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Article

1 - GUIDE D’ONDE

2 - MATÉRIAUX FLUOROPHORES

3 - MATRICES D’INSERTION

4 - GLISSEMENT SPECTRAL POUR LE PHOTOVOLTAÏQUE

5 - AUTRES APPLICATIONS

6 - CONCLUSION

7 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : K741 v1

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

Auteur(s) : Charlène CREVANT

Date de publication : 10 avr. 2020

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RÉSUMÉ

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

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ABSTRACT

Luminescent waveguides. From fluorophore to matrix

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

Auteur(s)

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

INTRODUCTION

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

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

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

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KEYWORDS

fluorescence   |   spectral shifting   |   photovoltaic   |   solar cell

DOI (Digital Object Identifier)

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


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1. Guide d’onde

1.1 Principe général

Un guide d’onde a pour objectif de guider et de concentrer la lumière de manière optimale vers un dispositif qui peut la collecter. Les guides d’onde luminescents sont des milieux transparents constitués d’une matrice dans laquelle est incorporé un fluorophore, matériau dit fluorescent (ou phosphorescent) qui a pour caractéristique d’absorber la lumière sur une gamme spectrale et de la réémettre à une plus grande longueur d’onde.

Pour obtenir un guide d’onde intéressant, la matrice et le fluorophore, doivent être choisis avec minutie. La matrice doit être un matériau robuste qui joue le rôle de maintien car elle détermine la structure du guide d’onde et protège également le fluorophore. Le fluorophore a le rôle de filtrer et de faire glisser l’énergie des photons dans la gamme spectrale souhaitée. Ces deux éléments sont définis selon l’application visée.

L’objectif d’un guide d’onde peut être divisé ainsi :

  • transmettre la lumière à travers le guide d’onde ;

  • absorber la lumière par le fluorophore qui la réémet à une plus grande longueur d’onde ;

  • guider la lumière réémise par le fluorophore par un effet de réflexion totale interne.

Aujourd’hui de nombreuses configurations ont été élaborées afin d’obtenir un guide d’onde « parfait ». On retrouve des guides d’onde en configuration cylindrique ou sous forme de plaque dans lesquels la concentration en fluorophore va varier afin d’obtenir les meilleures capacités de transmission et réémission de lumière (figure 1) ...

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BIBLIOGRAPHIE

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

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

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

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

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

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