Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les matériaux luminescents émettent de la lumière colorée après avoir absorbé de l’énergie d’une source excitatrice. Ce sont des convertisseurs d'énergie dans le domaine des fréquences optiques. On les emploie pour l'éclairage, la visualisation et ils seront utilisés dans les cellules solaires de demain. L’objectif de cet article est d’expliquer les processus physiques impliqués dans le phénomène de luminescence, comment on les étudie et quelles sont les nouvelles propriétés que l’on cherche à exacerber, compte tenu des nouvelles applications envisagées. Une première partie sera consacrée aux processus de base, puis une seconde aux méthodes de synthèse et de caractérisation et la fin de l’article sera consacrée aux applications dans le domaine de l’éclairage et des cellules solaires
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Luminescent materials emit coloured light after they have absorbed the energy of a source of excitation. They are energy converters in the range of the optical frequencies. Their main applications are lighting devices and display screens. They will be used in the future solar cells. The aim of this article is to explain the physical processes involved in the luminescence phenomenon, how they are studied and what are the new properties which need to be exacerbated for the considered new applications. The first part deals with the basic luminescence processes, the second part explains the synthesis and characterisation methods and the last part describes their usefulness for lighting and solar cells
Auteur(s)
-
Bernard MOINE : Directeur de recherche au CNRS - Docteur ès Science physique - Institut Lumière Matière - UMR 5306 du CNRS, Lyon 1, France
INTRODUCTION
En ce qui concerne les applications des luminophores, de nouvelles technologies d'affichage et d'éclairage comme les écrans électroluminescents, les écrans à plasma et les écrans à micropointes, les lampes fluorescentes sans mercure, les diodes électroluminescentes (DEL) ont été, depuis les années 1990, à l'origine de recherches de nouveaux matériaux plus performants que ceux disponibles auparavant sur le marché. Les applications classiques qui utilisent les luminophores peuvent être classées en quatre catégories :
-
les sources de lumière que sont les lampes fluorescentes ou les DEL ;
-
les écrans d'affichage ;
-
les détecteurs de rayons X ;
-
l'ensemble des applications de marquage comme les peintures phosphorescentes, les marquages de timbres ou de billets de banque, etc.
De plus, des recherches se sont développées depuis quelques années pour intégrer des luminophores aux cellules solaires afin d'en accroître le rendement de conversion lumière/courant.
Il ne s'agit pas de dresser dans cet article une liste exhaustive de matériaux luminescents avec leurs caractéristiques (ce qui serait fastidieux) mais plutôt d'expliquer les processus physiques impliqués dans le phénomène de luminescence, comment on les étudie et quelles sont les nouvelles propriétés que l'on cherche à exacerber, compte tenu des nouvelles applications développées. Nous limiterons nos propos aux matériaux inorganiques bien qu'il existe des matériaux organiques fluorescents (fluorophores) principalement utilisés en biochimie et dans le domaine médical. Nous ne parlerons pas non plus des « quantum dots » (nanocristaux de semi-conducteurs) dont les émissions lumineuses trouvent des applications dans des domaines très variés (éclairage, photovoltaïque, biologie). Ils font, depuis une dizaine d'années, l'objet de nombreuses études et nécessiteraient un article à eux seuls. Le but de cet article est de montrer comment sélectionner les matériaux, les ions luminescents et leur comportement en fonction de la source excitatrice utilisée pour une application donnée.
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KEYWORDS
luminescence | energy transfer | lighting | photovoltaics
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La luminescence au service du photovoltaïque (PV)
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5. Choix des matériaux suivant l'énergie d'excitation
Le choix d'un luminophore dépend de la source d'excitation que l'on veut utiliser. Un matériau efficace sous excitation ultraviolette ne l'est pas nécessairement sous une excitation plus énergétique bien que l'on puisse penser, a priori, que plus l'énergie absorbée est élevée et plus on aura d'énergie émise.
5.1 Excitation haute énergie (ultraviolet du vide)
La recherche de luminophores adaptés à une excitation dans l'ultraviolet du vide (VUV) a été motivée à la fois par le développement des écrans d'affichage et de vidéo à plasma ainsi que par la volonté de trouver un moyen de supprimer le mercure (Hg) très polluant dans les lampes à décharge. Un mélange Xe-Ne peut convenir, mais son émission a lieu principalement à 147 et 172 nm. Les photons VUV sont plus absorbés par la matrice que par les ions dopants et le transfert d'énergie de la matrice vers les niveaux excités des ions luminescents n'est pas toujours très efficace. L'absorption de la matrice se fait par création de paires électron-trou qui peuvent soit se recombiner directement en donnant des photons d'énergie UV, soit être piégées par des impuretés du matériau et ce d'autant plus que l'absorption a lieu dans une fine couche superficielle dans laquelle il y a une densité de défauts élevée. De plus, les transferts n'ayant jamais lieu avec un rendement de 100 %, l'efficacité de l'excitation VUV reste plus faible.
Actuellement, on utilise globalement les mêmes matériaux, que l'excitation soit dans l'ultraviolet du vide (VUV) ou dans l'ultraviolet (UV). Cependant, cela pose des problèmes à la fois de rendement lumineux et de longévité. D'où le besoin de développer de nouveaux matériaux luminophores. Pour compenser l'efficacité moindre des photons VUV, on peut augmenter l'intensité d'excitation, mais cela moyennant un coût énergétique non négligeable. D'autre part, si le rayonnement VUV devient trop intense, il peut provoquer une dégradation accélérée du luminophore (vieillissement). Cela peut être préjudiciable à la qualité de l'éclairage si ce vieillissement n'est pas du même ordre de grandeur pour les différents matériaux utilisés dans une même lampe par exemple. On observe alors une dérive plus ou moins rapide de la couleur de la lumière émise. Des études ont montré que les matériaux émettant dans la partie bleue...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SHIONOYA (S.), YEN (W.M.) - Phosphor handbook. - CRS Press LLC ed. (1999).
-
(2) - VALEUR (B.) - La couleur dans tous ses éclats. - Belin : Pour la science (2011).
-
(3) - BERTHIER (S.) - Iridescences : les couleurs physiques des insectes. - Springer (2003).
-
(4) - TANABE (Y.), SUGANO (S.) - * - J. Phys. Soc. Jpn., 9(5), p. 753 (1954) ; ibid 766 ; J. Phys. Soc. Jpn., 11(8), p. 864 (1954).
-
(5) - DIEKE (G.H.) - Spectra and energy levels of rare-earth ions in crystals. - Interscience Publishers, 401 p. (1968).
-
(6) - BLASSE (G.), GRABMAIER (B.C.) - Luminescent materials. - Springer-Verlag, 232 p. (1994).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Association française de l'éclairage http://www.afe-eclairage.com.fr
Système d'information géographique photovoltaïque – carte interactive https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/fr/IP_07_447 (consulté le 28 avril 2014)
Cellule photovoltaïque http://fr.wikipedia.org/wiki/Photoélectricité (consulté le 28 avril 2014)
Portail Solaire : annuaire de l'énergie solaire en France http://www.portail-solaire.com
HAUT DE PAGE2.1 Quelques laboratoires ou centres de recherche (liste non exhaustive)
Institut national de l'énergie solaire http://www.ines-solaire.org
Institut de recherche et développement sur l'énergie photovoltaïque (IRDEP) http://www.irdep.cnrs-bellevue.fr
Laboratoire de physique des interfaces et couches minces http://www.lpicm.polytechnique.fr
Institut d'électronique du solide et des systèmes http://www.iness.c-strasbourg.fr...
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