Exploration de divers régimes de fonctionnement de photoluminescence pour applications photovoltaïques

par Nicolas Moron

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Jean-Paul Kleider et de Jose Alvarez.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering , en partenariat avec Génie électrique et électronique de Paris (laboratoire) et de CentraleSupélec (référent) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    La photoluminescence est une technique bien connue dans le domaine du photovoltaïque. Un des ses principaux attraits est qu'il s'agit d'une technique sans contact, qui peut être utilisé à différents stades de fabrication d'une cellule photovoltaïque. Il existe diverses déclinaisons de la technique de photoluminescence. Le GeePs a travaillé sur la technique en régime continu et sur une variante en régime modulé (MPL: Modulated PhotoLuminescence). Dans le cadre du projet H de l'IPVF, dont la responsabilité a été confiée au GeePs, des travaux sont également menés en régime transitoire, et les limites de la technique en régime modulé ont été repoussées : plus haute fréquence de modulation, afin de pouvoir appliquer la technique aux couches minces pour lesquelles les dynamiques sont rapides (durées de vie de quelques dizaines de nanosecondes), utilisation d'un régime 'grand signal' au lieu du régime de petit signal exploré jusqu'ici. Au cours de ce travail de thèse, nous proposons d'explorer ces nouveaux régimes par la modélisation 3D à partir de logiciels de type éléments finis. Ceci permettra d'étudier l'influence de divers paramètres de matériaux (durées de vie, niveaux pièges dans la bande interdite) et d'interface (densité de défauts d'interface, désaccords de bandes dans le cas d'hétérojonctions) sur les différents régimes de photoluminescence : amplitude et déphasage en fonction de la fréquence en MPL, temps de décroissance caractéristiques en régime transitoire. Nous aborderons aussi, tant sur le plan expérimental que théorique, des études sur un nouveau régime de luminescence, encore très peu étudié pour des matériaux en physique du solide: la microscopie de luminescence à deux photons. Il s'agit d'utiliser un mécanisme d'absorption non linéaire pour avoir une meilleure résolution spatiale et effectuer du profilage en z (perpendiculairement aux couches). Le principe est d'effectuer une transition entre bande de valence et bande de conduction en utilisant des photons d'énergie plus petite que le gap. A priori, dans la description classique, le matériau n'est alors pas absorbant. Toutefois, un mécanisme à deux photons peut, par l'addition de l'énergie de chacun d'eux, avoir une énergie plus grande que le gap et conduire à de l'absorption, qui peut ensuite donner lieu à de la photoluminescence lorsque les porteurs créés se recombinent. Ceci se fera en utilisant notre plateforme de microscopie confocale. Le mécanisme étant non linéaire, seule la zone de très forte intensité d'éclairement peu donner lieu à ce mécanisme, ce qui apporte une meilleure résolution spatiale. On peut ensuite envisager le caractère transitoire pour étudier la dynamique des mécanismes de transport ou de piégeage et recombinaison des porteurs.

  • Titre traduit

    Exploration of various photoluminescence techniques for photovoltaic applications


  • Résumé

    Photoluminescence techniques are well-known in the area of photovoltaics. One of its assets is that it is a non-contact technique, which can be used at various steps during the process of fabrication. Various photoluminescence techniques do exist. The GeePs has worked on the technique in continuous mode, and on a variant in modulated mode (MPL: Modulated PhotoLuminescence). In the framework of the H project of IPVF, under the responsibility of GeePs, works have be done in transient mode, and the boundaries of the MPL technique have been pushed further : higher modulation frequency, in order to apply this technique on thin-film cells which have faster dynamics (lifetime of dozens of nanoseconds), use of "large signal" analysis instead of the "small signal" analysis investigated so far. During this thesis, we will investigate those new modes with 3D numeric modelling by the use of finite elements computation software. With this work, we will be able to study the impact of various parameters of materials (lifetime, traps in the bandgap) and interface (density of interface defects, bandgap mismatches in heterojunction case) on the various modes : amplitude and phase shift as a function of frequency for MPL, characteristic decreasing time constant in transient mode. We will also lead, experimentally and theoretically, studies about a new luminescence mode, barely studied to date for materials in solid-state physics : the two-photon luminescence microscopy. It uses a non-linear absorption mechanism so as to have a better spatial resolution and perform a z-profiling (perpendicular to the layers). The working principle is to do a transition between valence band and conduction band by using photons with less energy than the gap. A priori, according to the classical description, the material is not absorbing. However, a two-photon mechanism can, by the addition of their energy, have more energy than the gap and enable the absorption, which can lead to photoluminescence when carriers recombine themselves. This experiment can be done with our confocal microscopy platform. The mechanism being non-linear, only the area with very high illumination intensity can lead to that. So, the spatial resolution is enhanced. Then, we can consider the transient mode in order to study the dynamic of the mechanisms of transport, or the ones of capture and recombination of charge carriers.