough to allow carrier transport through tunneling. The InGaN layers need to be thick and numerous enough to absorb efficiently the incoming light beam, and thin enough to remain fully strained and without phase separation. The second approach consists in the growth of InGaN nano-structures to achieve high quality thick InGaN epitaxial layers with high indium concentration. It allows the elimination of the preexisting dislocations in the underlying template. It also allows strain relaxation of InGaN layers without any dislocations, leading to higher indium incorporation and reduced piezoelectric effect. The electro-optical characterization of semibulk In0.08Ga0.92N PV devices show a maximum external quantum efficiency (EQE) of 85%, which is the maximum EQE peak reported so far for an InGaN PIN heterojunction solar cell. The voltage dependence of the current density, under AM 1.5G solar spectrum for the semibulk In0.08Ga0.92N solar cells results in values of Jsc, Voc, fill factor (FF) and power conversion efficiency (PCE) as 0.57 mA/cm2, 1.04 V, 65% and 0.39% respectively. A comparison of the results to the literature show that the Jsc is four to five times of what has been reported for a bulk In0.08Ga0.92N PV structure. This value of Jsc lead to a PCE for the semibulk In0.08Ga0.92N-based PV cell which is at least three times higher than the PCE for the bulk In0.08Ga0.92N structure under AM 0 solar spectrum. For our second approach, high crystalline structural quality for InGaN nano-structures with 35% of indium concentration has been obtained. The electro-optical characterization for In0.09Ga0.91N nano-structure PV cells shows a significant enhancement in the performance of the devices. The PV devices result in a Jsc and Voc of 12 mA/cm2 and 1.89 V under concentrated light respectively

Dans la perspective de la réalisation de luminophores pour écrans cathodiques, une étude de la luminescence de l'europium dans des réseaux-hôtes soufres caracterisés par une large bande interdite a été réalisée. La première partie porte sur l'élaboration des sulfures MS et la détermination des facteurs influençant leurs rendements de photoluminescence et de cathodoluminescence. La seconde est consacrée a l'étude des systèmes MS-Al2S3 et MS-SiS2. De nouveaux thioaluminates ont ete isoles; les donnees cristallographiques sur les thiosilicates ont été complétées. La dernière partie rassemble les résultats d' une étude comparative de la luminescence de Eu2+ dans les thioaluminates, thiogallates et thiosilicates alcalino-terreux: distribution spectrale, rendements, extinction thermique...

Cette thèse contribue à la compréhension fondamentale du phénomène de couplage fort de la lumière avec des molécules organiques en mettant en œuvre de nouveaux systèmes et de nouvelles techniques, afin d'étudier les modifications de propriétés de molécules couplées à des résonances photoniques. Nous présentons des techniques de nanofabrication avancées pour la création de grands réseaux de trous sur des métaux et de cavités de Fabry-Pérot (FP) nanofluidiques. Ces systèmes sont ensuite utilisés pour étudier, sous régime de couplage fort, les modifications des propriétés de surface et de volume de molécules organiques en phase solide et liquide. En particulier les transitions électroniques de molécules du colorant cyanine en solution liquide ont été couplées à des modes photoniques résonants de cavités FP nanofluidiques spécialement conçues. Leur couplage fort a conduit à une amélioration du rendement quantique d'émission, mettant en évidence la nature radiative des états polaritoniques. / This thesis contributes to the fundamental understanding of the phenomenon of strong coupling of light with organic molecules by implementing new systems and techniques in order to investigate property modifications of molecules coupled with photonic resonances. State-of-the-art nanofabrication techniques for the formation of large hole-array gratings in metals and nanofluidic Fabry-Perot (FP) cavities are presented. These systems were then invested to study, under strong coupling, surface and bulk properties modifications of organic molecules in the solid and liquid phase. In particular, electronic transitions of cyanine dye molecules in liquid solutions were coupled to resonant photonic modes of specially designed nanofluidic FP cavities. Their strong coupling has led to an enhancement of the emission quantum yield, highlighting the radiative nature of the associated polaritonic states.