La cellule photovoltaïque à porteurs chauds se caractérise par une population électronique hors équilibre thermique avec le réseau, ce qui se traduit par une température électronique supérieure à la température du matériau. Il devient alors possible de récupérer non seulement l'énergie potentielle des porteurs, mais également leur énergie cinétique, et donc d'extraire un surcroît de puissance qui n'est pas exploitée dans des cellules conventionnelles. Cela permet d'atteindre des rendements potentiels proches de la limite thermodynamique. L'extraction des porteurs hors équilibre se fait au moyen de membranes sélectives en énergie afin de limiter les pertes thermiques. Dans cette thèse, l'influence de la sélectivité des contacts sur les performances de la cellule est analysée par des simulations de rendement. Il apparaît que ce paramètre est moins critique qu'annoncé dans la littérature, et que des rendements élevés sont possibles avec des contacts semi-sélectifs, permettant l'extraction de porteurs au dessus d'un seuil d'énergie. De tels contacts sont non seulement beaucoup plus facilement réalisables en pratique que des contacts sélectifs, mais sont également plus compatibles avec les densités de courant élevées qui sont attendues dans de tels dispositifs. Une méthodologie expérimentale est également proposée pour analyser la vitesse de thermalisation des porteurs hors équilibre. Des porteurs sont photogénérés par un laser continu et leur température en régime stationnaire est sondée par photoluminescence en fonction de la densité de puissance excitatrice. Un modèle empirique est obtenu reliant la puissance dissipée par thermalisation à la température électronique. Ce modèle est ensuite utilisé pour simuler le rendement de cellules présentant une thermalisation partielle des porteurs. Enfin, un rendement de cellule réaliste présentant une absorption non idéale, une vitesse de thermalisation mesurée sur des matériaux réels et des contacts semi-sélectifs est calculé. Il ressort qu'une augmentation substantielle de rendement est possible en comparaison d'une simple jonction ayant le même seuil d'absorption, mais que la vitesse de thermalisation observée est néanmoins trop élevée pour permettre de dépasser les records de rendement actuels. Des idées sont proposées afin d'améliorer les performances des structures étudiées.

La cellule photovoltaïque à porteurs chauds se caractérise par une population électronique hors équilibre thermique avec le réseau, ce qui se traduit par une température électronique supérieure à la température du matériau. Il devient alors possible de récupérer non seulement l'énergie potentielle des porteurs, mais également leur énergie cinétique, et donc d'extraire un surcroît de puissance qui n'est pas exploitée dans des cellules conventionnelles. Cela permet d'atteindre des rendements potentiels proches de la limite thermodynamique. L'extraction des porteurs hors équilibre se fait au moyen de membranes sélectives en énergie afin de limiter les pertes thermiques. Dans cette thèse, l'influence de la sélectivité des contacts sur les performances de la cellule est analysée par des simulations de rendement. Il apparaît que ce paramètre est moins critique qu'annoncé dans la littérature, et que des rendements élevés sont possibles avec des contacts semi-sélectifs, permettant l'extraction de porteurs au dessus d'un seuil d'énergie. De tels contacts sont non seulement beaucoup plus facilement réalisables en pratique que des contacts sélectifs, mais sont également plus compatibles avec les densités de courant élevées qui sont attendues dans de tels dispositifs. Une méthodologie expérimentale est également proposée pour analyser la vitesse de thermalisation des porteurs hors équilibre. Des porteurs sont photogénérés par un laser continu et leur température en régime stationnaire est sondée par photoluminescence en fonction de la densité de puissance excitatrice. Un modèle empirique est obtenu reliant la puissance dissipée par thermalisation à la température électronique. Ce modèle est ensuite utilisé pour simuler le rendement de cellules présentant une thermalisation partielle des porteurs. Enfin, un rendement de cellule réaliste présentant une absorption non idéale, une vitesse de thermalisation mesurée sur des matériaux réels et des contacts semi-sélectifs est calculé. Il ressort qu'une augmentation substantielle de rendement est possible en comparaison d'une simple jonction ayant le même seuil d'absorption, mais que la vitesse de thermalisation observée est néanmoins trop élevée pour permettre de dépasser les records de rendement actuels. Des idées sont proposées afin d'améliorer les performances des structures étudiées. / A hot carrier solar cell is characterized by a carrier population in thermal non equilibrium with the lattice, that translates into carriers having a temperature higher than the material temperature. It then becomes possible to collect not only the carrier potential energy but also their kinetic energy, and thus to extract an additional power that is not used in conventional solar cells. This enables to reach a potential efficiency close to the thermodynamical limit. The extraction of carriers is made through energy selective membranes in order to reduce the heat loss. In this thesis, the impact of contact selectivity on the cell behaviour is investigated by simulating its efficiency. It appears that this parameter is not as crucial as what was said in the literature, and that a high efficiency is indeed possible with semi-selective contacts allowing carrier extraction above an energy threshold. Such contacts would not only be much easier to fabricate in practice, but are also more compatible with the high current densities that are expected in such devices. An experimental method is also proposed to determine the non equilibrium carrier cooling rate. Carriers are photogenerated by a continuous wave laser and their temperature in steady state conditions is probed by photoluminescence as a function of the excitation power density. An empirical model is obtained that relates the power dissipation due to carrier thermalization to the electron temperature. Such model can then be used in a hot carrier solar cell model to take heat losses into account. Finally, the efficiency of a realistic cell having non ideal absorption, a cooling rate measured on real materials and semi-selective contacts is simulated. It turns out that a substantial efficiency enhancement is possible compared to single junction cells with the same band gap, but that the cooling rate measured on samples is nevertheless too high to exceed today's efficiency records. Ideas are proposed to improve the performance of the structure under investigation.

