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Haj Salem-Bousbih, Assia. Synthèse ionique à très basse énergie de bicouches de nanocristaux de Si et d'Ag pour la conversion de fréquence dans les dispositifs photovoltaïques

Haj Salem-Bousbih, Assia (2018). Synthèse ionique à très basse énergie de bicouches de nanocristaux de Si et d'Ag pour la conversion de fréquence dans les dispositifs photovoltaïques.

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Résumé en francais

Les systèmes composés de nanocristaux de silicium (NCs-Si) et d'argent (NCs-Ag) sont très intéressants pour leur application aux dispositifs photovoltaïques de troisième génération, notamment dans les cellules solaires intégrant des couches de conversion de lumière. En effet, les propriétés plasmoniques des NCs-Ag permettent d'augmenter fortement, jusqu'à un facteur 10, l'intensité de photoluminescence des NCs-Si et par conséquent de résoudre le problème du faible rendement de PL qui en limite l'utilisation dans les cellules solaires à conversion photonique (conversion par déplacement photonique ou " down shifting "). L'optimisation du couplage dans ces systèmes dépend de plusieurs facteurs tels que la distance réciproque entre les deux types de particules, la taille, la forme et la distribution spatiale des NCs-Ag. Pour cette raison le contrôle de leur nanofabrication est fondamental. Ce travail de thèse a contribué à mettre au point une méthode originale basée sur la synthèse ionique à très basse énergie (ULE-IBS, Ultra Low Energy - Ion Beam Synthesis) afin d'obtenir la fabrication contrôlée dans la même matrice, de NCs-Si et de NCs-Ag. Pour cela, nous avons profité de l'expérience acquise dans le passé dans la fabrication par ULE-IBS de réseaux 2D de NCs-Si et plus récemment de NCs-Ag, avec des distances et des tailles parfaitement contrôlées, et nous avons effectué de simulations en utilisant le code SRIM afin de pouvoir estimer la localisation et la densité des défauts enduits par l'implantation et le code TRIDYN pour évaluer les profils des implantés lors des doubles implantations. Les NCs-Si sont toujours synthétisés avant les NCs-Ag à cause des différents bilans thermiques nécessaires à leur nucléation. Les propriétés structurales et optiques des systèmes obtenus ont été étudiées par des méthodes de microscopie électronique en transmission (HREM, EFTEM) et par spectroscopie de photoluminescence (PL), en fonction des conditions d'élaboration. Les résultats expérimentaux ont montré qu'il est possible de synthétiser dans la même matrice de réseaux de NCs-Si et de NCs-Ag et d'en contrôler les propriétés, mais que plusieurs phénomènes physiques sont mis en jeu lors de ce type de synthèse et doivent être pris en compte afin de maitriser les caractéristiques structurales et optiques de ces systèmes. Nous avons pu mettre en évidence l'effet du mixage ionique et du dommage lorsque les ions d'Ag sont implantés dans la matrice qui contient les NCs-Si : la population des NCs-Si est modifiée et celle des NCs-Ag est à son tour dépendante de la présence des NCs-Si, de leurs caractéristiques et de leurs modifications dues au mixage ionique. Des configurations et des propriétés optiques très différentes peuvent être obtenues en fonction des paramètres d'implantation (dose et énergie d'implantation de Si et d'Ag). Nous avons démontré que l'intégrité de la matrice joue un rôle clé sur la synthèse des bicouches via son influence sur les mécanismes de diffusion des espèces implantés et de nucléation des nanocristaux. Un recuit oxydant après la synthèse des NCs-Si permet d'une part de guérir la matrice des défauts induits par l'implantation et de maitriser la distribution en taille des NCs-Si et d'autre part d'obtenir un gonflement de l'oxyde qui nous permet de contrôler les distances entre les NCs-Si et les NCs-Ag ainsi que les phénomènes de mixage ionique. Le contrôle de la synthèse par ULE-IBS des bicouches de nanocristaux de Si et d'Ag peut donc être obtenu en choisissant les conditions d'implantation appropriées pour les deux espèces et en optimisant le recuit oxydant intermédiaire.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Ben Assayag, Gérard
Carrada, Marzia
Ecole doctorale:Sciences de la matière (SdM)
laboratoire/Unité de recherche :Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales (CEMES), UPR 8011
Mots-clés libres :Synthèse ionique - Nanocristaux - Couplage - Bicouches - Photoluminescence - Photovoltaïque
Sujets :Physique
Déposé le :16 Oct 2018 12:48