WO2018100205A1 - Composant optoéléctronique à absorption améliorée - Google Patents

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WO2018100205A1
WO2018100205A1 PCT/EP2017/081372 EP2017081372W WO2018100205A1 WO 2018100205 A1 WO2018100205 A1 WO 2018100205A1 EP 2017081372 W EP2017081372 W EP 2017081372W WO 2018100205 A1 WO2018100205 A1 WO 2018100205A1
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WO
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nano
layers
optoelectronic
spectral band
cavities
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Application number
PCT/EP2017/081372
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Nicolas VANDAMME
Stéphane COLLIN
Jean-François GUILLEMOLES
Andrea Cattoni
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Centre National De La Recherche Scientifique
Institut Photovoltaique D'ile De France (Ipvf)
Edf
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Definitions

  • the present disclosure relates to an optoelectronic component with improved absorption and a method of manufacturing such an optoelectronic component.
  • the present disclosure relates in particular to a photovoltaic component with a single junction.
  • the photon / electron conversion efficiency of the single-junction solar cells is limited mainly by the spectral losses due to the mismatch between the energy of the incident photons and that of the gap (or forbidden band) of the absorbing material. If the energy of the incident photon is less than that of the gap, the photon is not absorbed; for photons of energy higher than that of the gap (or photons of low wavelengths), a large part of the energy is lost by thermalization. It is thus possible to determine for a given single junction solar cell a theoretical limit of the yield; this theoretical limit is known as the Shockley-Queisser limit.
  • FIG. 1A thus illustrates the maximum theoretical conversion efficiency of a single junction solar cell as a function of the gap energy of the absorbent material, at 300 K under standard illumination without concentration of the incident light (curve 10). It is calculated in the ideal case where the radiative recombinations are the only mechanisms of recombination of electron pairs photo-generated holes in the junction. Curve 10 results from the consideration of the exchanges of energy between the sun and the solar cell, considered as black bodies, radiative recombinations and spectral losses. The curve 10 shows a variation of the maximum conversion efficiency as a function of the gap value of the material.
  • the solar cell does not make it possible to convert in energy the energy difference between the energy brought by the absorbed photon and the energy of the gap of the material , the surplus is lost in the form of heat by thermalization.
  • the choice of the absorbing material also involves a limitation of the potential difference at which the charges can be extracted, ie the maximum voltage across the cell. The value of the latter is limited by the fact that its product with the elementary charge (qx V) can not exceed the gap of the material, the recombinations contributing to its limitation.
  • the main effect sought is to increase the conversion efficiency through an increase in the solar cell current.
  • the transfer of a certain number of incident photons of a spectral range for which the spectral response (or EQE according to the English expression "External Quantum Efficiency ") of the cell is zero to another spectral range for which the spectral response is close to 1 causes indeed an increase in the number of photo-generated charges in the photovoltaic cell.
  • these spectral management solutions offer maximum conversion efficiency prospects of 40% for down-conversion and 48% for up-conversion.
  • Up-conversion and down-conversion processes are non-linear processes that involve multiple photons. The efficiency of these processes increases strongly with the intensity of the electromagnetic field around the optically active centers for photo-conversion.
  • FIG. 1B reproduces the diagram of a photovoltaic device as suggested by J. C Goldschmidt et al.
  • the photovoltaic device further comprises the solar cell 11 a back layer 12 doped with an active material for up conversion.
  • a photonic structure 13 is provided on the rear face of the active layer 12 to increase the efficiency of upconversion.
  • the portion L 2 of the solar flux Li which is not absorbed by the solar cell 11 is converted at least partially into a luminous flux L 3 at a wavelength less than the absorption wavelength of the solar cell then returned to the solar cell to be used.
  • the present description is based on the work of the prior art and proposes an improved architecture of rear-end optical trapping for an optoelectronic component and more specifically a photovoltaic component, which makes it possible to significantly increase the conversion efficiency by implementing at the same time least one of the spectral conversion mechanisms.
  • the present description has the object, in a first aspect, of an optoelectronic component having a front face, and comprising: a set of layers in contact, including at least one optoelectronic conversion layer formed of a given gap-absorbing material;
  • At least first and second electrical contacts adapted to the collection or injection of charges into the optoelectronic conversion layer; and a reflective layer with a first face forming a rear face of the component, opposite to the front face; and wherein:
  • the reflective layer has a second face in contact with said set of layers, nano-structured to a thickness of less than one micron to form a set of reflective islands and nano-cavities between the reflective islands, the maximum dimension of a nano- cavity or a reflecting island and the maximum distance between two nano-cavities or two reflective islands being less than one micron;
  • said nano-cavities are filled with a dielectric material doped with at least a first optically active compound adapted for at least a first photoconversion of a first spectral band (or absorption spectral band) towards a second spectral band (or band emission spectral), the second spectral band being at least partially within the absorption spectral band of the optoelectronic conversion layer.
  • the "gap" (or band gap) of a given gap absorbing material is the difference in energy between the valence band and the conduction band of the material. At a given gap corresponds a cut-off wavelength beyond which photons are no longer absorbed.
  • an absorption spectral band comprising all the wavelengths less than or equal to the cut-off wavelength, or in energy, the set of higher photon energies. or equal to the gap.
  • a useful spectral band included in the absorption spectral band and defined, in energy, by all the photon energies for which the absorption through the set of layers, in single passage and at normal incidence, is less than or equal to 90%.
  • the optoelectronic conversion layer comprises a semiconductor material.
  • the semiconductor material is a direct gap, chosen for example from a family from the CIGS family, the CdTe family, the III-V family of semiconductors.
  • the optoelectronic conversion layer comprises at least one of the materials selected from the group comprising: perovskites, organic semiconductors, photosensitive polymers, amorphous absorbent materials.
  • At least a portion of the layers of the set of layers form a single junction.
  • simple junction we mean a junction that is not a multiple junction. This is for example a p-n or p-i-n junction, for example a homojunction or a heterojunction, or a Schottky junction.
  • the simple junction contributes with the first and second electrical contacts to the collection or the injection of charges.
  • the set of layers forms a passivated optoelectronic conversion layer, so that the function of separation of charges is ensured by the only electrical contacts.
  • the doped dielectric material comprises at least a first optically active compound allowing a photo-conversion called "up-conversion" of a first spectral band having a first central frequency towards a second spectral band having a second center frequency greater than that of the first center frequency.
  • the doped dielectric material comprises at least one first optically active compound allowing a type of photo-conversion. "Down-conversion" or “down-shifting", of a first spectral band having a first central frequency to a second spectral band having a second central frequency lower than that of the first central frequency.
  • the doped dielectric material comprises at least a first optically active compound and a second optically active compound making it possible to combine different photo-conversion mechanisms (up-conversion, down-conversion and / or down-shifting) .
  • said set of layers is ultrafine, which makes it possible to promote the resonances in the optoelectronic conversion layer by virtue of internal total reflection mechanisms, to reduce the quantity of material forming the optoelectronic conversion layer and to to limit the number of defects in the set of layers.
  • a set of ultrafine layers is particularly advantageous in the case of implementation of a low-energy photo-conversion mechanism (so-called “down-shifting” or “down-conversion” mechanisms), because only unabsorbed photons by said plurality of layers are capable of interacting with the active compound of the doped dielectric material.
  • the thickness of the ultrafine layer assembly may advantageously be less than a few hundred nanometers, for example less than 500 nm, advantageously less than 300 nm.
  • the optoelectronic component can be, according to one or more exemplary embodiments, a photovoltaic component, in which case:
  • the front face is a receiving face of an incident solar flux
  • the absorption spectral band is included in the solar spectrum; for example, the gap of the absorbent material is between 0.5 and 2.5 eV;
  • the optoelectronic component may be, according to one or more exemplary embodiments, a detector adapted to detection in one or more detection spectral bands, the detection spectral band or bands that may cover, in whole or in part, or not cover the band spectral absorption of the material constituting the optoelectronic conversion layer.
  • said optically active compound of the doped dielectric material is adapted to perform a photo-conversion from the detection spectral bands of the detector to the absorption spectral band of the absorbing material, advantageously at wavelengths less than and close to the cutoff wavelength of the material forming the optoelectronic conversion layer.
  • the front face is a receiving face of an incident light flux and, in operation, the light flux incident on the reception face of the detector is converted into an electric current between the first and second electrical contacts.
  • the optoelectronic component may be, according to one or more exemplary embodiments, a light emitting diode or a laser diode.
  • the first and second electrical contacts are adapted to charge injection and in operation, an electric current applied between the first and second electrical contacts is converted into a light flux emitted by the front face of the light emitting diode.
  • the front face is thus an emission face of the light emitting diode.
  • optically active compound or compounds of the doped dielectric material are chosen as a function of the application, in particular of the spectral absorption band of the optoelectronic conversion layer and more specifically of the useful spectral band of the component.
  • An optically active component is characterized in particular by its absorption spectral band and its emission spectral band. It is suitable for photo-conversion of a first spectral band (i.e. its absorption spectral band) to a second spectral band (i.e. the emission spectral band), advantageously at least partially in the useful spectral band.
  • At least one optically active compound is chosen from a dye, for example a phosphorus or a fluorophore, which contains, for example, semiconductor nanoparticles (CdSe, PbS, PbSe, etc.), elements of the family of Lanthanides (Nd, Eu, Er, Yb %), elements of the family of organic fluorophores (Lumogen, Eosin, Fluorescein, %), or elements of the organometallic family (Ru complexes ( III), ).
  • the second nano-structured face of the rear mirror comprises reflective islands (or pads) of maximum dimensions sub-micron, arranged periodically or pseudoperiodically in two dimensions, the nano-cavities being formed between the reflective islands, or the second nano-structured face comprises nano-cavities of maximum dimensions below one micron, arranged periodically or pseudoperiodically according to two dimensions, the reflective islands being formed between the nano-cavities.
  • the second nano-structured face comprises reflective islands arranged aperiodically in two dimensions, the nano cavities being formed between the reflecting islands, or nano-cavities arranged aperiodically in two dimensions, the islands reflective materials being formed between the nano-cavities.
  • nanoperiodic it is understood that the nano structures are slightly offset from their positions in a periodic arrangement, the distances between the nano structures being on average those of a periodic network.
  • Periodic (or pseudoperiodic) nano-structuring of the second face of the reflective layer makes it possible in particular to optimize guided mode resonances in the set of layers.
  • An aperiodic nano-structuring makes it possible to favor diffusion by nano structures.
  • the period is chosen to be identical in each of the directions, which has the effect of limiting the dependence of the optical response as a function of the polarization.
  • a smaller period will have the effect of preventing diffraction in free space over a larger spectral band, while a larger period will favor a greater number of resonances in the useful spectral band.
  • the period is chosen to be lower than a lower limit of the useful spectral band (in wavelength); advantageously, it is chosen as close as possible to this lower bound.
  • the period can be chosen lower, or even well below the micron. This will prevent free-space diffraction losses at wavelengths greater than the grating period, and for normal incident flux, while allowing coupling resonances to guided modes in the set of layers.
  • the reflective islands or the nano-cavities are substantially rectangular parallelepiped shape. According to one or more embodiments, the reflective islands or nano-cavities have a substantially square section. In this case, when the reflective islands, or nano-cavities, are arranged periodically in two dimensions, with an identical period in each direction, the nano-structuration is perfectly symmetrical in two orthogonal axes of the plane which allows an independence of the optical response with respect to the polarization of light. This arrangement is advantageous in the case of a photovoltaic component absorbing natural sunlight, which is not polarized.
  • the reflective islands or nano-cavities have a shape substantially in "L", or more generally any form allowing to have a single axis of symmetry.
  • This configuration makes it possible to have multiple dimensioning parameters for the reflective islands or nano-cavities and consequently makes it possible to define resonant coupling mechanisms at multiple wavelengths. This configuration thus makes it possible to optimize the component over a larger spectral band.
  • the maximum dimensions of reflective islands or nano-cavities are between half of the period, and two thirds of the period, corresponding to a ratio of between 0.5 and 0.66. This ratio makes it possible to optimize the diffraction effect of the grating in the set of layers, and thus the formation and excitation of resonances by coupling to guided modes in the set of layers.
  • the maximum size of the islets or nano-cavities is less than one micron.
  • the dimensions of the nano-cavities are less than or equal to ⁇ ⁇ / (2 ⁇ , ⁇ ) and / or less than or equal to XJ (2rid), where 3 ⁇ 4 is the refractive index of the material dielectric, and ⁇ ⁇ (respectively ⁇ ) is the largest wavelength of absorption (or emission) of the optically active compound.
  • This dimensioning makes it possible to create one or more resonant mechanisms in the reflecting island or the nano-cavity in order to reinforce the effect of the photon-converting active material.
  • the thickness of the nanostructuring is determined according to its dimensions. laterally to promote one or more resonances at photoconversion wavelengths, and to optimize coupling with guided modes at "useful" wavelengths.
  • the thickness of the nano structuration can be understood according to one or more embodiments between ⁇ ⁇ / (4 3 ⁇ 4) and ⁇ ⁇ / (2 3 ⁇ 4), and / or between ⁇ " / (4 3 ⁇ 4) and ⁇ e / (2 3 ⁇ 4) where 3 ⁇ 4 is the refractive index of the dielectric material, and ⁇ ⁇ (respectively ⁇ ") is the largest absorption (emission) wavelength of the optically active compound.
  • the reflective islands are arranged aperiodically.
  • the applicants have shown that the maximum dimensions of the nanostructures, islands or nano-cavities, may advantageously be chosen to be less than X lr ⁇ , where u is the lower limit of the useful band, measured in wavelength and is the average index of the stack of layers.
  • the thickness hg of the nanostructures will be chosen of dimension similar to the size of the nanostructures, and in all cases less than one micron.
  • the reflective layer is metallic, formed for example of one or more metallic materials, for example silver, gold, aluminum or copper.
  • the reflective layer is made of a dielectric material, formed of a dielectric material having a high index variation with the layer of the layer assembly with which it is in contact, for example a dielectric material of type TiO 2, SiC.
  • the dielectric structured reflective layer may also be of the photonic crystal type.
  • the reflecting layer comprises a combination of at least one dielectric material and a metallic material.
  • the reflective islands are metallic and the first face forming the rear face of the reflective layer comprises a set of alternating metal / dielectric layers, for example a thin metal layer of thickness greater than or equal to the skin thickness of the metal. deposited on a dielectric material.
  • the present description provides a method of manufacturing an optoelectronic component according to the first aspect comprising: depositing the set of layers on an initial substrate; depositing the doped dielectric material in the form of a nano-structured layer at the location of the desired nano-cavities for the final optoelectronic component; depositing a reflective layer; removing the initial substrate to disengage the front face and depositing one or more contacts in contact with the set of layers to form the front electrical contacts.
  • the method further comprises the deposition of one or more electrical contacts on the set of layers before the deposition of the dielectric material to form the rear electrical contacts.
  • FIG. 1A (already described), a curve representing the maximum conversion efficiency as a function of the gap of the material forming the optoelectronic conversion layer (case of a semiconductor material);
  • FIG. 1B (already described), an example of a photovoltaic component according to the prior art
  • FIGS. 2A and 2B illustrate curves showing the absorption in a set of layers, as a function of the photon energy, for several values of the thickness of the set of layers, respectively in the case where the optoelectronic conversion layer is formed in GaAs (FIG 2A) and in the case where the optoelectronic conversion layer is formed in CIGS (FIG 2B);
  • FIGS. 3A-3C diagrams showing different elements of an example of an optoelectronic component according to the present description
  • FIGS. 4A to 4F diagrams illustrating different examples of rear mirrors of an optoelectronic component according to the present description
  • FIGS. 5A and 5B numerical curves illustrating the calculated absorption in different regions of the component respectively in an example of optoelectronic component according to the present description with optically active compounds suitable for up-conversion (FIG 5A) and with active compounds adapted for down conversion (FIG 5B);
  • FIGS. 6A and 6B diagrams illustrating a photovoltaic component type optoelectronic component and an LED type optoelectronic component according to the present description
  • FIGS. 7A to 7E diagrams illustrating steps of an exemplary method of manufacturing an optoelectronic component according to the present description.
