Nano-photonique et up-conversion

Transcription

1 Nano-photonique et up-conversion C. Andriamiadamananaa,b, A.-L. Joudriera, L. Lombeza, A. Ferrierb, N. Naghavia, P. Ghenuchec, N. Bardouc, N. Vandammec, J.-L. Pelouardc, S. Collinc, F. Pelléb, J.-F. Guillemolesa a) IRDEP - Institut de Recherche et Développement sur l Énergie Photovoltaïque, Chatou b) LCMCP - Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris c) LPN - Laboratoire de Photonique et des Nanostructures, Marcoussis

2 Plan Conversion de photon et up-conversion pour le PV Nanorésonateurs et structures plasmoniques Matériau up-converter : YF3:Er3+ Caractérisations des structures 2

3 La conversion de photons CB Band gap VB E(photon incident) < E(bandgap) Principale source de pertes : non-absorption L up-conversion consiste à convertir des photons de basse énergie en photons de plus haute énergie. 3

4 Up-conversion pour le photovoltaïque Cellule solaire bifaciale Adaptateur d indice Up-converter Cellule UC / PV Miroir Conversion optique PUC ( Pexc ) Le phénomène d upconversion est non-linéaire ( Pexc ) n n>1 PUC Pexc Pour augmenter l intensité de luminescence d up-conversion, la voie proposée est d augmenter la puissance locale d excitation à l aide d une structure plasmonique. 4

5 Nanoresonateurs Cavité Fabry-Perot w = mλ/2neff La structure résonante proposée et réalisée au LPN. A la résonance, on observe une absorption quasi parfaite sans dépendance angulaire des photons incidents. A. Cattoni*, P. Ghenuche, A-M. Haghiri-Gosnet, D. Decanini, J. Chen, J-L. Pelouard, and S. Collin*, Nano-Letters 11 (2011)

6 Structures plasmoniques Nanoparticules carrées de 4 tailles différentes w = 220, 240, 260 et 280 nm période fixée : 500 nm λr λabs(uc) = 1540 nm w = 220 nm Deux épaisseurs de diélectrique testées : YF3: 1% Er3+, 55 nm YF3: 2% Er3+, 85 nm w = 240 nm w = 260 nm Mesures faites : Structures résonantes, YF3 déposé sur verre, YF3 déposé sur le miroir en or miroir verre w b) a) 500 nm 200 nm 6

7 Le matériau up-converter : YF3:Er Matrice : Grand gap Haut indice de réfraction Faible énergie de phonon Stable chimiquement Gap = 10 ev n = 1.55 hω < 515 cm-1 stable Fluorures Dopage : Er3+ ( excitation = 1.5 µm) Cross section absorption*10-2 Irradiance (W.m.nm) 20 Er cross section absorption Wavelength (nm) 7

8 Caractérisations des couches d YF3 SIMS XRD 1E7 89Y 89Y16O 12C 166Er 19F Intensity (a.u) Synthèse par ALD, à 250 C Time (s) Element Y Er F O C XPS Concentration (% at) La couche «up-convertrice» est composée de deux phases : oxyde d yttrium et fluorure d yttrium qui est la phase principale. Les deux épaisseurs testées sont : 55 nm and 85 nm 8

9 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 axe y (a.u) 4,0 3, , ,5 a) 6 2,0 w 4 1, Intensité (a.u) axe x (a.u) 2 1,0 Intensité (a.u) Cartographie d up-conversion b) 500 nm Les facteurs d exaltation de la structure sont les mêmes selon les axes x et y bonne homogénéité de la structure La référence pour le calcul du facteur d exaltation est l intensité mesurée sur le miroir d or. 9

10 Spectres en réflexion a) 1,00 1,00 b) λ exc= 1,54 µm λ exc= 1,54 µm 0,75 0, nm, 1% Er reference 220 nm 240 nm 260 nm 280 nm 0,25 0, R (%) R (%) 0,75 0,50 85 nm, 2% Er reference 220 nm 240 nm 260 nm 280 nm 0,25 0, Wavelength (nm) Wavelength (nm) Lorsque w augmente, λr évolue vers les plus basses énergies cavité Fabry-Perot (w = m /2neff) La différence d épaisseur entre les deux couches testées ne modifie que très légèrement les spectres. Les structures de taille w = 260 et 280 nm présentent quasiment le même comportement (pour = 1,54 µm) 10

