Verres et vitrocéramiques fluorés dopés terre rare et/ou métal de transition pour la conversion de l'énergie solaire

par Olfa Maalej

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Brigitte Boulard et de Mohamed Dammak.

Soutenue le 10-11-2015

à Le Mans en cotutelle avec l'Université de Sfax (Tunisie) , dans le cadre de École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans) , en partenariat avec Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans) (laboratoire) et de Institut des molécules et des matériaux du Mans / IMMM (laboratoire) .


  • Résumé

    L’efficacité des cellules solaires peut être améliorée en exploitant pleinement la partie UV-bleue du spectre solaire, par un mécanisme de conversion de fréquence de type down-conversion. Ce processus utilisant des transferts d’énergie entre ions de terre rare (TR) ou métal de transition 3d (paires TR3+/Yb3+ avec TR = Pr, Tm,… et Cr3+/Yb3+) requiert des matrices à basse énergie de phonon pour réduire les relaxations non radiatives.Jusqu’à présent, les matériaux étudiés sont principalement sous forme de poudre polycristalline, ce qui limite leur utilisation à cause de la diffusion, ou de monocristaux dont le coût de fabrication est élevé.Dans le cadre de cette thèse, les verres fluorés à base de fluorozirconate ZLAG (ZrF4-LaF3-AlF3-GaF3) et ZBLA (ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3) ont été préparés par la technique de fusion-coulée. Ces derniers sont adaptés du fait de leurs propriétés intrinsèques de transparence et de leur faible énergie de phonon. Les matériaux obtenus ont ensuite été caractérisés par, analyse thermique, diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission et luminescence.Des études par dynamique moléculaire et fluorescence par affinement de raies ont été effectuées sur la matrice ZLAG afin de suivre les modifications structurales lors du passage du verre à la vitrocéramique.La luminescence de l’ion Yb3+ a été observée dans l’infra-rouge à 980 nm sous excitation bleue dans toutes les séries étudiées, signature d’un transfert d’énergie. ans le verre ZLAG, l’efficacité atteint 92% pour le transfert d’énergie Pr3+ → Yb3+ et 65% pour le transfert d’énergie Tm3+ → Yb3+. L’efficacité est plus faible dans le verre ZBLA et la vitrocéramisation du verre ZLAG n’améliore pas les performances.

  • Titre traduit

    Rare-earth and/or transition metal activated fluoride glass and glass-ceramics for solar energy conversion


  • Résumé

    The efficiency of solar cells can be improved by fully exploiting the UV-blue portion of the solar spectrum, through a frequency converting mechanism of type downconversion. This process using energy transfer between rare earth ions (RE) or 3d transition metal (pairs RE3+/Yb3+ with TR = Pr, Tm,… and Cr3+/Yb3+) requires a matrix with low phonon energy to reduce non radiative relaxation.So far, the studied materials are mainly in the form of polycristalline powder, which limits their use due to diffusion or single crystals which manufacturing cost is high.As part of this thesis, fluoride glasses based on fluorozirconate ZLAG (ZrF4-LaF3-AlF3-GaF3) and ZBLA (ZrF4-LaF2-LaF3-AlF3) have been prepared by the melting-casting technique. These are suitable because of their intrinsic properties of transparency and low phonon energy. The resulting materials were then characterized by thermal analysis, X-ray diffraction, transmission electron microscopy and luminescence.Molecular Dynamics simulation and Fluorescence line narrowing of ZLAG matrix have been performed in order to investigate the structural modification during the transformation of the glass into the glass-ceramic.Luminescence of Yb3+ ion was observed in the near IR at 980 nm under blue excitation in all studied series, which is the signature of energy transfer. In the ZLAG glass, the efficiency reaches 92% for Pr3+ → Yb3+ energy transfer and 65% for Tm3+ → Yb3+ energy transfer. The efficiency is lower in the ZBLA glass and the ZLAG ceramisation does not improve the performances.


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