  • the absorption spectral band is defined as the set of wavelengths less than or equal to the cut-off wavelength, or, in energy, the set photon energies greater than or equal to the gap.
  • the useful spectral band measured in energy corresponds to a useful spectral band measured in wavelength, the lower band of which is denoted u and the upper band corresponds to the cut-off wavelength g .
  • FIGS. 2A and 2B thus illustrate curves showing the absorption in a set of layers, as a function of the photon energy, for several values of the thickness of the set of layers, respectively in the case where the optoelectronic conversion layer is formed of GaAs (FIG 2A) and in the case where the optoelectronic conversion layer is formed into CIGS (FIG 2B). Note that the curves illustrated in FIGS. 2A and 2B were calculated for thickness values of the optoelectronic conversion layer, assuming that the other layers of the layer set were negligible both in terms of thickness and absorption.
  • the set of layers comprises other layers whose thickness or absorption is not negligible compared to the thickness or the absorption of the optoelectronic conversion layer, it may be taken into account for the determination of the thickness which renders the set of layers "ultrafine” and measures the single pass absorption of the assembly, as described above.
  • the single-pass absorption curves (ASP) for a layer are calculated according to the equation:
  • a (E) is the absorption coefficient as a function of the energy of the incident photons of the material forming the layer, that is to say GaAs (FIG 2A) and CIGS (FIG 2B), and d is the thickness of the optoelectronic conversion layer.
  • FIGS. 3A-3C show various elements of an exemplary optoelectronic component 30 according to the present description. More specifically, FIG. 3A represents an example of a reflective layer with its nanostructured face, without the doped dielectric material; FIG. 3B shows an example of a "rear mirror" 32 comprising the reflective layer with its nanostructured face and the doped dielectric material in the nano-cavities. FIG. 3C illustrates an example of a component comprising in addition to the rear mirror, the set of layers 31 in contact with the nano-structured face of the rear mirror. Note that in these figures, the electrical contacts are not shown.
  • the reflective layer comprises a first face 320, continuous, intended to form the rear face of the optoelectronic component.
  • the reflective layer comprises a second nano-structured side to a thickness h g submicron and forming in the example of FIG. 3A a set of reflective islands 323 and nano-cavities 322 between the reflective islands.
  • the reflective islands are of parallelepiped shape, of dimensions w x and w y according to each of the dimensions, and are arranged periodically, respectively with a period p x and a period p y according to each of the dimensions.
  • the maximum dimension of a reflective island and the maximum distance between two reflective islands is less than one micron. As illustrated in FIG.
  • the nano-cavities 322 are filled with a dielectric material doped with at least a first optically active compound adapted for at least a first photo-conversion of a first spectral band of the incident light flux towards a second spectral band.
  • the entire reflective face 320 and nano-cavities 322 filled with the doped dielectric material form the rear mirror 32.
  • the nano-structured face of the rear mirror is in contact with the set of layers 31 comprising in this example an optoelectronic conversion layer 310, and on either side of the optoelectronic conversion layer 310 of the layers or sets of layers 309 and 311 adapted for example to form with the optoelectronic conversion layer 310 a pin junction.
  • An antireflection layer 308 may be deposited on all the layers 311 + 310 + 309 forming the p-i-n junction.
  • the optoelectronic component may comprise other layers. It is for example possible to introduce doped contact layers on each side of the junction to facilitate the extraction of charges outside the optoelectronic conversion layer. It is also conceivable to introduce layers behaving as barriers (which may themselves comprise distinct layers whose doping may vary) for a type of charge to avoid non-radiative recombinations on contacts not shown on FIG. 3C.
  • the optoelectronic conversion layer 310 has an absorption spectral band defined as the set of wavelengths less than or equal to the cut-off wavelength.
  • the spectral emission band of the optically active compound is at least partially within the spectral absorption band of the optoelectronic conversion layer, advantageously in the useful spectral band.
  • the nano-cavities and reflective nano-structures are dimensioned to simultaneously allow (i) optical trap mechanisms in the layer set on the absorption band of the optoelectronic conversion layer. , and more precisely on the useful spectral band and (ii) mechanisms of optical trapping within the nano-cavities which constitute the seat of the photo-conversion mechanism.
  • the coupling between the incident light or photo-converted light and the optoelectronic conversion layer is thus improved, leading to an increase in the efficiency of the optoelectronic component.
  • the structure behaves in the same way according to whether it is desired to absorb light, partially photo-converted, in the optoelectronic conversion layer (operation in a photovoltaic cell or in a detector) or that it is desired to emit light in the optoelectronic conversion layer, and then return it to free space after part of this light has been photo-converted (LED operation).
  • LED operation The operation of the optoelectronic component in these various examples will be described in the following description, with reference to FIGS. 6A and 6B.
  • the design of the photovoltaic component comprises the choice of an absorbing material for the optoelectronic conversion layer 310 of the set of layers 31, the thickness of the set of layers, the choice of at least one optically active compound capable of at least one photoconversion and sizing of the nano-structuring of the rear mirror 32.
  • the absorbent material for the optoelectronic conversion layer is generally chosen depending on the intended application.
  • the absorbent material is primarily selected for its reliability and control of manufacturing processes. III-V materials are considered the most effective for this type of application, and those whose manufacturing techniques are best controlled. The choice of material is made easier in an optoelectronic component according to the present description because, thanks to the spectral conversion mechanisms, it is possible to overcome the overlap stress between the absorption spectral band and the wavelength (s). of interest that make up the signal that one wishes to detect.
  • the optoelectronic component for the LED application, it is also possible thanks to the optoelectronic component according to the present description to decorrelate the gap of the absorbing material from the emission wavelength of the device.
  • the material of the optoelectronic conversion layer responsible for the emission of light may be selected for its cost, ease of manufacture or operation.
  • the photo conversion may be chosen to partially modify the emission spectrum.
  • the original architecture of the optoelectronic component according to the present description allows the phenomena of resonant absorption of the light simultaneously in the optoelectronic conversion layer and at the same time. photo-converters, at different wavelengths.
  • the set of layers is ultrafm as described below.
  • the ultrafm character of the set of layers has the advantage of forming a cavity in which the photons can make several round trips without being absorbed and thus contribute to the creation of more intense electromagnetic field interference phenomena in the structure.
  • the propagation of the waves reaching the nanostructured mirror or reflected on the latter is limited and interference much less marked.
  • the ultrafm character allows some of the photons with high energy to reach the nanostructured mirror.
  • “ultrafine” is meant in the present description a set of sufficiently thin layers for the spectral band useful in photon energy to be between the gap energy (Eg) and 1.3 times the gap energy ( 1.3 Eg).
  • the thickness of the set of layers can be compared to the thickness of the optoelectronic conversion layer, it is observed that for a thickness of ⁇ of GaAs (curve 21) or CIGS (curve 25), the useful spectral range is between Eg (1.42eV) and 1.23 * Eg (1.75eV) for GaAs, respectively Eg (1.16eV) and 1.15 * Eg (1.33 eV) for the CIGS, which does not correspond to the ultrafine layer criterion.
  • the useful spectral ranges obtained for thicknesses of 200 nm (curve 22), 100 nm (curve 23) and 50 nm (curve 24) for GaAs are respectively 1.77 * Eg (2.5 leV), 1.95 * Eg (2.77eV) and 2.03 * Eg (2.88eV), which is in line with the definition of ultrafine layers.
  • the terminals of the useful spectral ranges obtained for thicknesses of 300 nm (curve 26), 200 nm (curve 27) and 100 nm (curve 28) are 1.66 * Eg (1.92eV), 2 * Eg (2.32eV) and 2.43 respectively. * Eg (2.88eV), which is consistent with the definition of ultrafine layers.
  • the ultrafine character also has an economic interest.
  • the reduction in the quantities of material allows significant gains in terms of raw material costs, and particularly the growth time or deposition of the semiconductor layers in the case of using semiconductor materials, which contributes to reducing the cost price of a device.
  • the ultrafine character has interests for both the operation of a solar cell, a detector or a light emitting diode.
  • the reduction in the volumes of material makes it possible to reduce the number of defects in the material and thus to limit the rate of non-radiative recombinations (electronic losses) in the device.
  • the limitation of the losses to the radiative phenomena also makes it possible to approach the ideal conditions of operation, and to take advantage of the effects of recycling of photons in the structure. For example, in the case of a photovoltaic cell, this results in an increase in the voltage across the cell.
  • the "fineness" of the set of layers is determined by the thickness of the optoelectronic conversion layer, the other possible layers of the absorbing layer set being little or very little.
  • the applicants have shown that in practice, with a thickness of the optoelectronic conversion layer generally less than 700 nm in the case of using a type III-V material (GaAs, InP, etc.), corresponding to a set of layers of thickness generally less than 800 nm, or with a thickness of the optoelectronic conversion layer generally less than 500 nm in the case of a chalcongnide-type material (CIGS, 7), corresponding to a set of layers with a thickness of less than 600 nm, the criterion ultrafm was met.
  • a thickness of the optoelectronic conversion layer generally less than 700 nm in the case of using a type III-V material (GaAs, InP, etc.)
  • a thickness of the optoelectronic conversion layer generally less than 500 nm in the case of a chalcongnide-type material (CIGS, 7)
  • the doped dielectric material that fills the nano-cavities as shown in FIG. 3B contains the optically active compound (s) necessary to achieve at least one photo-conversion to a spectral band at least partially covering the absorption spectral band, and more precisely the useful spectral band.
  • Photoconversion causes an increase in the quantum efficiency of the device at the reissue wavelength of the material in the absorption spectral band.
  • the photo-conversion mechanism is substantially improved by increasing the light intensity due to constructive interferences in the nano-cavities at the wavelengths of interest for photo-conversion.
  • a doped dielectric material It is possible to choose for a doped dielectric material several optically active compounds responsible for at least one photo-conversion each to increase the overall efficiency of the device.
  • the system then uses intermediate photo-converters that convert a portion of the photons arriving on the rear mirror so that they are better absorbed by another photo-converter which converts them in turn into photons whose energy is in the useful spectral band of the optoelectronic component. It is also conceivable to combine an up-conversion mechanism with a down-conversion mechanism, these mechanisms each potentially benefiting from optical resonance at a distinct operating wavelength.
  • optically active components which can be used in an optoelectronic component according to the present description comprise rare earths such as elements of the Lanthanide family (Er, Eu, Yb, Nd, etc.), whose transitions The electronic electron levels of the electron layer f are responsible for efficient luminescence phenomena, semiconductor particles, or luminescent molecules such as green fluorescent protein (GFP).
  • rare earths such as elements of the Lanthanide family (Er, Eu, Yb, Nd, etc.
  • the electronic electron levels of the electron layer f are responsible for efficient luminescence phenomena, semiconductor particles, or luminescent molecules such as green fluorescent protein (GFP).
  • GFP green fluorescent protein
  • a set of optically active compounds making it possible to reduce photons of too low energy towards photons of higher energies, if possible close to the gap of the material.
  • Er (Erbium) ions to convert photons of wavelength close to 2.7 ⁇ , 1.5 ⁇ , 980 nm, 805 nm to wavelengths close to 805 nm, 670 nm, 550 nm, 530 nm, and 410 nm, the latter generally being within the desired absorption spectral band.
  • Er / Yb (Erbium / Ytterbium) co-doping can be carried out, the Yb ions being able to serve as a sensitizer by absorbing photons at 978 nm or 1064 nm and then transferring the photo-generated electrons to the high energy levels of the Er ions. .
  • De-excitation of electrons from a high-energy electronic layer to a low-energy electronic layer of Er leads to the emission of photons around 670 nm, 550 nm and 530 nm. These wavelengths are generally those in which the spectral response of the cells (EQE) is the best.
  • Eu (Europium) ions with a high absorption between 300 and 350 nm and a re-emission around 610 nm could be used in a similar manner.
  • the detector application it will be possible for example to choose to convert the photons of a signal consisting of different wavelengths (emission spectrum of a molecule) towards the spectral absorption band of a material chosen from those which are the easiest to manufacture, potentially freeing from noise on the signal due to parasitic absorption from other wavelength ranges (which could occur in a small gap material for applications infrared).
  • phosphors used as optically active compounds may, for example, be able to re-emit photons emitted at a very short wavelength into the optoelectronic conversion layer towards the visible.
  • Interference and resonance mechanisms that allow light intensity maxima to be placed near the optoelectronic conversion layer depend on the geometry of the nanostructured mirror, mainly the distance between the nanostructures, their size and their arrangement.
  • the mirror will be dimensioned to use, in particular, the coupling to diffraction-guided modes in the case of a periodic mirror, or the diffusion properties of the nanostructures and the total internal reflection of the light scattered at large angles in the case of a mirror.
  • a mirror consisting of an aperiodic arrangement of nanostructures.
  • Nano-structures arranged periodically or pseudoperiodically In the case of periodic or pseudoperiodic nanostructures, the islets or nano-cavities diffract the transmitted light after a simple passage in clearly defined directions (diffraction phenomenon by a network).
  • the diffracted photons are totally reflected on the front face of the set of layers by total internal reflection, they are thus trapped and guided in the layer.
  • a phenomenon of total absorption of the incident light can be obtained by optimizing the geometry and size of the nano-structures using an exact electromagnetic calculation based for example on a FDTD or RCWA method (see S. Collin, " Nanostructure arrays in free-space: optical properties and applications ", Reports on Progress in Physics, 77, 126402, 2014). This optimization makes it possible to finely adjust the diffraction efficiency of the periodic structure, in other words the coupling between the incident wave and the guided modes in the set of layers.
  • the reflection of the diffracted waves on the front face is not necessarily total, but it also makes it possible to lengthen the optical path and therefore the absorption of the light. light in the optoelectronic conversion layer.
  • the period below a lower limit u of the useful spectral band (in wavelength) is advantageously chosen, advantageously as close as possible to this lower bound, which has the effect of preventing diffraction losses in the free space for wavelengths greater than the period of the grating, and for a normal incidence flux, while allowing the resonances by coupling to guided modes in the set of layers.
  • the applicants have thus shown that the distances between the nano structures that lead to the best performance are less than one micron, typically between 400 and 800 nm in the case where the absorber is GaAs, typically between 500 and 900 nm in the case where the absorber is a chalcogenide (CIGS) and typically between 600 and 1000 nm in the case where the absorber is Si.
  • the absorber is GaAs
  • the absorber is a chalcogenide (CIGS)
  • CIGS chalcogenide
  • the applicants have shown that the maximum dimensions of reflective islands or nano-cavities can be between half of the period, and two thirds of the period, corresponding to a ratio between 0.5 and 0.66. This ratio makes it possible to optimize the diffraction effect of the grating in the set of layers, and thus the formation and excitation of resonances by coupling to guided modes in the set of layers.
  • FIGS. 4A, 4B, 4C, 4D, 4E Examples of periodic structures are given in FIGS. 4A, 4B, 4C, 4D, 4E.
  • FIG. 4A shows an array of substantially square nano-structures 423 arranged periodically in two orthogonal dimensions in the horizontal plane.
  • the nano-structures 423 form the nano-structured face of the reflective layer 420 intended to form the rear face of the solar cells.
  • the periods px and py are substantially the same following the two dimensions and the nano structures have a width wx and a length wy equal to half a period.
  • the nano-cavities formed between these nano structures are filled with the optically active material 422 over their entire height hg.
  • FIG. 4A can be considered as representing a particular case of structure as described in FIG. 3C.
  • FIG. 4B represents the particular case of a nanogrid constituted by the reflective material in which nano-cavities 424 of substantially square section have been periodically disposed in two orthogonal dimensions in the horizontal plane. These nano-cavities are filled with the optically active material over the entire height hg of the nanogrid in contact with the reflective layer 420. It can be said that FIG. 4B is a nano-structuring scheme complementary to that of FIG. 4A.
  • Nano structures 423 are not necessarily square, as shown in FIGS. 4C and 4E.
  • FIG. 4E describes, for example, the case of rectangular parallelepiped nano structures 423 arranged in a periodic network in two orthogonal dimensions of the horizontal plane. The periods px and py and the filling factors wx and wy are distinct along the two directions x and y.
  • FIG. 4D describes a situation where nano structures are Pyramids 426.