11 Spectres d up-conversion pour Pexc faible Pexc = 0,55 µw 10 I UC tot exc = 1,5 µm (mirror + arrays ) I UC tot (mirror ) UC I tot (mirror + arrays ) I UC tot ( glass ) 450 En comparant les résultats obtenus sur les structures avec ceux obtenus sur YF3 déposé sur verre, le facteur d exaltation atteint une valeur de

12 Spectres d up-conversion pour Pexc élevée Pexc = 10,5 mw, exc = 1,5 µm 10 UC I tot ( mirror + arrays ) I UC tot ( glass ) 60 Lorsque Pexc augmente : Un phénomène de saturation apparait Le procédé d up-conversion devient linéaire (n = 1) Le facteur d exaltation atteint seulement une valeur de

13 Up-conversion en fonction de la densité de puissance exc = 1,5 µm exc = 980 nm UC = 980 nm YF3:Er3+ 6 NaYF4:Yb3+/Er3+ UC = 640 nm p = 1,6 Log10 (IUC (counts)) 5 4 p = 1,8 Structure 280 nm sans structure Log10 (Pexc(W.cm )) C. Andriamiadamanana et al., Proc. SPIE, Vol. 8256, (2012) Stephen Y. Chou et al., Adv. Mater. 2012, 24, OP236 OP241 Plusieurs transitions et gammes spectrales exploitables Changement de pente Phénomène de saturation Saturation pour des densités de puissance >> AM1.5 Champ local ou champ moyen? - 13

14 Cartes de champ électromagnétique : Miroir d or seul modélisations Avec les nanostructures Intensités maximales (normalisées) dans la couche de YF3 Longueur d onde (nm) Verre (n = 1,5) Miroir (or) > 60 > 110 > 30 > 30 > 50 Nanostructures Sur verre : l intensité est constante Sur le miroir en or : l intensité augmente dans la couche d YF3 pour les faibles longueurs d onde Avec les nanostructures : la résonance est presque identique 5 4 >

15 Up-conversion en fonction de la puissance exc = 1,5 µm Hors structure PUC ( Pexc ) Structure 280 nm n On miror 1%Er: YF3 55 nm structure D 1% Er: YF3 ln (I UC uc ) L n (I ) 55 nm 560 nm, slope : 2,8 640 nm, slope : 2,6 810 nm, slope : 1,6 840 nm, slope : 2,7 980 nm, slope : 1,6-1,8-1,6-1,4-1,2-1,0-0,8-0,6-0,4 560 nm, slope : 2,1 640 nm, slope : 2,3 810 nm, slope : 1,7 840 nm, slope : 2,4 980 nm, slope : 1,5-3,5 Ln (P exc) -3,0-2,5-2,0-1,5-1,0-0,5 0,0 ln(p exc) Quand Pexc est faible : Pentes n > 2 : transitions à 3 photons 1 < pentes n < 2 : transitions à 2 photons Quand Pexc augmente : Pentes diminuent Phénomène de saturation 15

16 Conclusions Matériau ayant de bonnes propriétés pour l up-conversion, YF3:Er3+, obtenu par dépôt ALD à 250 C. Structures résonantes efficaces. L exaltation de la luminescence d up-conversion résulte de l augmentation locale de la puissance d excitation : La longueur d onde de résonance est contrôlée par les dimensions de la structure ; Le facteur d exaltation peut atteindre une valeur de 450, mais lorsque Pexc augmente, un phénomène de saturation apparait. Effets locaux à prendre en compte ; excitation hétérogène dans la structure renforcée par le phénomène non-linéaire d up-conversion. Perspectives : optimisation et mesures de rendement, couplage avec une cellule solaire Merci de votre attention! 16

17 17

18 ΔE, 103cm-1 Er3+ Yb F9/2 4I9/2 104I11/2 5 4I13/2 0 4I15/2 490 nm 20 4F7/2 4S3/2, 2H11/2 2F5/2 2F7/2 18

19 Up-conversion spectra 19