Cette thèse concerne l'étude théorique et expérimentale des limitations de la puissance de sortie des lasers à cascade quantique (LCQ). Nous y exposons une modélisation globale de leurs propriétés électro-optiques. Le fonctionnement du laser est décrit en incluant la structure électronique, les mécanismes de diffusion responsables des transitions non radiatives des électrons et le couplage électron- photon de la cavité. Ce modèle nous a permis de reproduire avec succès l'ensemble des caractéristiques (courant et puissance optique en fonction de la tension appliquée) d'un LCQ sur un large domaine de température de fonctionnement. Dans un premier temps, ce modèle a été utilisé pour le calcul de la température électronique dans les LCQ. Il en ressort que la diffusion par des phonons-LO est le seul mécanisme avec lequel le gaz d'électrons peut transférer son énergie vers le réseau. Les mécanismes élastiques de diffusion sont des sources d'énergie pour le gaz d'électrons. Deux paramètres physiques permettent de décrire complètement le comportement de la température électronique dans le composant : la résistance thermique électronique de l'hétérostructure et le coefficient de couplage courant température électronique. Ensuite, l'étude du couplage des électrons avec les photons de la cavité montre que ce couplage peut modifier notablement la distribution électronique sur les niveaux énergétiques. Le gain de la zone active du laser diminue avec la densité de photons. Cet effet appelé saturation de gain joue un rôle important sur les performances des LCQ. La minimisation de cet effet peut augmenter la puissance maximale de sortie du laser d'un facteur deux. Cette étude nous a permis de proposer de nouveaux dessins de zone active ayant des performances améliorées. La fabrication de certaines de ces structures a permis de valider l'approche que nous avons suivie pour améliorer les performances de ce type de laser.

Cette thèse concerne l'étude théorique et expérimentale des limitations de la puissance de sortie des lasers à cascade quantique (LCQ). Nous y exposons une modélisation globale de leurs propriétés électro-optiques. Le fonctionnement du laser est décrit en incluant la structure électronique, les mécanismes de diffusion responsables des transitions non radiatives des électrons et le couplage électron- photon de la cavité. Ce modèle nous a permis de reproduire avec succès l'ensemble des caractéristiques (courant et puissance optique en fonction de la tension appliquée) d'un LCQ sur un large domaine de température de fonctionnement. Dans un premier temps, ce modèle a été utilisé pour le calcul de la température électronique dans les LCQ. Il en ressort que la diffusion par des phonons-LO est le seul mécanisme avec lequel le gaz d'électrons peut transférer son énergie vers le réseau. Les mécanismes élastiques de diffusion sont des sources d'énergie pour le gaz d'électrons. Deux paramètres physiques permettent de décrire complètement le comportement de la température électronique dans le composant : la résistance thermique électronique de l'hétérostructure et le coefficient de couplage courant température électronique. Ensuite, l'étude du couplage des électrons avec les photons de la cavité montre que ce couplage peut modifier notablement la distribution électronique sur les niveaux énergétiques. Le gain de la zone active du laser diminue avec la densité de photons. Cet effet appelé saturation de gain joue un rôle important sur les performances des LCQ. La minimisation de cet effet peut augmenter la puissance maximale de sortie du laser d'un facteur deux. Cette étude nous a permis de proposer de nouveaux dessins de zone active ayant des performances améliorées. La fabrication de certaines de ces structures a permis de valider l'approche que nous avons suivie pour améliorer les performances de ce type de laser.