  • the pyramids are triangular, the periods px and py forming two sides of the base and hg their height.
  • the spaces between the nano-pyramids and a possible upper layer form nano-cavities which are filled with the active material 427.
  • the nano structures are symmetrical with an axis of symmetry corresponding to the diagonal of the pattern (plane at 45 ° between the two axes x and y).
  • the symmetrical nano structures along two perpendicular axes will behave in the same way according to the polarization of the incident light. This independence can be sought for photovoltaic applications since the solar light flux is not polarized. In this case, the symmetrical structures are more likely to absorb a maximum of energy in the two directions of polarization.
  • Pseudoperiodic structures consist of shifting nano structures by a few nanometers or even a few tens of nanometers with respect to the exact position they occupy in a perfectly periodic network. The distance between the nano structures is then on average that of the perfectly periodic network, the offset being able to vary around zero according to a symmetric probability law, for example a Gaussian probability law, for example with a standard deviation of the order of magnitude. ten nanometers or tens of nanometers.
  • This structure has the advantage of preserving the properties proper to the periodic structures while introducing a periodicity break allowing the coupling of the light in antisymmetric modes or modes other than guided modes.
  • FIG. 4F An example of a pseudoperiodic structure is presented in FIG. 4F.
  • FIG. 4F has nano-structures 423 of circular horizontal section separated by a matrix of active material 422 and arranged on the reflective layer 420 so that the average distances between the centers of the nanostructures correspond to px and py periods. following two orthogonal directions of the horizontal plane.
  • Each nanostructure is in fact simply shifted from a vector dx and dy with respect to the position it should have in a perfectly periodic network drawn in dashed lines. This type of structure may allow an increase in the absorption of certain resonances within the final device.
  • the thickness h g of the nano structures also plays a role in the diffraction efficiency of the network. If h g is too weak, the intensity carried by the waves reflected by the nanostructured mirror will be low and the interference pattern will have low intensity resonances. The distribution of the field electromagnetic response in the structure is not optimized. Conversely, a high thickness h g can increase the electromagnetic losses by absorption in the reflective layer, especially when the latter is made of metal.
  • the thickness of the nano structuration can be understood according to one or more embodiments between ⁇ ⁇ / (4 3 ⁇ 4) and ⁇ ⁇ 1 (2 3 ⁇ 4), and / or between ⁇ " / (4 3 ⁇ 4) and e 1 (2 3 ⁇ 4) where 3 ⁇ 4 is the refractive index of the dielectric material, and ⁇ ⁇ (respectively ⁇ ) is the largest absorption (emission) wavelength of the optically active compound.
  • the most effective thickness in the case of GaAs cells with a rear mirror consisting of a reflective layer of Ag and an active material based on ⁇ 02 is between 80 nm and 150 nm.
  • the nano-cavities filled with doped dielectric material for photo conversion may also be themselves the seat of localized resonances.
  • a cavity resonance will typically be obtained for dimensions of the order of a / 2na or J2n at (Fabry-Perot resonance), where 3 ⁇ 4 is the refractive index of the dielectric material, and ⁇ ⁇ (respectively ⁇ ) is the largest absorption (emission) wavelength of the optically active compound.
  • ⁇ ⁇ (respectively ⁇ ) is the largest absorption (emission) wavelength of the optically active compound.
  • the shape of the cavity and the use of metals (surface plasmons) make it possible to modify the resonance conditions and to reduce the size of the cavity relative to the wavelength ⁇ ⁇ (respectively ⁇ ).
  • These resonances can be calculated precisely using an exact electromagnetic modeling code to optimize resonant wavelengths and enhance photo-conversion mechanisms.
  • the geometrical parameters of the structure are optimized by means of an exact calculation of the intensity of the electromagnetic field in the structure.
  • This requires software for modeling the electromagnetic field or solving Maxwell equations in multilayer structures at the nanoscale.
  • the codes based on the FDTD (Finite Difference Time Domain) method, or RCWA (Rigorous coupled-wave analysis - method for calculating the optical modes of the different layers and spreading fields by application of the methods interface continuity conditions) are the most commonly used.
  • a parametric study around the values determined using the previously described models makes it possible to obtain the optimal geometrical parameters for the structure, as well as the realization of sensitivity and tolerance studies.
  • FIGS. 5A and 5B show numerical curves illustrating the calculated absorption in different regions of the component respectively in an example of optoelectronic component according to the present description with optically active compounds suitable for upconversion (FIG.5A) and with compounds suitable assets for down-conversion (FIG 5B).
  • FIGS. 5A and 5B The absorption spectra of FIGS. 5A and 5B were obtained using RETICOLO, a RCWA code running on a Matlab computing platform, developed by P. Lalanne's team at the Institute of Optics ("Reticolo software for grating analysis” - JP Hugonin, P Lalanne - Institute of Optics, Orsay, France, 2005).
  • the reflective layer 32 is silver and comprises on the nano-structured face reflective islands of parallelepiped shape with a square section of 300 nm side, arranged periodically in two directions with a period of 600 nm in each direction.
  • the doped dielectric material is described as a material having an optical index close to that of crystalline TiO 2 with a photoactive compound modeled by a Drude-Lorentz oscillator centered at 1.5 ⁇ (wavelength of interest corresponding to the absorption Erbium atoms described as up-converters in the literature). The calculation is performed using the RETICOLO software described previously.
  • Curve 51 represents the total absorption by the rear mirror and can be decomposed into a curve 52 which represents the portion absorbed by the doped dielectric material and a curve 53 which represents the portion absorbed by the metal nanostructures. It can be observed that the doped dielectric material does not absorb at short wavelengths (curve 52 tends to 0) while curves 51 and 53 are confused. On the other hand, the doped dielectric material absorbs a significant portion of the light incident on the device for wavelengths greater than 1 ⁇ .
  • the absorption spectrum in the doped dielectric material has a resonance at the wavelength of interest for the up-conversion of 1.5 ⁇ .
  • Absorption occurs almost exclusively in the dielectric material (curve 52) with limited losses in the metal (curve 53).
  • This resonance indicates an improvement in the absorption of light by up-converting particles modeled by a Lorentz oscillator, and thus an improvement of the photo-conversion process.
  • the optoelectronic conversion material that mainly limits the absorption in the down-converting particles and one is interested in the absorption losses for the down-conversion mechanisms.
  • the doped dielectric material is described as a material having an optical index close to that of crystalline TiO 2 with a photoactive compound modeled by a Drude-Lorentz oscillator centered at 480 nm (wavelength of interest corresponding to absorption Europium atoms described as down-converters in the literature).
  • Curve 54 represents the total absorption by the photovoltaic component and is broken down into a curve 55 describing the absorption in the GaAs and a curve 56 describing the absorption in the doped dielectric material.
  • the presence of the nanostructured rear mirror generates two phenomena. Firstly, an increase in the absorption in the optoelectronic GaAs conversion layer which results in visible resonance peaks at wavelengths between 700 nm and 900 nm; Then the presence of an absorption peak of the down-converter material at 480 nm. The photons arriving at this wavelength on the volatile photo component and arriving on the nano-structured rear face of the device can be converted and then absorbed in the optoelectronic conversion layer at wavelengths close to the gap of the semiconductor used (here GaAs with a gap at 870 nm). note that the more the set of layers comprising the optoelectronic conversion layer is thin, the greater the number of photons available for photo conversion is important.
  • an optimization of the parameters to obtain an optimized absorption in the different regions of the component can be made according to the desired application, for different absorbent materials and with different optically active compounds of the dielectric material layer. dope.
  • Nano-structured arrangements arranged aperiodically
  • the islets or nano-cavities diffuse the transmitted light after a single pass through the layer set in all directions (see E. Yablonovitch, Statistical ray optics, J. Opt. 72, 899-907, 1982, MA Green, "Lambertian light trapping in textured solar cells and light-emitting diodes: analytical solutions," Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 10, 235-241, 2002).
  • part of these waves will be reflected on the front face and thus guided in the set of layers, allowing enhancement of the absorption in the optoelectronic conversion layer.
  • the geometry and the dimension of the nano structures of the rear mirror make it possible to optimize the diffusion of the light, for example to obtain a Lambertian scattering.
  • the maximum dimensions of the nanostructures, islands or nano-cavities will advantageously be chosen to be smaller than u / 2ne, where u is the lower limit of the useful band, measured in wavelength and n e is the average index. stacking layers.
  • the thickness hg of the nanostructures will be chosen to be similar in size to the size of the nanostructures.
  • FIGS. 6A and 6B schematically and functionally illustrate respectively a photovoltaic component type optoelectronic component and an LED type optoelectronic component according to the present description.
  • the photovoltaic component 60 comprises a first electrical contact 61 for the collection of the electrons 601, an absorber 63 corresponding to the set of layers comprising the optoelectronic conversion layer according to the present description, a second electrical contact 62 for the collection of the holes 602 and a rear mirror 64 according to the present description, in contact with the absorber 63.
  • the absorption of a photon in the optoelectronic conversion layer of the absorber 63 causes the generation of an electron-hole pair.
  • the electron can then be collected by the first electrical contact 61 while the hole can be collected by the second electrical contact 62 causing the separation of these charges and the creation of a potential at the terminals of the device 60.
  • the difference in potential causes the appearance of a flow of charges, in particular a flow of electrons F between the two contacts 61 and 62.
  • the photovoltaic component 60 When it is illuminated, the photovoltaic component 60 then behaves like a DC generator I, capable of supplying an electric charge 65.
  • a luminous flux Li enters the photovoltaic component by the front face or the receiving face of the luminous flux.
  • a portion L 2 of the incident flux Li is not absorbed during the first passage of the light through the absorber 63, reaches its rear face and can interact with the nanostructured rear mirror 64.
  • the photons of the flux L 2 are reflected or converted by the doped dielectric material contained in the nano-cavities to form an L 3 photon flux.
  • the photons of the photon flux L 3 capable of being absorbed by the optoelectronic conversion layer are trapped thanks to the resonances created between the rear mirror and the absorber (64 + 63); thus, their absorption by the device is increased.
  • the low-energy photons of the flux L 2 can in particular undergo at least one photo-conversion improved by the nano-structuring of the mirror 64 and the photons resulting from this conversion form the flow of photons L 3 whose photons can be absorbed into the optoelectronic conversion layer and participate in the photo-generated current.
  • the very energetic photons of the L 2 photon flux may undergo at least one photoconversion enhanced by the nanostructuring of the rear mirror 64 and the photons resulting from this conversion form the photon flux L 3 whose photons can be absorbed into the optoelectronic conversion layer with smaller thermalization losses in the device, contributing to a higher conversion efficiency.
  • FIG. 6B illustrates the principle of a light-emitting diode 61 operating in a symmetrically opposite manner to the photovoltaic component shown in FIG. 6A.
  • electrons 601 created by an external current generator 66 delivering a current I and creating a flow of electrons F are injected inside the component 61 comprising, as in the previous example, a first electrical contact 61 for the collection of electrons 601, a second electrical contact 62 for the collection of holes 602, an absorber 63 formed according to the present description of a set of layers comprising at least one optoelectronic conversion layer, and a nanostructured rear mirror 64 according to the present invention. description.
  • the injection of the charges causes many radiative recombinations inside the absorber 63, the recombination of an electron with a hole resulting in the emission of a photon whose energy is proportional to the potential difference between the two contacts.
  • Photons are emitted in all directions. At least a portion of the photons emitted towards the nanostructured rear mirror form a luminous flux L 4 . These photons can then interact with the active material in an optimized configuration to maximize photo-conversion processes.
  • part of the photons resulting from this photo-conversion are reflected by the nanostructured rear mirror 64 and form a luminous flux L5, part of which L 6 is not absorbed by the absorber 64 and leaves the component 61.
  • L5 part of which L 6 is not absorbed by the absorber 64 and leaves the component 61.
  • very energetic photons are emitted in the absorber, they can be converted into less energetic photons, part of which can emerge from component 61 and propagate in free space.
  • the optically active compound of the doped dielectric material allows the photo-conversion of the photons emitted with the gap energy of the material forming the optoelectronic conversion layer to other energies and therefore to other wavelengths.
  • FIGS. 7A-7E are diagrams illustrating steps of an exemplary method of manufacturing an optoelectronic component according to the present disclosure.
  • the set of layers 71 comprising the optoelectronic conversion layer 710 and in this example two layers 709 and 711 may themselves consist of several layers, is deposited on an initial substrate 701 and possibly separated from this substrate by a layer or a set of layers 702 called the separation layer.
  • the layers 709, 711 include, for example, barrier layers for the charges, charge collection (or injection) layers or doped layers for improving the electrical contact.
  • one or more contacts 73 are taken on the upper face of the set of layers 71, these contacts being able to contain several subassemblies comprising, for example, a highly doped semiconductor layer for making an ohmic contact with the set of layers. Alternatively, it may be a Schottky contact.
  • the doped dielectric material is deposited in the form of a nano-structured layer at the location of the nano-cavities desired for the final component.
  • the deposition of the layer of doped dielectric material is carried out for example by nano-printing.
  • the dielectric material is a sol-gel, for example a sol TiO 2 gel, doped with photo-converters, for example lanthanides Eu or Er or co-doped with ions of the same family.
  • the sol-gel is deposited in this example in liquid form on the layer assembly 71 by spin-coating.
  • a flexible nano-printing mold 80 is applied to the surface of the device to emboss the layer of doped dielectric material.
  • the mold 80 comprises a relatively thin first layer 81 (a few microns), made of a hard material, for example PDMS (poly (dimethylsiloxane)) hard to ensure a high degree of conformity of the nano-structured patterns transferred during embossing and good replicability.
  • the second layer 82 is a layer of flexible material, for example flexible PDMS 750, which allows easy handling of the nano-printing mold as a whole.
  • the nano-cavities 722 are formed, the shape of the nano-cavities being complementary to the pattern defined by the mold after its withdrawal illustrated in FIG. 7B.
  • contacts 73 are deposited on the surface of the set of layers 71, their presence is not a problem for the nano-printing because the distance that separates contacts is generally large compared to the typical dimensions relative to the nano - structuring.
  • the nano-structuring step is followed by the deposition of a reflective layer 720 (FIG 7C).
  • this layer can be made by depositing a first metal, for example silver, then a protective layer, for example chromium, allowing the protection of silver and avoiding its oxidation.
  • the deposition is carried out for example by evaporation, the substrate holder being in rotation, and forming an angle with respect to the direction of the metal source used, for example about 60 °, to allow an optimal filling of the nano structures delimited by 722.
  • an adhesion layer 703 is deposited on the reflective layer 720 thus formed to transfer the entire system with its reflective layer on a host substrate 704. This substrate makes it possible to manipulate the set of layers with its rear mirror more easily for the following manufacturing steps and in the use of the final device.
  • the initial substrate 701 on which the set of layers 71 had been manufactured is then removed (FIG 7D), possibly using the separation layer 702.
  • This step makes the front surface of the layer assembly 71 free for finalizing the device shown in FIG. 7E.
  • one or more front electrical contacts 74 are deposited in order to collect or inject a type of load on the front face of the device, while the electrical contact 73 fulfills this function for the rear face.
  • the nano-structured face of the reflective layer 720 is directly in contact with the set of layers 71, the nano-structured face can serve as a rear contact.
  • the nanostructuring step described in FIG. 7B can be replaced by an electronic lithography process.
  • An electro sensitive resin is then insolated in an electronic mask to define nano-structuring.
  • This step is followed by development of the electro-sensitive resin and then deposition of the optically active material before a lift-off step to remove it at the places where it is desired to have the nano structures.
  • the same nano-structuring step can involve a holographic lithography technique. In this case, it will be possible to choose a photosensitive resin which constitutes the optically active material itself. The deposition of the reflective layer could then follow directly the development step of this resin.
  • the optoelectronic component and the manufacturing method of this component comprise various variants, modifications and improvements which will become obvious to those skilled in the art, it being understood that these various alternatives, modifications and improvements are within the scope of the invention as defined by the following claims.

