Cristaux photoniques et conversion de fréquences pour cellules solaires
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Au cours de ces dernières décennies, le développement des nanotechnologies et l’émergence de nouveaux concepts de contrôle de la lumière à l’échelle de la longueur d’onde ont permis d’ouvrir de nouveaux horizons dans le domaine du photovoltaïque. Des solutions issues du domaine de la photonique ont ainsi été proposées, notamment les structures à cristaux photoniques. Un cristal photonique est une structure diélectrique périodique qui, de façon analogue à l’effet d’un cristal sur l’électron, crée une structure de bande des états photoniques accessibles. Aux alentours du centre de la zone de Brillouin, la faible courbure de bande donne lieu à des états quasi-stationnaires, ou modes de Bloch lents, se traduisant par une augmentation de la durée de vie des photons dans une certaine gamme de longueurs d’onde, gamme spectrale déterminée par les paramètres du cristal photonique. Cet effet permet donc d’engendrer une augmentation importante de l’absorption dans une plage de longueurs d’onde désirée. |
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De nombreux travaux ont été menés, en particulier à l’Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL) avec lequel nous collaborons, dans le but d’augmenter l’absorption du silicium cristallin et amorphe en structurant directement la couche active silicium en tant que cristal photonique. Ces études ont été couronnées de succès, démontrant expérimentalement une augmentation de 50% de l’absorption d’une couche mince en silicium amorphe à l’aide de la structuration, et ce sur l’ensemble de la gamme spectrale entre 300 nm et 750 nm . |
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L’originalité de nos travaux actuels, réside dans l'utilisation des effets de confinement de la lumière par un cristal photonique pour augmenter l’absorption d’une couche mince dopée terre-rare (déposée sur l’encapsulant et non directement sur le silicium), dans le but de réaliser de façon efficace le processus de quantum-cutting.Des matériaux en couches minces convertisseurs de fréquence sont associés avec des cristaux photoniques planaires. Nous sommes donc dans le domaine des cellules photovoltaïques de 3ème génération, avec la nécessité de développer une ingénierie complexe pour maximiser l’absorption et la conversion des photons solaires incidents sur une gamme de longueurs d’onde donnée. L’intégration de ces fonctionnalités se fera sur la base d’architecture de cellules silicium cristallin en couches minces. |
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La gamme de longueur d’onde à convertir se situe entre 300 nm et 400 nm. L’émission s’effectue soit à 980 nm par le biais de l’ion ytterbium trivalent (DC), soit entre 600 et 750nm par le biais de l’ion europium trivalent (DS) donc à des longueurs d’onde d’efficacité du silicium cristallin bien meilleure.Le cristal photonique est conçu afin d’exalter l’absorption dans la gamme 300-400 nm avec une grande acceptante angulaire, tout en restant transparent dans les domaines visible et infrarouge. Il doit permettre également de contrôler la directivité du rayonnement émis par l’ytterbium vers la cellule. Financements :
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