Les propriétés de plasmas générés par laser ont été étudiées. Dans nos conditions expérimentales et quelques soient les éléments analysés (Al, Cu, Fe, Mo, Pt), la majorité des espèces évaporées sont des ions, d'énergies typiques de 60 eV à 100 eV. Du fait des mécanismes d'excitation et recombinaison, la constante adiabatique qui gouverne la détente du plasma (température, distribution angulaire) est de l'ordre de 1.2, inférieure à la valeur 5/3 caractéristique d'un gaz monoatomique. Un fort confinement du plasma est obtenu sous un champ magnétique, B, jusqu'à 5 T. La température initiale du plasma alors déduite est de l'ordre de 100000 K. Au premier ordre, la distribution énergétique n'est pas modifiée par le champ. Du fait de la forte densité du plasma résultant du confinement, les phénomènes de recombinaison ne sont pas négligeables. Une méthode originale d'élaboration de dépôts directement structurés a été proposée, associant les effets combinés, sur un plasma, de champs magnétique et électrique.

Ce travail est consacré à l’étude de la dynamique ultrarapide d’électrons chauds photo-excité dans des structures plasmonique. L’intérêt particulier de ce domaine réside dans le fait que les SPs, en raison de leurs caractéristiques spatio-temporelles spécifique, offrent un nouvel attrait technologique pour les processus de transport d’information ultra-rapide aux nano-échelles. Dans ce contexte, ce manuscrit offre une compréhension et une exploitation de l’une des principales limitations des technologies à base de SP : les pertes par effet Joule. Nous exploitons le fait que le mécanisme d’absorption des plasmons dans les métaux est suivi par la génération d’électrons chauds à l’échelle femtoseconde, ainsi les pertes peuvent être considrées comme une conversion d’énergie plasmon-électrons chauds. Cette conversion d’énergie est mesurée à l’aide d’une technique pompe-sonde laser femtoseconde. Nous lançons des impulsions SP que nous sondons sur des centaines de femtosecondes grace aux variations de permittivité diélectrique induites par le gaz d’électrons chaud accompagnant la propagation de SP. Le profil de température électronique est par conséquent une image de la distribution de densité de puissance de plasmon (absorption) non élargi spatialement et temporellement par diffusion de porteurs d’énergie. Nous avons pu démontrer la capacité de relier la mesure de température électronique à l’absorption du SP, révélant une absorption anormale autour d’une fente nanométrique. Les résultats expérimentaux sont en accord quantitatif avec les prédictions théoriques de la distribution de densité de puissance. Dans une seconde partie, nous avons étudié les pertes plasmoniques et leurs caractéristiques lors de sa propagation sur un film métallique semi-infini. Nous avons déterminé la vitesse de l’onde thermique électronique et son atténuation. Dans la dernière partie, nous utilisons une structure en pointe pour guider adiabatiquement et focaliser le plasmon à l’extrémité. Nous avons démontré ainsi la génération d’un point chaud nanométrique et avons mis en évidence un retard dans l’échauffement des électrons à l’extrémité de la pointe. Les perspectives et les questions ouvertes sont également discutées. / In this work we explored the ultrafast dynamics of photo-excited hot electrons in plasmonic structures. The particular interest of this field resides on the fact surface plasmons (SP), because of their unrivaled temporal and spatial characteristics, provide a technological route for ultrafast information processes at the nanoscale. In this context, this manuscript provides a comprehension and the harnessing of one of the major limitation of the SP-based technologies : absorption losses by Joule heating. We exploit the fact that the mechanism of plasmon absorption in metals is followed by generation of hot electrons at femtosecond time scale, thus losses can be seen as a plasmon-to-hot-electron energy conversion. This energy conversion is measured with femtosecond pump-probe technique. Femtosecond SP pulses are launched and probed over hundred femtoseconds through the permittivity variations induced by the hot-electron gas and which accompany the SP propagation. The measured electron temperature profile is therefore an image of plasmon power density distribution (absorption) not broadened spatially and temporally by energy carrier diffusion. As an important result we demonstrated the capability to link the electronic temperature measurement to the plasmonic absorption, revealing an anomalous light absorption for a sub- slit surroundings, in quantitative agreement with predictions of the power density distribution. In a second part we studied plasmon losses and their characteristics when they propagate on semi-infinite metal film. We determined the electronic thermal wave velocity and damping. In the last part we used a focusing taper-structure to adiabatically guide and focus the plasmon at the apex. Was demonstrated the generation of a nanoscale hot spot and put in evidence a delayed electron heating at the taper apex. Perspectives and the remaining open questions are also discussed.

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