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Abstract

Selon un aspect, l'invention concerne un composant optoélectronique (30) présentant une face avant (35), et comprenant: un ensemble de couches en contact (3) dont au moins une couche de conversion optoélectronique (3) formée d'un matériau absorbant de gap donné; au moins un premier et un deuxième contacts électriques (73) adaptés à la collection ou l'injection de charges dans la couche de conversion optoélectronique; et une couche réfléchissante (32) avec une première face formant une face arrière (36) du composant, opposée à la face avant. La couche réfléchissante présente une deuxième face en contact avec ledit ensemble de couches (31), nanostructurée sur une épaisseur (hg) inférieure au micron pour former un ensemble d'îlots réfléchissants (323) et de nano-cavités (322) entre les îlots réfléchissants, la dimension maximale d'une nano-cavité ou d'un îlot réfléchissant et la distance maximale entre deux nano-cavités ou deux îlots réfléchissants étant inférieure au micron; et les nano-cavités sont remplies d'un matériau diélectrique dopé avec au moins un premier composé optiquement actif adapté pour au moins une première photo-conversion d'une première bande spectrale vers une deuxième bande spectrale, la deuxième bande spectrale étant au moins partiellement comprise dans la bande spectrale d'absorption de la couche de conversion optoélectronique.

Description

COMPOSANT OPTOELECTRONIQUE A ABSORPTION AMELIOREE
DOMAINE TECHNIQUE
La présente description concerne un composant optoélectronique à absorption améliorée et un procédé de fabrication d'un tel composant optoélectronique. La présente description concerne notamment un composant photovoltaïque à simple jonction.
ETAT DE L'ART
Il est connu que le rendement de conversion pho ton/électron des cellules solaires simple jonction est limité principalement par les pertes spectrales dues à l'inadéquation entre l'énergie des photons incidents et celle du gap (ou bande interdite) du matériau absorbant. Si l'énergie du photon incident est inférieure à celle du gap, le photon n'est pas absorbé ; pour les photons d'énergie supérieure à celle du gap (ou photons de basses longueurs d'onde), une grande partie de l'énergie est perdue par thermalisation. Il est ainsi possible de déterminer pour une cellule solaire simple jonction donnée une limite théorique du rendement ; cette limite théorique est connue sous le nom de limite de Shockley-Queisser.
La FIG. 1A illustre ainsi le rendement de conversion maximal théorique d'une cellule solaire simple jonction en fonction de l'énergie de gap du matériau absorbant, à 300 K sous un éclairement standard sans concentration de la lumière incidente (courbe 10). Il est calculé dans le cas idéal où les recombinaisons radiatives sont les seuls mécanismes de recombinaison des paires électrons trous photo-générées dans la jonction. La courbe 10 résulte de la prise en considération des échanges d'énergie entre le soleil et la cellule solaire, considérés comme des corps noirs, des recombinaisons radiatives et des pertes spectrales. On observe sur la courbe 10 une variation du rendement de conversion maximal en fonction de la valeur du gap du matériau. En effet, en ce qui concerne les photons ayant une énergie inférieure à celle du gap du matériau, ceux-ci ne sont pas absorbés et sont donc perdus par transmission ; En ce qui concerne les photons ayant une énergie supérieure à celle du gap du matériau, la cellule solaire ne permet pas de convertir en énergie électrique la différence d'énergie entre l'énergie apportée par le photon absorbé et l'énergie du gap du matériau, le surplus est donc perdu sous forme de chaleur par thermalisation. Le choix du matériau absorbant implique également une limitation de la différence de potentiel à laquelle les charges pourront être extraites, soit le voltage maximal aux bornes de la cellule. La valeur de ce dernier est limitée par le fait que son produit avec la charge élémentaire (q x V) ne peut pas excéder le gap du matériau, les recombinaisons contribuant à sa limitation. Finalement, on observe sur la courbe 10 que le rendement de conversion théorique est limité autour de 32% pour une valeur du gap intermédiaire proche de 1.4 eV, qui permet de concilier l'absorption d'un maximum de photons avec une différence de potentiel la plus élevée possible. Dans la pratique, les records expérimentaux de rendement pour des cellules simple-jonction (représentés par des points sur la FIG. 1) connus à ce jour sont de 25,6% pour une cellule en silicium cristallin, 28,8% pour une cellule en GaAs (voir M. Green et al, « Solar cell efficiency tables (version 48) », Progress in Photovoltaics, 4, 7, pp. 905-913 (2016)) et 22,6% pour une cellule en CIGS ( voir « ZSW Sets New World Record for Thin-film Solar Cells », Press release 09/2016, ZSW).
Pour surmonter la limite de Shockley-Queisser, il est connu de former des cellules à jonctions multiples (cellules « multi-jonctions ») dans lesquelles une succession de gaps d'énergies différentes permet de limiter les pertes par thermalisation tout en absorbant le plus possible de photons. Aujourd'hui, cette solution est commercialement disponible sous la forme de cellules avec un rendement record en laboratoire de 46% et des systèmes de concentration de la lumière. Cependant, les surcoûts engendrés par cette technologie beaucoup plus compliquée à mettre en œuvre restent très élevés pour la filière des cellules photovoltaïques.
Des solutions actuellement proposées dans la littérature pour augmenter le rendement des cellules solaires simple jonction sont basées sur la mise en œuvre de phénomènes de conversion spectrale des photons (ou « photon management »), de telle sorte que les photons parviennent dans l'absorbeur avec une longueur d'onde correspondant le plus possible à celle du gap. Il peut s'agir de conversion vers les basses énergies (mécanismes de « down- shifting » et de « down-conversion ») ou de conversion vers les hautes énergies (mécanismes de « up-conversion »). Plus précisément, dans le cas du « down-shifting », un photon très énergétique est transformé en un photon moins énergétique. Dans le cas de la « down- conversion », un photon très énergétique est transformé en deux photons moins énergétiques. Dans le cas de Γ « up-conversion », à l'inverse, deux photons de basse énergie (i.e. inférieure au gap de l'absorbeur considéré) sont transformés en un photon plus énergétique capable d'être absorbé dans la cellule solaire.
A travers ces mécanismes de conversion spectrale, l'effet principal recherché est l'augmentation du rendement de conversion à travers une augmentation du courant de la cellule solaire. Le transfert d'un certain nombre de photons incidents d'une plage spectrale pour laquelle la réponse spectrale (ou EQE selon l'expression anglo-saxonne « External Quantum Effïciency ») de la cellule est nulle vers une autre plage spectrale pour laquelle la réponse spectrale est proche de 1 entraine en effet une augmentation du nombre de charges photo-générées dans la cellule photovoltaïque. Ainsi, il a été démontré que ces solutions de management spectral offrent des perspectives de rendement de conversion maximal de 40% pour la down-conversion et 48% pour l'up-conversion.
Les procédés d'up-conversion et de down-conversion sont des procédés non-linéaires qui impliquent plusieurs photons. L'efficacité de ces procédés augmente fortement avec l'intensité du champ électromagnétique autour des centres optiquement actifs permettant la photo-conversion.
Ainsi, J. C Goldschmidt et al. {« Record Efficient Upconverter Solar Cell Devices »,
29th European PV Solar Energy Conférence and Exhibition, 22 - 26 september 2014, Amsterdam, The Netherlands) a décrit différents moyens pour améliorer l'efficacité du mécanisme de conversion vers les hautes énergies (« up conversion ») d'une cellule solaire dont l'utilisation de structures photoniques pour augmenter l'intensité du champ électromagnétique autour des centres optiquement actifs et améliorer ainsi le rendement de photo-conversion du matériau actif.
La FIG. 1B reproduit le schéma d'un dispositif photovoltaïque tel que suggéré par J. C Goldschmidt et al. Le dispositif photovoltaïque comprend outre la cellule solaire 11 une couche arrière 12 dopée avec un matériau actif pour l'up conversion. Une structure photonique 13 est proposée en face arrière de la couche active 12 pour augmenter l'efficacité de l'up conversion. Ainsi, comme cela est schématisé sur la FIG. 1B, la partie L2 du flux solaire Li qui n'est pas absorbée par la cellule solaire 11 est convertie au moins partiellement en un flux lumineux L3 à une longueur d'onde inférieure proche de la longueur d'onde d'absorption de la cellule solaire puis renvoyée vers la cellule solaire pour pouvoir être utilisée.
La présente description se base sur les travaux de l'art antérieur et propose une architecture améliorée de piégeage optique en face arrière pour un composant optoélectronique et plus précisément un composant photovoltaïque, qui permette d'augmenter signifîcativement le rendement de conversion en mettant en œuvre au moins l'un des mécanismes de conversion spectrale.
RESUME
La présente description a pour objet, selon un premier aspect, un composant optoélectronique présentant une face avant, et comprenant : - un ensemble de couches en contact, dont au moins une couche de conversion optoélectronique formée d'un matériau absorbant de gap donné;
- au moins un premier et un deuxième contacts électriques adaptés à la collection ou l'injection de charges dans la couche de conversion optoélectronique; et - une couche réfléchissante avec une première face formant une face arrière du composant, opposée à la face avant; et dans lequel :
- la couche réfléchissante présente une deuxième face en contact avec ledit ensemble de couches, nano structurée sur une épaisseur inférieure au micron pour former un ensemble d'îlots réfléchissants et de nano-cavités entre les îlots réfléchissants, la dimension maximale d'une nano-cavité ou d'un îlot réfléchissant et la distance maximale entre deux nano-cavités ou deux îlots réfléchissants étant inférieure au micron;
- lesdites nano-cavités sont remplies d'un matériau diélectrique dopé avec au moins un premier composé optiquement actif adapté pour au moins une première photoconversion d'une première bande spectrale (ou bande spectrale d'absorption) vers une deuxième bande spectrale (ou bande spectrale d'émission), la deuxième bande spectrale étant au moins partiellement comprise dans la bande spectrale d'absorption de la couche de conversion optoélectronique. Le « gap » (ou bande interdite) d'un matériau absorbant de gap donné est la différence d'énergie entre la bande de valence et la bande de conduction du matériau. A un gap donné correspond une longueur d'onde de coupure au-delà de laquelle des photons ne sont plus absorbés.
En pratique, dans la présente description, on s'intéressera à des matériaux présentant des longueurs d'onde de coupure comprises entre 0,25 μιη et 10 μιη, en fonction de l'application recherchée.
Pour un matériau absorbant de gap donné, on pourra définir une bande spectrale d'absorption comprenant l'ensemble des longueurs d'onde inférieures ou égales à la longueur d'onde de coupure, ou en énergie, l'ensemble des énergies de photons supérieures ou égales au gap.
Plus précisément dans la présente description, on pourra définir pour un ensemble de couches d'épaisseur d donnée, une bande spectrale utile comprise dans la bande spectrale d'absorption, et définie, en énergie, par l'ensemble des énergies de photons pour lesquelles l'absorption à travers l'ensemble de couches, en simple passage et à incidence normale, est inférieure ou égale à 90%.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la couche de conversion optoélectronique comprend un matériau semi-conducteur. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le matériau semi-conducteur est à gap direct, choisi par exemple dans une famille parmi la famille du CIGS, la famille du CdTe, la famille des semi-conducteurs III- V.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la couche de conversion optoélectronique comprend l'un au moins des matériaux choisi dans le groupe comprenant : des pérovskites, des semi-conducteurs organiques, des polymères photosensibles, des matériaux absorbants amorphes.
Les déposants ont montré que la structuration originale de la couche réfléchissante, ou « miroir arrière », sur la seule face en contact avec l'ensemble de couches et le remplissage des nano-cavités ainsi formées avec un matériau diélectrique dopé pour la conversion spectrale rend possible à la fois l'augmentation des interactions entre la lumière et le composé actif du matériau diélectrique dopé mais aussi une amélioration de l'absorption dans le composant optoélectronique grâce à la possibilité de résonances localisées dans la couche de conversion optoélectronique. Le rendement de conversion du dispositif optoélectronique se trouve ainsi accru par rapport aux dispositifs de l'art antérieur.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, au moins une partie des couches de l'ensemble de couches forme une simple jonction. Par simple jonction, on entend une jonction qui n'est pas une jonction multiple. Il s'agit par exemple d'une jonction p-n ou p-i-n, par exemple une homojonction ou une hétérojonction, ou d'une jonction Schottky. La simple jonction contribue avec les premier et deuxième contacts électriques à la collection ou l'injection des charges.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, l'ensemble de couches forme une couche de conversion optoélectronique passivée, de telle sorte que la fonction de séparation des charges est assurée par les seuls contacts électriques.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le matériau diélectrique dopé comprend au moins un premier composé optiquement actif permettant une photo-conversion dite « up- conversion » d'une première bande spectrale présentant une première fréquence centrale vers une deuxième bande spectrale présentant une deuxième fréquence centrale supérieure à celle de la première fréquence centrale.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le matériau diélectrique dopé comprend au moins un premier composé optiquement actif permettant une photo-conversion de type « down-conversion » ou « down-shifting », d'une première bande spectrale présentant une première fréquence centrale vers une deuxième bande spectrale présentant une deuxième fréquence centrale inférieure à celle de la première fréquence centrale.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le matériau diélectrique dopé comprend au moins un premier composé optiquement actif et un deuxième composé optiquement actif permettant de combiner différents mécanismes de photo-conversion (up-conversion, down- conversion et/ou down-shifting).
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, ledit ensemble de couches est ultrafïn, ce qui permet de favoriser les résonances dans la couche de conversion optoélectronique grâce à des mécanismes de réflexion totale interne, de réduire la quantité de matériau formant la couche de conversion optoélectronique et de limiter le nombre de défauts dans l'ensemble de couches.
Par « ultrafïn » on entend dans la présente description un ensemble de couches suffisamment fin pour que la bande spectrale utile, en énergie de photons, soit comprise entre l'énergie de gap (Eg) et 1,3 fois l'énergie de gap (1,3 Eg).
Un ensemble de couches ultrafïn est particulièrement avantageux dans le cas de mise en œuvre d'un mécanisme de photo-conversion vers les basses énergies (mécanismes dits de « down-shifting » ou « down-conversion »), car seuls les photons non absorbés par ledit ensemble de couches sont susceptibles d'interagir avec le composé actif du matériau diélectrique dopé.
Dans le cas de l'utilisation d'un matériau semi-conducteur à gap direct pour la couche en matériau absorbant, par exemple un matériau de la famille du CIGS ou de la famille des matériaux semi-conducteurs III-V, l'épaisseur de l'ensemble de couche ultrafïn pourra avantageusement être inférieure à quelques centaines de nanomètres, par exemple inférieure à 500 nm, avantageusement inférieure à 300 nm.
Le composant optoélectronique peut être, selon un ou plusieurs exemples de réalisation, un composant photovoltaïque, auquel cas :
- la face avant est une face de réception d'un flux solaire incident ;
- la bande spectrale d'absorption est comprise dans le spectre solaire ; par exemple le gap du matériau absorbant est compris entre 0,5 et 2,5 eV ;
les premier et deuxième contacts électriques sont adaptés à la collection des charges ; ainsi, en fonctionnement, le flux lumineux solaire incident sur la face de réception du composant photovoltaïque est converti en un courant électrique entre les premier et deuxième contacts électriques. Le composant optoélectronique peut être, selon un ou plusieurs exemples de réalisation, un détecteur adapté à la détection dans une ou plusieurs bandes spectrales de détection, la ou les bandes spectrales de détection pouvant recouvrir, tout ou partiellement, ou ne pas recouvrir, la bande spectrale d'absorption du matériau constituant la couche de conversion optoélectronique. Dans ce cas, ledit composé optiquement actif du matériau diélectrique dopé est adapté pour effectuer une photo-conversion depuis les bandes spectrales de détection du détecteur vers la bande spectrale d'absorption du matériau absorbant, avantageusement vers des longueurs d'onde inférieures et proches de la longueur d'onde de coupure du matériau formant la couche de conversion optoélectronique.
Par ailleurs, dans le cas d'un détecteur, comme dans l'application composant photovoltaïque, la face avant est une face de réception d'un flux lumineux incident et, en fonctionnement, le flux lumineux incident sur la face de réception du détecteur est converti en un courant électrique entre les premier et deuxième contacts électriques.
