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Article

1 - GUIDE D’ONDE

2 - MATÉRIAUX FLUOROPHORES

3 - MATRICES D’INSERTION

4 - GLISSEMENT SPECTRAL POUR LE PHOTOVOLTAÏQUE

5 - AUTRES APPLICATIONS

6 - CONCLUSION

7 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : K741 v1

Glossaire
Guides d’onde luminescents. Du fluorophore à la matrice

Auteur(s) : Charlène CREVANT

Date de publication : 10 avr. 2020

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RÉSUMÉ

Les guides d’onde sont des dispositifs utilisés pour leur propriété de piégeage de lumière. Ils ont été principalement utilisés dans le domaine de l’optique des lasers mais l’intérêt grandissant pour ces objets amène aujourd’hui à une nouvelle application : le solaire. Cet article présente le principe et les mécanismes de pertes mis en jeu dans les guides d’onde. Il présente de manière exhaustive les propriétés physico-chimiques des matériaux fluorophores et des matrices de soutien. Il permet de cerner les limites et de mettre en perspectives les axes de développement dans ce domaine. Enfin , différentes applications faisant appel à cette technologie sont présentées.

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ABSTRACT

Luminescent waveguides. From fluorophore to matrix

Waveguides are used for the property of light trapping and guiding. Optical laser is the mainly application but since last years another application is interested by, solar cells. This article describes the principles and lost mechanisms involved in waveguides.In particular, it exhaustively presents the physico-chemical properties of fluorophore materials and support matrices. It will enable readers to identify the limits and to put in perspective the axes of development in this field. Finally different applications using this technology are presented.

Auteur(s)

  • Charlène CREVANT : Ingénieur Docteur en Chimie et Physique des matériaux (IPVF, EDF, Palaiseau, France)

INTRODUCTION

Le guide d’onde est un dispositif optique couramment utilisé dans la technologie laser. Ses propriétés physiques permettent de guider et concentrer le flux lumineux qui le traverse. Cette capacité à propager la lumière, par exemple au sein d’une fibre laser, repose sur une différence d’indice de réfraction entraînant une réflexion totale interne. Différentes configurations géométriques ont été étudiées : fibre ou plaque. Les paramètres géométriques ont été analysés afin de mettre en exergue leur influence sur les propriétés optiques. Par exemple, on peut facilement voir que les interactions internes au guide d’onde sont différentes si on se trouve dans une configuration macroscopique (épaisseur de l’ordre du centimètre) ou microscopique (épaisseur de l’ordre du micromètre).

L’intérêt pour ces guides d’onde croît de jour en jour dans le domaine du photovoltaïque. À l’heure actuelle, toutes les technologies solaires présentent des lacunes d’absorption sur le spectre solaire. Cette limite physique est intrinsèque aux propriétés des matériaux constituants la cellule solaire. Par exemple, le matériau absorbeur, qui a pour rôle de convertir l’énergie lumineuse en une paire d’électron-trou, est performant sur une gamme lumineuse précise. Couramment ces matériaux absorbent fortement la lumière visible qui représente 46 % de l’énergie totale émise par le Soleil. Le reste de l’énergie se trouve dans l’infrarouge et l’ultraviolet. Ces domaines ne sont pas exploités de manière efficace par les cellules solaires. De nos jours, seules les cellules à hétérojonction permettent d’élargir le champ d’absorption sur le spectre solaire grâce à la combinaison de différents absorbeurs. Les guides d’ondes luminescents sont donc une alternative permettant de pallier ce problème d’absorption de photons dans des domaines non accessibles par les matériaux absorbeurs.

Les guides d’ondes luminescents sont principalement utilisés pour exploiter les photons se trouvant dans le domaine ultraviolet. L’utilisation de matériaux fluorophores permet aux guides d’onde de transférer l’énergie des UV vers la gamme d’absorption de la cellule solaire grâce à l’effet de glissement spectral. De nombreux fluorophores ont cette capacité de transférer une énergie selon différents modes : down shifting, down conversion, up conversion. La conversion par down sifting fait intervenir des mécanismes physiques différents selon le type de matériau. Le choix de la matrice de soutien est également un point important dans l’élaboration d’un guide d’onde.

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KEYWORDS

fluorescence   |   spectral shifting   |   photovoltaic   |   solar cell

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-k741


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7. Glossaire

Boîte quantique ; Quantum dots

Matériau inorganique semi-conducteur permettant d’absorber de l’énergie dans une certaine gamme d’énergie définie par le gap du matériau. Le semi-conducteur peut absorber l’énergie égale ou supérieure à son énergie de gap. Le photon absorbé se désexcitera dans un premier temps pour revenir à la bande de conduction puis en par émission du photon dans un second temps en revenant à la bande de valence

Décalage stokes ; Stokes shift

Déplacement en longueur d’onde ou en fréquence entre la position du pic du spectre d’absorption et du pic de luminescence de la même transition électronique

Enduction centrifuge ; Spin-coating

Technique de dépôt reposant sur le principe de la centrifugation. Cette technique permet d’obtenir des couches minces et uniformes

EQE, Efficacité quantique externe ; Extenal quantum efficiency

Rapport entre le nombre de charges électroniques collectées et le nombre de photons incidents sur une surface photoréactive

Fluorescence ou photoluminescence ; fluorescence or photoluminescence

Émission de lumière par un corps non incandescent. La luminescence résulte de l’interaction entre particules électriquement chargées. La fluorescence résulte d’un retour rapide à l’état initial après excitation lumineuse. Cette rapidité d’émission respecte les règles de sélection de l’émission de photons de la mécanique quantique en gardant la molécule dans un état singulet.

Gap ; gap

Écart entre le bande de valence et la bande de conduction

Glissement spectral ; Downshifting

Mécanisme physique permettant le transfert d’énergie d’un photon de haute énergie vers de plus grandes longueurs d’onde. Ce mécanisme permet d’absorber un photon et d’en réémettre un unique photon de plus faible énergie

Imagerie hyperspectrale ; hyperspectral imaging

Technique récente combinant l’imagerie et la spectroscopie où chaque image est prise pour une bande étroite du spectre électromagnétique

Luminescence ; luminescence

Phénomène d’émission de lumière après excitation lumineuse. On retrouve ici deux types de phénomènes : la fluorescence et la...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MEINARDI (F.) et al -   Large-area luminescent solar concentrators based on « Stokes-shift-engineered » nanocrystals in a mass-polymerized PMMA matrix,  -  Nature Photonics, vol. 8, n° 5, p. 392-399, avr. 2014.

  • (2) - CORREIA (S.F.H.), LIMA (P.P.), ANDRÉ (P.S.), FERREIRA (M.R.S.), CARLOS (L.A.D.) -   High-efficiency luminescent solar concentrators for flexible waveguiding photovoltaics,  -  Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 138, p. 51-57, juill. 2015.

  • (3) - CREVANT (C.) -   Conversion Photonique par glissement spectral pour des cellules CIGS à haut rendement,  -  Université Pierre et Marie Curie-Paris VI (2018).

  • (4) - VAN SARK (W.) -   Will luminescent solar concentrators surpass the 10% device efficiency limit?,  -  SPIE Newsroom, sept. 2014.

  • (5) - LIM (Y.S.), KEE (S.Y.), LO (C. K.) -   Recent Research and Development of Luminescent Solar Concentrators,  -  in Solar Cell Nanotechnology, A. Tiwari, R. Boukherroub, et heshwar Sharon,...

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