Le composant optoélectronique peut être, selon un ou plusieurs exemples de réalisation, une diode électroluminescente ou une diode laser. Dans ce cas, les premier et deuxième contacts électriques sont adaptés à l'injection de charges et en fonctionnement, un courant électrique appliqué entre les premier et deuxième contacts électriques est converti en un flux lumineux émis par la face avant de la diode électroluminescente. La face avant est ainsi une face d'émission de la diode électroluminescente.
Le ou les composés optiquement actifs du matériau diélectrique dopé sont choisis en fonction de l'application, notamment de la bande spectrale d'absorption de la couche de conversion optoélectronique et plus précisément de la bande spectrale utile du composant. Un composant optiquement actif est caractérisé notamment par sa bande spectrale d'absorption et sa bande spectrale d'émission. Il est adapté pour la photo-conversion d'une première bande spectrale (i.e. sa bande spectrale d'absorption) vers une deuxième bande spectrale (i.e. la bande spectrale d'émission), avantageusement comprise au moins partiellement dans la bande spectrale utile. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, au moins un composé optiquement actif est choisi parmi un colorant, par exemple un phosphore ou un fluorophore, qui contient par exemple des nanoparticules semi-conductrices (CdSe, PbS, PbSe...), des éléments de la famille des Lanthanides (Nd, Eu, Er, Yb...), des éléments de la famille des fluorophores organiques (Lumogen, éosine, fluorescéine,...), ou des éléments de la famille des organométalliques (complexes Ru(III),...).
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la deuxième face nano structurée du miroir arrière comprend des îlots (ou plots) réfléchissants de dimensions maximales inférieures au micron, agencés de façon périodique ou pseudopériodique selon deux dimensions, les nano-cavités étant formées entre les îlots réfléchissants, ou la deuxième face nano structurée comprend des nano-cavités de dimensions maximales inférieures au micron, agencées de façon périodique ou pseudopériodique selon deux dimensions, les îlots réfléchissants étant formés entre les nano-cavités.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisations, la deuxième face nano structurée comprend des îlots réfléchissants agencés de façon apériodique selon deux dimensions, les nano cavités étant formées entre les îlots réfléchissants, ou des nano-cavités agencées de façon apériodique selon deux dimensions, les îlots réfléchissants étant formés entre les nano- cavités.
Par « pseudopériodique », on comprend que les nano structures sont légèrement décalées par rapport à leurs positions dans un arrangement périodique, les distances entre les nano structures étant en moyenne celles d'un réseau périodique.
Une nano-structuration périodique (ou pseudopériodique) de la deuxième face de la couche réfléchissante permet notamment d'optimiser des résonnances de modes guidés dans l'ensemble de couches. Une nano-structuration apériodique permet de privilégier la diffusion par les nano structures.
Dans le cas d'une nano-structuration périodique ou pseudopériodique, selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la période est choisie identique selon chacune des directions, ce qui a pour effet de limiter la dépendance de la réponse optique en fonction de la polarisation.
De façon générale, une période plus petite aura pour effet d'empêcher la diffraction dans l'espace libre sur une plus grande bande spectrale, alors qu'une période plus grande favorisera un plus grand nombre de résonances dans la bande spectrale utile.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la période est choisie inférieure à une borne inférieure de la bande spectrale utile (en longueur d'onde) ; avantageusement, elle est choisie le plus proche possible de cette borne inférieure. Les déposants ont montré qu'en général, la période peut-être choisie inférieure, voire bien inférieure au micron. Cela aura pour effet d'empêcher les pertes par diffraction dans l'espace libre pour des longueurs d'onde plus grandes que la période du réseau, et pour un flux à incidence normal, tout en permettant les résonances par couplage à des modes guidés dans l'ensemble de couches.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les îlots réfléchissants ou les nano- cavités sont de forme sensiblement parallélépipédique rectangle. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les îlots réfléchissants ou les nano- cavités présentent une section sensiblement carrée. Dans ce cas, lorsque les îlots réfléchissants, ou les nano-cavités, sont agencés de façon périodique selon deux dimensions, avec une période identique selon chacune des directions, la nano-structuration se trouve parfaitement symétrique dans deux axes orthogonaux du plan ce qui permet une indépendance de la réponse optique par rapport à la polarisation de la lumière. Cet agencement est avantageux dans le cas d'un composant photovoltaïque absorbant la lumière naturelle du soleil, qui n'est pas polarisée.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les îlots réfléchissants ou les nano- cavités présentent une forme sensiblement en « L », ou plus généralement toute forme permettant d'avoir un seul axe de symétrie. Cette configuration permet de disposer de paramètres de dimensionnement multiples pour les îlots réfléchissants ou les nano-cavités et par conséquent permet de définir des mécanismes de couplage résonant à des longueurs d'onde multiples. Cette configuration permet ainsi d'optimiser le composant sur une plus grande bande spectrale.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les dimensions maximales des ilôts réfléchissants ou des nano-cavités sont comprises entre la moitié de la période, et les deux tiers de la période, correspondant à un ratio compris entre 0.5 et 0.66. Ce ratio permet d'optimiser l'effet de diffraction du réseau dans l'ensemble de couches, et ainsi la formation et l'excitation de résonances par couplage à des modes guidés dans l'ensemble de couches. Là encore, les déposants ont montré que les dimensions maximales des îlots ou nano-cavités se trouvaient inférieures au micron.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les dimensions des nano-cavités sont inférieures ou égales à λα/(2η,ι) et/ou inférieures ou égales à XJ(2rid), où ¾ est l'indice de réfraction du matériau diélectrique, et λα (respectivement λβ) est la plus grande longueur d'onde d'absorption (respectivement d'émission) du composé optiquement actif. Ce dimensionnement permet de créer un ou plusieurs mécanismes résonants dans l'ilot réfléchissant ou la nano-cavité afin de renforcer l'effet du matériau actif convertisseur de photons.
Dans la suite de la description, on appelle « plus grande longueur d'onde d'absorption
(ou d'émission) d'un composé optiquement actif la longueur d'onde correspondant à la borne supérieure de la bande spectrale d'absorption (ou d'émission).
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, l'épaisseur de la nano-structuration, choisie généralement inférieure au micron, est déterminée en fonction de ses dimensions latérales afin de favoriser une ou plusieurs résonances aux longueurs d'onde de photoconversion, et afin d'optimiser le couplage avec des modes guidés aux longueurs d'onde « utiles ». L'épaisseur de la nano structuration peut être comprise selon un ou plusieurs exemples de réalisation entre λα /(4 ¾) et λα /(2 ¾), et/ou entre λ« /(4 ¾) et Àe /(2 ¾) où ¾ est l'indice de réfraction du matériau diélectrique, et λα (respectivement λ«) est la plus grande longueur d'onde d'absorption (respectivement d'émission) du composé optiquement actif.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les îlots réfléchissants (ou les nano- cavités) sont agencés de façon apériodique.
Dans ce cas, selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les déposants ont montré que les dimensions maximales des nanostructures, ilôts ou nano-cavités, peuvent être avantageusement choisies inférieures à X lr^, où u est la borne inférieure de la bande utile, mesurée en longueur d'onde et ne est l'indice moyen de l'empilement de couches.
Avantageusement, l'épaisseur hg des nanostructures sera choisie de dimension similaire à la dimension des nanostructures, et dans tous les cas inférieure au micron.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la couche réfléchissante est métallique, formée par exemple d'un ou plusieurs matériaux métalliques, par exemple de l'argent, de l'or, de l'aluminium ou du cuivre.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la couche réfléchissante est en matériau diélectrique, formée d'un matériau diélectrique présentant une forte variation d'indice avec la couche de l'ensemble de couche avec lequel il est en contact, par exemple un matériau diélectrique de type Ti02, SiC. La couche réfléchissante structurée diélectrique peut être également de type cristal photonique.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la couche réfléchissante comprend une association d'au moins un matériau diélectrique et un matériau métallique. Par exemple, les îlots réfléchissants sont métalliques et la première face formant la face arrière de la couche réfléchissante comprend un ensemble de couches alternées métal/diélectrique, par exemple une fine couche métallique d'épaisseur supérieure ou égale à l'épaisseur de peau du métal, déposée sur un matériau diélectrique.
La présente description a pour objet, selon un deuxième aspect, un procédé de fabrication d'un composant optoélectronique selon le premier aspect comprenant : le dépôt de l'ensemble de couches sur un substrat initial; le dépôt du matériau diélectrique dopé sous forme d'une couche nano structurée à l'endroit des nano-cavités recherchées pour le composant optoélectronique final ; le dépôt d'une couche réfléchissante ; le retrait du substrat initial pour dégager la face avant et le dépôt d'un ou plusieurs contacts en contact avec l'ensemble de couches pour former les contacts électriques avant.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé comprend en outre le dépôt d'un ou plusieurs contacts électriques sur l'ensemble de couches avant le dépôt du matériau diélectrique pour former les contacts électriques arrière.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres avantages et caractéristiques de la technique présentée ci-dessus apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite par référence aux figures dans lesquelles:
La FIG. 1A (déjà décrite), une courbe représentant le rendement de conversion maximal en fonction du gap du matériau formant la couche de conversion optoélectronique (cas d'un matériau semi-conducteur);
La FIG. 1B (déjà décrite), un exemple de composant photovoltaïque selon l'art antérieur ;
Les FIGS. 2A et 2B illustrent des courbes montrant l'absorption dans un ensemble de couches, en fonction de l'énergie de photons, pour plusieurs valeurs de l'épaisseur de l'ensemble de couches, respectivement dans le cas où la couche de conversion optoélectronique est formée en GaAs (FIG. 2A) et dans le cas où la couche de conversion optoélectronique est formée en CIGS (FIG. 2B);
Les FIGS. 3 A - 3C, des schémas montrant différents éléments d'un exemple de composant optoélectronique selon la présente description ;
Les FIGS. 4A à 4F, des schémas illustrant différents exemples de miroirs arrière d'un composant optoélectronique selon la présente description ;
Les FIGS. 5A et 5B, des courbes numériques illustrant l'absorption calculée dans différentes régions du composant respectivement dans un exemple de composant optoélectronique selon la présente description avec des composés optiquement actifs adaptés pour l'up-conversion (FIG. 5A) et avec des composés actifs adaptés pour la down- conversion (FIG. 5B);
Les FIGS. 6 A et 6B, des schémas illustrant un composant optoélectronique de type composant photovoltaïque et un composant optoélectronique de type DEL selon la présente description ; Les FIGS. 7A à 7E, des schémas illustrant des étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'un un composant optoélectronique selon la présente description.
DESCRIPTION DETAILLEE
Dans la présente description, pour un matériau absorbant de gap donné, on définit la bande spectrale d'absorption comme l'ensemble des longueurs d'onde inférieures ou égales à la longueur d'onde de coupure, ou, en énergie, l'ensemble des énergies de photons supérieures ou égales au gap.
Par ailleurs, on pourra définir pour un ensemble de couches d'épaisseur d donnée, une « bande spectrale utile », comprise dans la bande spectrale d'absorption par l'ensemble des énergies de photons pour lesquelles l'absorption à travers l'ensemble de couches, en simple passage et à incidence normale, est inférieure ou égale à 90%. A la bande spectrale utile mesurée en énergie correspond une bande spectrale utile mesurée en longueur d'onde dont la bande inférieure est noté u et la bande supérieure correspond à la longueur d'onde de coupure g.
En pratique, pour un composant optoélectronique selon la présente description, on pourra mesurer l'absorption simple passage en reproduisant l'empilement de couches ou en isolant l'ensemble de couches du composant photovoltaïque puis en mesurant sur l'ensemble du spectre en énergie la transmission et la réflexion afin d'en déduire l'absorption. On pourra également calculer l'absorption simple passage sur la base de la connaissance des matériaux formant les couches et des épaisseurs de couche.
Les FIGS. 2A et 2B illustrent ainsi des courbes montrant l'absorption dans un ensemble de couches, en fonction de l'énergie de photons, pour plusieurs valeurs de l'épaisseur de l'ensemble de couches, respectivement dans le cas où la couche de conversion optoélectronique est formée en GaAs (FIG. 2A) et dans le cas où la couche de conversion optoélectronique est formée en CIGS (FIG. 2B). A noter que les courbes illustrées sur les FIGS. 2A et 2B ont été calculées pour des valeurs de l'épaisseur de la couche de conversion optoélectronique, en faisant l'hypothèse que les autres couches de l'ensemble de couches étaient négligeables à la fois en termes d'épaisseur et d'absorption. En pratique, lorsque l'ensemble de couches comprend d'autres couches dont l'épaisseur ou l'absorption n'est pas négligeable par rapport à l'épaisseur ou l'absorption de la couche de conversion optoélectronique, on pourra en tenir compte pour la détermination de l'épaisseur qui rend l'ensemble de couches « ultrafin » et mesure l'absorption simple passage de l'ensemble, comme décrit ci-dessus. Ainsi, les courbes d'absorption simple passage (ASP) pour une couche sont calculées selon l'équation :
ASP = 1 - e"a(E)d
Où a(E) est le coefficient d'absorption en fonction de l'énergie des photons incidents du matériau formant la couche, c'est-à-dire GaAs (FIG. 2A) et CIGS (FIG. 2B), et d est l'épaisseur de la couche de conversion optoélectronique.
Dans le cas d'un ensemble de plusieurs couches d'épaisseur di et de coefficients d'absorption at(E), la courbe d'absorption simple passage (ASP) pourra être calculée selon l'équation : ASP = \ - e <
Plus précisément, les courbes 21, 22, 23, 24 sur la FIG. 2 A correspondent respectivement à des épaisseurs de la couche en GaAs égales à d = 1 μιη, d = 200 nm, d = 100 nm, d = 50 nm. Une couche de conversion optoélectronique en GaAs est ultrafine (selon notre définition) pour une épaisseur inférieure à 725 nm, c'est-à-dire que l'absorption simple passage d'une couche de 725 nm est de 90% pour une énergie de photon de 1.3*Eg, soit 1.846 eV (= 672 nm en longueur d'onde). Pour du GaAs, la bande spectrale utile pour une couche de 725 nm d'épaisseur sera en énergie [Eg, Eg* 1.3] correspondant en longueur d'onde à [ku = 672 nm, Xg = 870 nm] et elle sera plus grande pour une couche plus fine.
Par ailleurs, les courbes 25, 26, 27, 28 sur la FIG. 2B correspondent respectivement à des épaisseurs de la couche en CIGS égales à d = 1 μιη, d = 300 nm, d = 200 nm, d = 100 nm. Une couche de conversion optoélectronique en CIGS est ultrafine (selon notre définition) pour une épaisseur inférieure à 565 nm, c'est-à-dire que l'absorption simple passage d'une couche de 565 nm est de 90%> pour une énergie de photon de 1.3*Eg, soit 1.508 eV (= 822 nm en longueur d'onde). Pour du CIGS, la bande spectrale utile pour une couche de 565 nm d'épaisseur sera [Eg, Eg* 1.3] correspondant en longueur d'onde à [ku = 822 nm, Xg = 1070 nm], et elle sera plus grande pour une couche plus fine.
Les FIGS. 3A à 3C représentent différents éléments d'un exemple de composant optoélectronique 30 selon la présente description. Plus précisément, la FIG. 3A représente un exemple de couche réfléchissante avec sa face nanostructurée, sans le matériau diélectrique dopé ; la FIG. 3B représente un exemple de « miroir arrière » 32 comprenant la couche réfléchissante avec sa face nanostructurée et le matériau diélectrique dopé dans les nano- cavités. La FIG. 3C illustre un exemple de composant comprenant outre le miroir arrière, l'ensemble de couches 31 en contact avec la face nano structurée du miroir arrière. A noter que sur ces figures, les contacts électriques ne sont pas représentés.
Plus précisément, comme illustré sur la FIG. 3 A, la couche réfléchissante comprend une première face 320, continue, destinée à former la face arrière du composant optoélectronique. La couche réfléchissante comprend une deuxième face nano structurée sur une épaisseur hg inférieure au micron et formant dans l'exemple de la FIG. 3A un ensemble d'îlots réfléchissants 323 et de nano-cavités 322 entre les îlots réfléchissants. Dans cet exemple, les îlots réfléchissants sont de forme parallélépipédique, de dimensions wx et wy selon chacune des dimensions, et sont agencés de façon périodique, respectivement avec une période px et une période py selon chacune des dimensions. La dimension maximale d'un îlot réfléchissant et la distance maximale entre deux îlots réfléchissants est inférieure au micron. Comme illustré sur la FIG. 3B, les nano-cavités 322 sont remplies d'un matériau diélectrique dopé avec au moins un premier composé optiquement actif adapté pour au moins une première photo-conversion d'une première bande spectrale du flux lumineux incident vers une deuxième bande spectrale. L'ensemble de la face réfléchissante 320 et des nano-cavités 322 remplies du matériau diélectrique dopé forme le miroir arrière 32.
Comme montré sur la FIG. 3C, la face nano structurée du miroir arrière est en contact avec l'ensemble de couches 31 comprenant dans cet exemple une couche de conversion optoélectronique 310, et de part et d'autre de la couche de conversion optoélectronique 310 des couches ou ensembles de couches 309 et 311 adaptées par exemple pour former avec la couche de conversion optoélectronique 310 une jonction p-i-n. Une couche antireflet 308 peut-être déposée sur l'ensemble des couches 311+310+309 formant la jonction p-i-n.
Bien que 4 couches seulement soient représentées dans l'exemple de la FIG. 3C, le composant optoélectronique peut comprendre d'autres couches. Il est par exemple possible d'introduire des couches de contacts dopées de chaque côté de la jonction pour faciliter l'extraction des charges en dehors de la couche de conversion optoélectronique. Il est également envisageable d'introduire des couches se comportant comme des barrières (qui peuvent elles-mêmes comprendre des couches distinctes dont le dopage peut varier) pour un type de charge permettant d'éviter des recombinaisons non-radiatives sur les contacts non représentés sur la FIG. 3C.
La couche de conversion optoélectronique 310 présente une bande spectrale d'absorption définie comme l'ensemble des longueurs d'onde inférieures ou égales à la longueur d'onde de coupure. La bande spectrale d'émission du composé optiquement actif est au moins partiellement comprise dans la bande spectrale d'absorption de la couche de conversion optoélectronique, avantageusement dans la bande spectrale utile.
Selon un ou plusieurs exemples de la présente description, les nano-cavités et les nano structures réfléchissantes sont dimensionnées pour permettre simultanément (i) des mécanismes de piégeage optique dans l'ensemble de couches sur la bande d'absorption de la couche de conversion optoélectronique, et plus précisément sur la bande spectrale utile et (ii) des mécanismes de piégeage optique au sein des nano-cavités qui constituent le siège du mécanisme de photo-conversion. Le couplage entre la lumière incidente ou photo-convertie et la couche de conversion optoélectronique est ainsi amélioré, conduisant à une hausse de l'efficacité du composant optoélectronique.
A noter que par principe de retour inverse de la lumière, la structure se comporte de la même manière suivant que l'on souhaite absorber la lumière, partiellement photo-convertie, dans la couche de conversion optoélectronique (fonctionnement en cellule photovoltaïque ou en détecteur) ou que l'on souhaite émettre de la lumière dans la couche de conversion optoélectronique, puis la renvoyer vers l'espace libre après qu'une partie de cette lumière ait subi une photo-conversion (fonctionnement en LED). Le fonctionnement du composant optoélectronique dans ces différents exemples sera décrit dans la suite de la description, en référence aux FIGS. 6A et 6B.
Selon un ou plusieurs exemples de la présente description, la conception du composant photovoltaïque comprend le choix d'un matériau absorbant pour la couche de conversion optoélectronique 310 de l'ensemble de couches 31, l'épaisseur de l'ensemble de couches, le choix d'au moins un composé optiquement actif capable de réaliser au moins une photoconversion et le dimensionnement de la nano-structuration du miroir arrière 32. Choix du matériau absorbant
Le matériau absorbant pour la couche de conversion optoélectronique est généralement choisi en fonction de l'application visée.
Pour les cellules solaires, on pourra choisir un matériau avec un gap proche de 1.4 eV, pour se placer dans des conditions proches de l'optimum de rendement pour des cellules solaires simple jonction (limite de Shockley Queisser) décrit sur la FIG. 1. Typiquement, l'ensemble des matériaux dont la structure électronique présente des bandes électroniques similaires à une bande de valence et une bande de conduction séparées par une énergie de 0.5 à 2.5 eV peuvent présenter un intérêt (semiconducteurs, pérovskites, matériaux organiques, polymères photo-sensibles). Le composant optoélectronique selon la présente description permet l'absorption de l'énergie de photons qui n'aurait normalement pas été absorbée par la cellule (grâce au mécanisme d'up-conversion) ou dont l'énergie aurait été en partie perdue par thermalisation (grâce au mécanisme de down-conversion par exemple).
Pour les applications de détection, le matériau absorbant est choisi en premier lieu pour sa fiabilité et la maîtrise des procédés de fabrication. Les matériaux III-V sont pressentis comme étant les plus efficaces pour ce type d'application, et ceux dont les techniques de fabrication sont les mieux maîtrisées. Le choix du matériau est rendu plus facile dans un composant optoélectronique selon la présente description car, grâce aux mécanismes de conversion spectrale, on peut s'affranchir de la contrainte de recouvrement entre la bande spectrale d'absorption et la ou les longueurs d'onde d'intérêt qui composent le signal que l'on souhaite détecter.
Pour l'application LED, il est également possible grâce au composant optoélectronique selon la présente description de décorréler le gap du matériau absorbant de la longueur d'onde d'émission du dispositif. Le matériau de la couche de conversion optoélectronique responsable de l'émission de la lumière pourra être choisi pour son coût, sa facilité de fabrication ou d'exploitation. La photo-conversion pourra être choisie pour partiellement modifier le spectre d'émission.
Choix de l 'épaisseur pour l 'ensemble de couches
L'architecture originale du composant optoélectronique selon la présente description, avec un miroir arrière présentant une face nano structurée en contact avec l'ensemble de couches, autorise les phénomènes d'absorption résonante de la lumière simultanément dans la couche de conversion optoélectronique et au niveau des photo-convertisseurs, à des longueurs d'onde distinctes.
Avantageusement, l'ensemble de couches est ultrafm comme décrit ci-dessous. En effet, le caractère ultrafm de l'ensemble de couches présente l'intérêt de former une cavité dans laquelle les photons peuvent effectuer plusieurs aller-retour sans être absorbés et ainsi contribuer à la création de phénomènes d'interférences du champ électromagnétique plus intenses dans la structure. Dans le cas de structures plus épaisses, la propagation des ondes parvenant jusqu'au miroir nanostructuré ou réfléchies sur ce dernier est limitée et les interférences beaucoup moins marquées. En particulier dans le cas des applications de down- shifting, le caractère ultrafm permet qu'une partie des photons possédant une énergie élevée parvienne au miroir nanostructuré. Par « ultrafin » on entend dans la présente description un ensemble de couches suffisamment fin pour que la bande spectrale utile, en énergie de photons, soit comprise entre l'énergie de gap (Eg) et 1,3 fois l'énergie de gap (1,3 Eg).
Ainsi dans les exemples des FIGS 2A et 2B, si l'on fait l'hypothèse que l'épaisseur de l'ensemble de couches peut être assimilée à l'épaisseur de la couche de conversion optoélectronique, on observe que pour une épaisseur de Ιμιη de GaAs (courbe 21) ou de CIGS (courbe 25), la gamme spectrale utile est comprise entre Eg (1.42eV) et 1.23*Eg (1.75eV) pour le GaAs, respectivement Eg (1.16eV) et 1.15*Eg (1.33eV) pour le CIGS, ce qui ne correspond pas au critère de couche ultrafine. A l'inverse, les bornes des gammes spectrales utiles obtenues pour des épaisseurs de 200 nm (courbe 22), 100 nm (courbe 23) et 50 nm (courbe 24) pour le Ga As sont respectivement 1.77*Eg (2.5 leV), 1.95*Eg (2.77eV) et 2.03 *Eg (2.88eV), ce qui est conforme à la définition de couches ultrafines. Les bornes des gammes spectrales utiles obtenues pour des épaisseurs de 300 nm (courbe 26), 200 nm (courbe 27) et 100 nm (courbe 28) sont respectivement 1.66*Eg (1.92eV), 2*Eg (2.32eV) et 2.43*Eg (2.88eV), ce qui est conforme à la définition de couches ultrafines.
Le caractère ultrafin présente par ailleurs un intérêt économique. La diminution des quantités de matériau permet des gains importants en termes de coûts des matières premières, et particulièrement du temps de croissance ou de dépôt des couches semi-conductrices dans le cas d'utilisation de matériaux semi-conducteurs, ce qui contribue à faire diminuer le coût de revient d'un dispositif.
Le caractère ultrafin présente des intérêts à la fois pour le fonctionnement d'une cellule solaire, d'un détecteur ou d'une diode électroluminescente. La diminution des volumes de matériau permet de diminuer le nombre de défauts dans le matériau et donc de limiter le taux de recombinaisons non-radiatives (pertes électroniques) dans le dispositif. La limitation des pertes aux phénomènes radiatifs permet par ailleurs de se rapprocher des conditions idéales de fonctionnement, et de profiter des effets de recyclage de photons dans la structure. Par exemple, dans le cas d'une cellule photovoltaïque, ceci se traduit par une augmentation du voltage aux bornes de la cellule.
En pratique, la « finesse » de l'ensemble de couches est déterminée par l'épaisseur de la couche de conversion optoélectronique, les autres couches éventuelles de l'ensemble de couches absorbant peu ou très peu.
Ainsi, les déposants ont montré qu'en pratique, avec une épaisseur de la couche de conversion optoélectronique généralement inférieure à 700 nm dans le cas d'utilisation d'un matériau de type III-V (GaAs, InP,...), correspondant à un ensemble de couches d'épaisseur généralement inférieur à 800 nm, ou avec une épaisseur de la couche de conversion optoélectronique généralement inférieure à 500 nm dans le cas d'un matériau de type chalconégnure (CIGS,...), correspondant à un ensemble de couches d'épaisseur inférieure à 600 nm, on répondait au critère ultrafm.
Choix du/des matériaux pour la photo-conversion
Le matériau diélectrique dopé qui remplit les nano-cavités comme illustré dans la FIG. 3B contient le/les composé(s) optiquement actif(s) nécessaire(s) pour réaliser au moins une photo-conversion vers une bande spectrale recouvrant au moins partiellement la bande spectrale d'absorption, et plus précisément la bande spectrale utile. La photo-conversion entraîne une augmentation de l'efficacité quantique du dispositif à la longueur d'onde de réémission du matériau dans la bande spectrale d'absorption.
Le mécanisme de photo-conversion est sensiblement amélioré par l'augmentation de l'intensité lumineuse due aux interférences constructives dans les nano-cavités aux longueurs d'onde d'intérêt pour la photo-conversion.
Il est possible de choisir pour un matériau diélectrique dopé plusieurs composés optiquement actifs responsables d'au moins une photo-conversion chacun pour augmenter l'efficacité globale du dispositif. Le système fait alors appel à des photo-convertisseurs intermédiaires qui permettent de convertir une partie des photons parvenant sur le miroir arrière pour qu'ils soient mieux absorbés par un autre photo-convertisseur qui les convertit à son tour en des photons dont l'énergie est dans la bande spectrale utile du composant optoélectronique. Il est également envisageable de combiner un mécanisme d'up-conversion avec un mécanisme de down-conversion, ces mécanismes bénéficiant potentiellement chacun d'une résonance optique à une longueur d'onde de fonctionnement distincte.
A titre d'exemple, des composants optiquement actifs qui peuvent être utilisés dans un composant optoélectronique selon la présente description comprennent des terres rares comme les éléments de la famille des Lanthanides (Er, Eu, Yb, Nd...), dont les transitions entre niveaux électroniques des électrons de la couche électronique f sont responsables de phénomènes de luminescence efficaces, des particules semi-conductrices, ou des molécules luminescentes comme la protéine fluorescente verte (GFP).
Plus précisément, pour des applications photovoltaïques utilisant des phénomènes d'up- conversion, on pourra choisir selon un ou plusieurs exemples de réalisation, un ensemble de composés optiquement actifs permettant de ramener des photons de trop faible énergie vers des photons de plus hautes énergies, si possible proches du gap du matériau. Par exemple, on pourra utiliser des ions Er (Erbium) pour convertir des photons de longueur d'onde proche de 2.7 μηι, 1.5 μηι, 980 nm, 805 nm vers des longueurs d'onde proches de 805 nm, 670 nm, 550 nm, 530 nm, et 410 nm, ces dernières étant généralement comprises dans la bande spectrale d'absorption désirée. On pourra réaliser un co-dopage Er/Yb (Erbium/Ytterbium), les ions Yb pouvant servir de sensibilisateur en absorbant des photons à 978 nm ou 1064 nm puis en transférant les électrons photo-générés aux hauts niveaux d'énergie des ions Er. La désexcitation des électrons en passant d'une couche électronique de haute énergie à une couche électronique de basse énergie de l'Er conduit à l'émission de photons autour de 670 nm, 550 nm et 530 nm. Ces longueurs d'onde sont généralement celles où la réponse spectrale des cellules (EQE) est la meilleure.
Pour des applications photovoltaïques utilisant des phénomènes de down-shifting ou de down-conversion, on pourra par exemple utiliser de manière similaire des ions Eu (Europium), avec une forte absorption entre 300 et 350 nm et une réémission autour de 610 nm.
Pour l'application détecteur, on pourra par exemple choisir de convertir les photons d'un signal constitué de différentes longueurs d'onde (spectre d'émission d'une molécule) vers la bande spectrale d'absorption d'un matériau choisi parmi ceux qui sont les plus faciles à fabriquer, en s 'affranchissant potentiellement de problème de bruit sur le signal dû à l'absorption parasite d'autres plages de longueurs d'onde (ce qui pourrait avoir lieu dans un matériau à petit gap pour les applications infrarouge).
Pour l'application LED, des phosphores utilisés comme composés optiquement actifs peuvent par exemple permettre de réémettre des photons émis à très courte longueur d'onde dans la couche de conversion optoélectronique vers le visible. Motifs et dimensionnement des nano-structurations
Les mécanismes d'interférences et de résonances qui permettent de placer des maxima d'intensité lumineuse à proximité de la couche de conversion optoélectronique dépendent de la géométrie du miroir nanostructuré, principalement de la distance entre les nanostructures, de leur taille et de leur arrangement. On dimensionnera le miroir pour utiliser, en particulier, le couplage à des modes guidés par diffraction dans le cas d'un miroir périodique, ou les propriétés de diffusion des nanostructures et la réflexion totale interne de la lumière diffusée aux grands angles dans le cas d'un miroir constitué d'un arrangement apériodique de nanostructures.
Nano-structurations agencées de façon périodique ou pseudopériodique Dans le cas de nano structures périodiques ou pseudopériodiques, les îlots ou nano- cavités diffractent la lumière transmise après un simple passage dans des directions bien déterminées (phénomène de diffraction par un réseau).
Si la période est plus petite que la longueur d'onde de la lumière incidente, les photons diffractés sont totalement réfléchis sur la face avant de l'ensemble de couches par réflexion totale interne, ils sont ainsi piégés et guidés dans la couche. Dans le cas de couches ultrafines, on parle préférentiellement de couplage à des modes guidés plutôt que d'onde guidée par réflexion totale interne. Un phénomène d'absorption totale de la lumière incidente peut être obtenu en optimisant la géométrie et la dimension des nano-structurations à l'aide d'un calcul électromagnétique exact basé par exemple sur une méthode FDTD ou RCWA (voir S. Collin, « Nanostructure arrays in free-space: optical properties and applications », Reports on Progress in Physics, 77, 126402, 2014). Cette optimisation permet de régler finement l'efficacité de diffraction de la structure périodique, autrement dit le couplage entre l'onde incidente et les modes guidées dans l'ensemble de couches.
Si la période est plus grande que la longueur d'onde de la lumière incidente, la réflexion des ondes diffractées sur la face avant n'est pas nécessairement totale, mais elle permet également d'allonger le chemin optique et donc l'absorption de la lumière dans la couche de conversion optoélectronique.
Avantageusement, on choisira la période inférieure à une borne inférieure u de la bande spectrale utile (en longueur d'onde), avantageusement le plus proche possible de cette borne inférieure, ce qui a pour effet d'empêcher les pertes par diffraction dans l'espace libre pour des longueurs d'onde plus grandes que la période du réseau, et pour un flux à incidence normal, tout en permettant les résonances par couplage à des modes guidés dans l'ensemble de couches.
De manière générale, les déposants ont ainsi montré que les distances entre les nano structures qui conduisent aux meilleures performances sont inférieures au micron, typiquement entre 400 et 800 nm dans le cas où l'absorbeur est du GaAs, typiquement entre 500 et 900 nm dans le cas où l'absorbeur est un chalcogénure (CIGS) et typiquement entre 600 et 1000 nm dans le cas où l'absorbeur serait du Si.
En utilisant plusieurs nano-structurations par période, il est par ailleurs possible d'améliorer le couplage à des modes guidés en augmentant le nombre de degrés de liberté disponible pour l'optimisation de la réponse optique. En brisant certains plans de symétrie à l'aide de structure ayant la forme d'un L, par exemple, il est possible de lever la dégénérescence de certains modes résonants et ainsi d'augmenter le nombre de résonances permettant une absorption exaltée.
De façon générale, les déposants ont montré que les dimensions maximales des ilôts réfléchissants ou des nano-cavités peuvent être comprises entre la moitié de la période, et les deux tiers de la période, correspondant à un ratio compris entre 0.5 et 0.66. Ce ratio permet d'optimiser l'effet de diffraction du réseau dans l'ensemble de couches, et ainsi la formation et l'excitation de résonances par couplage à des modes guidés dans l'ensemble de couches.
Des exemples de structures périodiques sont donnés sur les FIGS. 4A, 4B, 4C, 4D, 4E.
Plus précisément, la FIG. 4A représente un réseau de nano structures 423 sensiblement carrées disposées périodiquement suivant deux dimensions orthogonales dans le plan horizontal. Les nano structures 423 forment la face nano structurée de la couche réfléchissante 420 destinée à former la face arrière des cellules solaires. Les périodes px et py sont sensiblement les mêmes suivants les deux dimensions et les nano structures ont une largeur wx et une longueur wy égales à une demi-période. Les nano-cavités formées entre ces nano structures sont remplies du matériau optiquement actif 422 sur toute leur hauteur hg. La figure 4 A peut être considérée comme la représentation d'un cas particulier de structure telle que décrite dans la FIG. 3C.
La figure 4B représente le cas particulier d'une nanogrille constituée du matériau réfléchissant dans laquelle des nano-cavités 424 de coupe sensiblement carrée ont été disposées périodiquement suivant deux dimensions orthogonales dans le plan horizontal. Ces nano-cavités sont remplies du matériau optiquement actif sur toute la hauteur hg de la nanogrille en contact avec la couche réfléchissante 420. On peut dire que la FIG. 4B constitue un schéma de nano-structuration complémentaire à celui de la FIG. 4A.
Les nano structures 423 ne sont pas nécessairement carrées, comme cela est montré sur les FIGS. 4C et 4E. La FIG. 4E décrit par exemple le cas de nano structures 423 parallélépipédiques rectangles disposés dans un réseau périodique suivant deux dimensions orthogonales du plan horizontal. Les périodes px et py et les facteurs de remplissage wx et wy sont distincts suivant les deux directions x et y. La FIG. 4C montre un exemple de nano- structuration non parallélépipédique, les nano structures 423 étant disposées suivant une période carrée (px=py) et ayant une coupe horizontale formant un L, avec un axe de symétrie correspondant à la diagonale d'un motif. Cette forme de nanostructure offre la possibilité de recourir à un plus grand nombre de cavités distinctes entre les nano structures.
La coupe horizontale des nano structures n'est pas nécessairement identique sur toute la hauteur hg de la nano-structuration. La FIG. 4D décrit une situation où les nano structures sont des pyramides 426. Dans le cas décrit, les pyramides sont à base triangulaire, les périodes px et py formant deux côtés de la base et hg leur hauteur. Les espaces compris entre les nano- pyramides et une éventuelle couche supérieure forment des nano-cavités qui sont remplies du matériau actif 427. Dans le cas où les périodes suivant les deux dimensions sont égales (px=py), les nano structures sont symétriques avec un axe de symétrie correspondant à la diagonale du motif (plan à 45° entre les deux axes x et y).
Les nano structures symétriques suivant deux axes perpendiculaires se comporteront de la même manière suivant la polarisation de la lumière incidente. Cette indépendance peut être recherchée pour des applications photovoltaïques puisque le flux lumineux solaire n'est pas polarisé. Dans ce cas, les structures symétriques ont plus de chances d'absorber un maximum d'énergie suivant les deux directions de polarisation.
Les structures pseudopériodiques consistent à décaler les nano structures de quelques nanomètres voire quelques dizaines de nanomètres par rapport à la position exacte qu'elles occuperaient dans un réseau parfaitement périodique. La distance entre les nano structures est alors en moyenne celle du réseau parfaitement périodique, le décalage pouvant varier autour de zéro selon une loi de probabilité symétrique, par exemple une loi de probabilité gaussienne, par exemple avec un écart type de l'ordre d'une dizaine de nanomètres ou quelques dizaines de nanomètres.
Cette structure a l'avantage de conserver les propriétés propres aux structures périodiques tout en introduisant une brisure de périodicité permettant le couplage de la lumière dans des modes antisymétriques ou d'autres modes que des modes guidés.
Un exemple de structure pseudopériodique est présenté en FIG. 4F.
La figure 4F présente en effet des nano structures 423 de coupe horizontale circulaire séparées par une matrice de matériau actif 422 et disposées sur la couche réfléchissante 420 de telle sorte que les distances moyennes entre les centres des nano structures correspondent bien à des périodes px et py suivant deux directions orthogonales du plan horizontal. Chaque nanostructure est en fait simplement décalée d'un vecteur dx et dy par rapport à la position qu'elle devrait avoir dans un réseau parfaitement périodique dessiné en pointillés. Ce type de structure peut permettre une augmentation de l'absorption de certaines résonances à l'intérieur du dispositif final.
Quelle que soit la géométrie des nanostructures, l'épaisseur hg des nano structures joue également un rôle dans l'efficacité de diffraction du réseau. Si hg est trop faible, l'intensité portée par les ondes réfléchies par le miroir nanostructuré sera faible et la figure d'interférences présentera des résonances de faible intensité. La répartition du champ électromagnétique dans la structure n'est alors pas optimisée. A l'inverse, une épaisseur hg élevée peut faire augmenter les pertes électromagnétiques par absorption dans la couche réfléchissante, notamment lorsque cette dernière est constituée de métal.
L'épaisseur de la nano structuration peut être comprise selon un ou plusieurs exemples de réalisation entre λα /(4 ¾) et λα 1(2 ¾), et/ou entre λ« /(4 ¾) et e 1(2 ¾) où ¾ est l'indice de réfraction du matériau diélectrique, et λα (respectivement λβ) est la plus grande longueur d'onde d'absorption (respectivement d'émission) du composé optiquement actif.
Ainsi, typiquement, l'épaisseur la plus efficace dans le cas de cellules en GaAs avec un miroir arrière constitué d'une couche réfléchissante en Ag et d'un matériau actif à base de ΤΊ02 est comprise entre 80 nm et 150 nm.
Quel que soit la géométrie d'agencement des nanostructures, les nano-cavités remplies du matériau diélectrique dopé pour la photo conversion pourront également être elles-mêmes le siège de résonances localisées. Une résonance de cavité sera typiquement obtenue pour des dimensions de l'ordre de a/2na ou J2nà (résonance de type Fabry-Perot), où ¾ est l'indice de réfraction du matériau diélectrique, et λα (respectivement λβ) est la plus grande longueur d'onde d'absorption (respectivement d'émission) du composé optiquement actif. Mais la forme de la cavité et l'utilisation de métaux (plasmons de surface) permettent de modifier les conditions de résonances et de diminuer la taille de la cavité par rapport à la longueur d'onde λα (respectivement λβ). Ces résonances peuvent être calculées précisément à l'aide d'un code de modélisation électromagnétique exact afin d'optimiser les longueurs d'onde de résonance et de renforcer les mécanismes de photo conversion.
A noter quand dans le cas des FIGS 3C ou 4 A par exemple, on pourra définir les dimensions des nano-cavités par px - wx, py - wy.
Une fois déterminées grossièrement l'épaisseur hg, la distance moyenne entre les nanostructures et la taille des nano cavités en utilisant les principes évoqués précédemment, les paramètres géométriques de la structure sont optimisés à l'aide d'un calcul exact de l'intensité du champ électromagnétique dans la structure. Ceci requiert un logiciel de modélisation du champ électromagnétique ou de résolution des équations de Maxwell dans des structures multicouches à l'échelle nanométrique. Les codes basés sur les méthodes FDTD (Finite Différence Time Domain - méthode de calcul de différences finies dans le domaine temporel), ou RCWA (Rigorous coupled-wave analysis - méthode de calcul des modes optiques des différentes couches puis propagation des champs par application des conditions de continuité aux interfaces) sont les plus couramment utilisés. Une étude paramétrique autour des valeurs déterminées à l'aide des modèles précédemment décrits permet d'obtenir les paramètres géométriques optimaux pour la structure, ainsi que la réalisation d'études de sensibilité et de tolérances.
Les FIGS. 5 A et 5B montrent des courbes numériques illustrant l'absorption calculée dans différentes régions du composant respectivement dans un exemple de composant optoélectronique selon la présente description avec des composés optiquement actifs adaptés pour l'up-conversion (FIG. 5A) et avec des composés actifs adaptés pour la down-conversion (FIG. 5B).
Les spectres d'absorption des FIGS. 5A et 5B ont été obtenus en utilisant RETICOLO, un code RCWA fonctionnant sur une plateforme de calcul Matlab, développé par l'équipe de P. Lalanne à l'Institut d'Optique (« Reticolo software for grating analysis » - JP Hugonin, P Lalanne - Institut d'Optique, Orsay, France, 2005).
Pour ces deux exemples, on suppose un composant optoélectronique du type de la FIG. 3C, et dans le cas d'une application à un composant photovoltaïque conversion optoélectronique. L'ensemble de couches comprend une couche de conversion optoélectronique 310 en GaAs de 120 nm d'épaisseur, et, de part et d'autre de la couche de conversion optoélectronique, des couches barrière (309, 311) de 25 nm d'épaisseur en AlGaAs (modélisé par un indice réel n = 3,3). L'ensemble de couches comprend également une couche 308 en SiNx formant un antireflet (modélisé par un indice réel n = 2). La couche réfléchissante 32 est en argent et comprend sur la face nano structurée des îlots réfléchissants de forme parallélépipédique avec une section carrée de 300 nm de côté, agencés périodiquement selon deux directions avec une période de 600 nm dans chaque direction.
Dans l'exemple de la FIG. 5A (cas de l'up-conversion), on s'intéresse essentiellement aux longueurs d'onde pour lesquelles le GaAs n'absorbe pas et on cherche à comparer l'absorption dans le métal vs l'absorption dans le matériau diélectrique dopé. Le matériau diélectrique dopé est décrit comme un matériau possédant un indice optique proche de celui du Ti02 cristallin avec un composé photo-actif modélisé par un oscillateur de Drude-Lorentz centré à 1.5μιη (longueur d'onde d'intérêt correspondant à l'absorption des atomes d'Erbium décrits comme up-convertisseurs dans la littérature). Le calcul est effectué à l'aide du logiciel RETICOLO décrit précédemment. La courbe 51 représente l'absorption totale par le miroir arrière et peut être décomposée en une courbe 52 qui représente la partie absorbée par le matériau diélectrique dopé et une courbe 53 qui représente la partie absorbée par les nano structures métalliques. On peut observer que le matériau diélectrique dopé n'absorbe pas aux courtes longueurs d'onde (courbe 52 tend vers 0) tandis que les courbes 51 et 53 sont confondues. Par contre, le matériau diélectrique dopé absorbe une portion significative de la lumière incidente sur le dispositif pour les longueurs d'onde supérieures à 1 μιη.
On observe par ailleurs aux courtes longueurs d'onde jusque 700 nm des valeurs très faibles d'absorption dans le miroir arrière nano structuré, ce qui traduit la bonne absorption du composant photovoltaïque au niveau de la couche de conversion optoélectronique. De 700 à 900 nm, les creux que l'on peut observer correspondent à des résonances d'absorption dans la couche de conversion optoélectronique générées par la nano-structuration. Sans le miroir nanostructuré, ces résonances n'apparaissent pas.
Simultanément à ces résonances d'absorption dans la couche de conversion optoélectronique, le spectre d'absorption dans le matériau diélectrique dopé présente une résonance à la longueur d'onde d'intérêt pour l'up-conversion de 1.5 μιη. L'absorption a pratiquement lieu uniquement dans le matériau diélectrique (courbe 52) avec des pertes limitées dans le métal (courbe 53). Cette résonance indique une amélioration de l'absorption de la lumière par des particules up-convertrices modélisées par un oscillateur de Lorentz, et donc une amélioration du processus de photo-conversion.
Dans l'exemple de la FIG. 5B (down-conversion), c'est le matériau de conversion optoélectronique qui limite principalement l'absorption dans les particules down-convertrices et on s'intéresse aux pertes en absorption pour les mécanismes de down-conversion. Le matériau diélectrique dopé est décrit comme un matériau possédant un indice optique proche de celui du Ti02 cristallin avec un composé photo-actif modélisé par un oscillateur de Drude- Lorentz centré à 480 nm (longueur d'onde d'intérêt correspondant à l'absorption des atomes d'Europium décrits comme down-convertisseurs dans la littérature). La courbe 54 représente l'absorption totale par le composant photovoltaïque et se décompose en une courbe 55 décrivant l'absorption dans le GaAs et une courbe 56 décrivant l'absorption dans le matériau diélectrique dopé.
On observe que la présence du miroir arrière nanostructuré engendre deux phénomènes. Tout d'abord une augmentation de l'absorption dans la couche de conversion optoélectronique en GaAs qui se traduit par les pics de résonance visibles pour des longueurs d'onde comprises entre 700 nm et 900 nm ; Ensuite la présence d'un pic d'absorption du matériau down-convertisseur à 480 nm. Les photons arrivant à cette longueur d'onde sur le composant photo volatïque et parvenant en face arrière nano structurée du dispositif pourront être convertis puis absorbés dans la couche de conversion optoélectronique à des longueurs d'onde proche du gap du semi-conducteur utilisé (ici, GaAs avec un gap à 870 nm). Notons que plus l'ensemble de couches comprenant la couche de conversion optoélectronique est fin, plus le nombre de photons disponibles pour la photo conversion est important.
Bien entendu, et comme expliqué précédemment, une optimisation des paramètres pour obtenir une absorption optimisée dans les différentes régions du composant peut être faite en fonction de l'application recherchée, pour différents matériaux absorbants et avec différents composés optiquement actifs de la couche en matériau diélectrique dopé.
Nano-structurations agencées de façon apériodique
Dans le cas de structures non périodiques, les îlots ou nano-cavités diffusent la lumière transmise après un simple passage dans l'ensemble de couches dans toutes les directions (voir E. Yablonovitch, Statistical ray optics, J. Opt. Soc. Am, 72, 899-907, 1982 ; M. A. Green, « Lambertian light trapping in textured solar cells and light-emitting diodes: analytical solutions », Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 10, 235-241, 2002). De manière similaire au cas des structures périodiques, une partie de ces ondes sera réfléchie sur la face avant et ainsi guidée dans l'ensemble de couches, permettant une exaltation de l'absorption dans la couche de conversion optoélectronique. La géométrie et la dimension des nano structures du miroir arrière permettent d'optimiser la diffusion de la lumière, par exemple pour obtenir une diffusion lambertienne.
Les déposants ont montré que les dimensions maximales des nanostructures, ilôts ou nano-cavités seront avantageusement choisies inférieures à u/2ne, où u est la borne inférieure de la bande utile, mesurée en longueur d'onde et ne est l'indice moyen de l'empilement de couches. Avantageusement, l'épaisseur hg des nanostructures sera choisie de dimension similaire à la dimension des nanostructures.
Les FIGS. 6 A et 6B illustrent schématiquement et de façon fonctionnelle respectivement un composant optoélectronique de type composant photovoltaïque et un composant optoélectronique de type DEL selon la présente description.
Dans la FIG. 6A, le composant photovoltaïque 60 comprend un premier contact électrique 61 pour la collection des électrons 601, un absorbeur 63 correspondant à l'ensemble de couches comprenant la couche de conversion optoélectronique selon la présente description, un deuxième contact électrique 62 pour la collection des trous 602 et un miroir arrière 64 conforme à la présente description, en contact avec l'absorbeur 63. L'absorption d'un photon dans la couche de conversion optoélectronique de l'absorbeur 63 entraine la génération d'une paire électron-trou. L'électron peut alors être collecté par le premier contact électrique 61 tandis que le trou peut être collecté par le deuxième contact électrique 62 entraînant la séparation de ces charges et la création d'un potentiel aux bornes du dispositif 60. Lorsqu'un circuit électrique est branché aux bornes du dispositif 60, la différence de potentiel entraine l'apparition d'un flux de charges, en particulier d'un flux d'électrons F, entre les deux contacts 61 et 62. Quand il est éclairé, le composant photovoltaïque 60 se comporte alors comme un générateur de courant continu I, capable d'alimenter une charge électrique 65.
Plus précisément dans l'exemple de la FIG. 6A conforme à la présente description, un flux lumineux Li entre dans le composant photovoltaïque par la face avant ou face de réception du flux lumineux. Une partie L2 du flux incident Li n'est pas absorbé lors du premier passage de la lumière à travers l'absorbeur 63, arrive jusqu'à sa face arrière et peut interagir avec le miroir arrière nanostructuré 64. Les photons du flux L2 sont réfléchis ou convertis grâce au matériau diélectrique dopé contenu dans les nano-cavités pour former un flux de photons L3. Les photons du flux de photons L3 capables d'être absorbés par la couche de conversion optoélectronique sont piégés grâce aux résonances créées entre le miroir arrière et l'absorbeur (64+63) ; ainsi, leur absorption par le dispositif se trouve augmentée.
Dans le cas de l'up-conversion, les photons peu énergétiques du flux L2 peuvent notamment subir au moins une photo-conversion améliorée par la nano-structuration du miroir 64 et les photons issus de cette conversion former le flux de photons L3 dont les photons peuvent être absorbés dans la couche de conversion optoélectronique et participer au courant photo-généré. Dans le cas de la down-conversion, les photons très énergétiques du flux de photons L2 peuvent subir au moins une photo-conversion améliorée par la nano- structuration du miroir arrière 64 et les photons issus de cette conversion former le flux de photons L3 dont les photons peuvent être absorbés dans la couche de conversion optoélectronique avec des pertes par thermalisation moins importantes dans le dispositif, contribuant à un rendement de conversion plus élevé.
La FIG. 6B illustre le principe d'une diode électroluminescente 61 , fonctionnant de manière symétriquement opposée au composant photovoltaïque illustré sur la FIG. 6A. Cette fois, des électrons 601 créés par un générateur de courant extérieur 66 débitant un courant I et créant un flux d'électrons F sont injectés à l'intérieur du composant 61 comprenant comme dans l'exemple précédent, un premier contact électrique 61 pour la collection des électrons 601 , un deuxième contact électrique 62 pour la collection des trous 602, un absorbeur 63 formé selon la présente description d'un ensemble de couches comprenant au moins une couche de conversion optoélectronique, et un miroir arrière nanostructuré 64 conforme à la présente description. L'injection des charges (électrons 601 à travers le premier contact électrique 61 et trous 602 à travers le deuxième contact électrique 62) entraine de nombreuses recombinaisons radiatives à l'intérieur de l'absorbeur 63, la recombinaison d'un électron avec un trou se traduisant par l'émission d'un photon dont l'énergie est proportionnelle à la différence de potentiel entre les deux contacts. Les photons sont émis dans toutes les directions. Au moins une partie des photons émis vers le miroir arrière nanostructuré forment un flux lumineux L4. Ces photons peuvent alors interagir avec le matériau actif dans une configuration optimisée pour maximiser les processus de photo-conversion. Une partie des photons issus de cette photo-conversion sont réfléchis par le miroir arrière nanostructuré 64 et forment un flux lumineux L5, dont une partie L6 n'est pas absorbée par l'absorbeur 64 et sort du composant 61. En particulier, si des photons très énergétiques sont émis dans l'absorbeur, ils pourront être convertis en photons moins énergétiques, dont une partie pourra sortir du composant 61 et se propager dans l'espace libre.
Ainsi dans une diode électroluminescente selon la présente description, le composé optiquement actif du matériau diélectrique dopé permet la photo-conversion des photons émis avec l'énergie du gap du matériau formant la couche de conversion optoélectronique à d'autres énergies et donc à d'autres longueurs d'onde.
Les FIGS. 7A à 7E représentent des schémas illustrant des étapes d'un exemple de procédé de fabrication d'un composant optoélectronique selon la présente description.
Dans une première étape (FIG. 7A), l'ensemble de couches 71 comprenant la couche de conversion optoélectronique 710 et dans cet exemple deux couches 709 et 711 pouvant elles- mêmes être constituées de plusieurs couches, est déposé sur un substrat initial 701 et éventuellement séparé de ce substrat par une couche ou un ensemble de couches 702 dite couche de séparation. Dans le cas de la formation d'une simple jonction, les couches 709, 711 regroupent par exemple des couches barrières pour les charges, des couches de collection (ou d'injection) de charges ou des couches dopées pour une amélioration du contact électrique.
Dans cet exemple, un ou plusieurs contacts 73 sont pris sur la face supérieure de l'ensemble de couches 71, ces contacts pouvant contenir plusieurs sous-ensembles comprenant par exemple une couche en semi-conducteur très dopé pour réaliser un contact ohmique avec l'ensemble de couches. Alternativement, il peut s'agir d'un contact Schottky.
Dans une deuxième étape (FIG. 7B), on dépose le matériau diélectrique dopé sous forme d'une couche nano structurée à l'endroit des nano-cavités recherchées pour le composant final. Le dépôt de la couche en matériau diélectrique dopé est réalisé par exemple par nano-impression. Par exemple, le matériau diélectrique est un sol-gel, par exemple un sol gel de Ti02, dopé avec des photo-convertisseurs, par exemple des lanthanides Eu ou Er ou co-dopé avec des ions de la même famille. Le sol-gel est déposé dans cet exemple sous forme liquide sur l'ensemble de couche 71 par spin-coating. Immédiatement après le dépôt, un moule flexible de nano-impression 80 est appliqué à la surface du dispositif pour embosser la couche de matériau diélectrique dopé. Selon un exemple de réalisation, le moule 80 comprend une première couche 81 relativement fine (quelques microns), fabriquée dans un matériau dur, par exemple en PDMS (poly(diméthylsiloxane)) dur pour assurer une grande conformité des motifs nano structurés transférés lors de l'embossage ainsi qu'une bonne réplicabilité. La seconde couche 82 est une couche en matériau flexible, par exemple en PDMS flexible 750, qui permet une manipulation facile du moule de nano-impression dans son ensemble. Ainsi se trouvent formées les nano-cavités 722, la forme des nano-cavités étant complémentaire du motif défini par le moule après son retrait illustré en FIG. 7B.
Dans le cas où des contacts 73 sont déposés à la surface de l'ensemble de couches 71 , leur présence n'est pas gênante pour la nano-impression car la distance qui sépare des contacts est généralement grande devant les dimensions typiques relatives à la nano- structuration. De manière générale, il existe à la fin de l'étape de nano-impression une couche résiduelle de matériau actif 730 qui peut potentiellement être retirée pour autoriser un contact direct de la couche réfléchissante arrière avec l'ensemble de couches 71. En l'absence de contact 73, ce retrait permet d'utiliser la couche réfléchissante comme contact arrière du dispositif.
L'étape de nano-structuration est suivie par le dépôt d'une couche réfléchissante 720 (FIG. 7C). En pratique, on peut réaliser cette couche en déposant un premier métal, par exemple de l'argent, puis une couche de protection, par exemple du chrome, permettant la protection de l'argent et évitant son oxydation. Le dépôt est réalisé par exemple par évaporation, le porte-substrat étant en rotation, et formant un angle par rapport à la direction de la source métallique utilisée, par exemple d'environ 60°, pour permettre un remplissage optimal des nano structures délimitées par les nano-cavités 722. Selon un exemple de réalisation, une couche d'adhésion 703 est déposée sur la couche réfléchissante 720 ainsi formée pour transférer l'ensemble du système avec sa couche réfléchissante sur un substrat hôte 704. Ce substrat permet de manipuler l'ensemble des couches avec son miroir arrière plus facilement pour les étapes de fabrication suivante et dans l'utilisation du dispositif final.
Le substrat initial 701 sur lequel l'ensemble de couches 71 avait été fabriqué est ensuite retiré (FIG. 7D), éventuellement à l'aide de la couche de séparation 702. Cette étape rend la surface avant de l'ensemble de couches 71 libre pour la finalisation du dispositif illustrée en FIG. 7E. Dans cette étape, un ou plusieurs contacts électriques avant 74 sont déposés pour pouvoir collecter ou injecter un type de charge sur la face avant du dispositif, tandis que le contact électrique 73 remplit cette fonction pour la face arrière. Dans le cas où la face nano structurée de la couche réfléchissante 720 est directement en contact avec l'ensemble de couches 71, la face nano structurée peut servir de contact arrière.
Bien entendu, de nombreuses variantes sont possibles pour le procédé précédemment décrit.
Par exemple, l'étape de nano-structuration décrit sur la FIG. 7B peut être remplacée par un procédé de lithographie électronique. Une résine électro sensible est alors insolée dans un masque électronique pour définir la nano-structuration. Cette étape est suivie de développement de la résine électro sensible puis du dépôt du matériau optiquement actif avant une étape de lift-off pour le retirer aux endroits où l'on souhaite disposer les nano structures. La même étape de nano-structuration peut faire intervenir une technique de lithographie holographique. Dans ce cas, on pourra choisir une résine photosensible qui constitue le matériau optiquement actif lui-même. Le dépôt de la couche réfléchissante pourrait alors suivre directement l'étape de développement de cette résine.
Bien que décrite à travers un certain nombre d'exemples de réalisation, le composant optoélectronique et le procédé de fabrication de ce composant comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention telle que définie par les revendications qui suivent.

Claims

REVENDICATIONS
1. Composant optoélectronique (30, 70) présentant une face avant (35, 75), et comprenant :
- un ensemble de couches en contact (31, 71) dont au moins une couche de conversion optoélectronique (310, 710) formée d'un matériau absorbant de gap donné;
- au moins un premier et un deuxième contacts électriques (73, 74) adaptés à la collection ou l'injection de charges dans la couche de conversion optoélectronique; et
- une couche réfléchissante (32, 72) avec une première face formant une face arrière (36, 76) du composant, opposée à la face avant; et dans lequel : la couche réfléchissante présente une deuxième face en contact avec ledit ensemble de couches (31), nano structurée sur une épaisseur (hg) inférieure au micron pour former un ensemble d'îlots réfléchissants (323) et de nano-cavités (322) entre les îlots réfléchissants, la dimension maximale d'une nano-cavité ou d'un îlot réfléchissant et la distance maximale entre deux nano-cavités ou deux îlots réfléchissants étant inférieure au micron; lesdites nano-cavités sont remplies d'un matériau diélectrique dopé avec au moins un premier composé optiquement actif adapté pour au moins une première photo-conversion d'une première bande spectrale vers une deuxième bande spectrale, la deuxième bande spectrale étant au moins partiellement comprise dans la bande spectrale d'absorption de la couche de conversion optoélectronique.
2. Composant optoélectronique selon la revendication 1, dans lequel ledit ensemble de couches est ultrafïn, c'est-à-dire d'épaisseur inférieure ou égale à une épaisseur permettant d'obtenir une bande spectrale utile comprise entre 1 et 1,3 fois le gap, la bande spectrale utile étant définie par l'ensemble des énergies de photons pour lesquelles l'absorption à travers l'ensemble de couches, en simple passage et à incidence normale, est inférieure ou égale à 90%.
3. Composant optoélectronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une partie de l'ensemble de couches forme une simple jonction.
4. Composant optoélectronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau diélectrique dopé permet au moins une photo-conversion d'une première bande spectrale présentant une première fréquence centrale vers une deuxième bande spectrale présentant une deuxième fréquence centrale inférieure à celle de la première fréquence centrale.
5. Composant optoélectronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau diélectrique dopé permet au moins une photo-conversion d'une première bande spectrale présentant une première fréquence centrale vers une deuxième bande spectrale présentant une deuxième fréquence centrale supérieure à celle de la première fréquence centrale.
6. Composant optoélectronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la deuxième face nano structurée comprend des îlots réfléchissants agencés de façon périodique ou pseudopériodique selon deux dimensions, les nano cavités étant formées entre les îlots réfléchissants, ou des nano-cavités agencées de façon périodique ou pseudopériodique selon deux dimensions, les îlots réfléchissants étant formés entre les nano-cavités.
7. Composant optoélectronique selon la revendication 6, dans lequel la période est identique selon chacune des directions.
8. Composant optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, dans lequel la période est inférieure à la borne inférieure ( u) de la bande spectrale utile.
9. Composant optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel la dimension maximale des îlots réfléchissants ou la dimension maximale des nano-cavités est comprise entre la moitié et les deux tiers de la période.
10. Composant optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la deuxième face nano structurée comprend des îlots réfléchissants agencés de façon apériodique selon deux dimensions, les nano cavités étant formées entre les îlots réfléchissants, ou des nano-cavités agencées de façon apériodique selon deux dimensions, les îlots réfléchissants étant formés entre les nano-cavités.
11. Composant optoélectronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les îlots réfléchissants sont formés en matériau métallique.
12. Composant optoélectronique selon l'une quelconque des revendications précédentes formant un composant photovoltaïque, dans lequel :
- la face avant (35) est une face de réception d'un flux solaire incident ;
- la bande spectrale d'absorption est comprise dans le spectre solaire ; - les premier et deuxième contacts électriques (73, 74) sont adaptés à la collection des charges de telle sorte qu'en fonctionnement, le flux lumineux solaire incident sur la face de réception du composant photovoltaïque est converti en un courant électrique entre les premier et deuxième contacts électriques.
13. Composant optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 formant un détecteur adapté à la détection dans une ou plusieurs bandes spectrales de détection, dans lequel :
- la face avant (35) est une face de réception d'un flux lumineux incident ;
- le matériau diélectrique dopé est adapté pour effectuer une photo-conversion depuis les bandes spectrales de détection du détecteur vers des longueurs d'onde de la bande d'absorption de la couche de conversion optoélectronique;
- les premier et deuxième contacts électriques (73, 74) sont adaptés à la collection des charges de telle sorte qu'en fonctionnement, le flux lumineux incident sur la face de réception du détecteur est converti en un courant électrique entre les premier et deuxième contacts électriques.
14. Composant optoélectronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 formant une diode électroluminescente, dans lequel :
- la face avant (35) est une face d'émission ;
- les premier et deuxième contacts électriques (73, 74) sont adaptés à l'injection de charges de telle sorte qu'en fonctionnement, un courant électrique appliqué entre les premier et deuxième contacts électriques est converti en un flux lumineux émis par la face avant de la diode électroluminescente.
15. Procédé de fabrication d'un composant optoélectronique selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant : le dépôt de l'ensemble de couches (71) sur un substrat initial (701) ; le dépôt du matériau diélectrique dopé sous forme d'une couche nano structurée (722) à l'endroit des nano-cavités recherchées pour le composant optoélectronique final ; le dépôt d'une couche réfléchissante (720); le retrait du substrat initial (701) pour dégager la face avant et le dépôt d'un ou plusieurs contacts (74) en contact avec l'ensemble de couches pour former les contacts électriques avant.
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