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RÉSUMÉ
Les matériaux luminescents émettent de la lumière colorée après avoir absorbé de l’énergie d’une source excitatrice. Ce sont des convertisseurs d'énergie dans le domaine des fréquences optiques. On les emploie pour l'éclairage, la visualisation et ils seront utilisés dans les cellules solaires de demain. L’objectif de cet article est d’expliquer les processus physiques impliqués dans le phénomène de luminescence, comment on les étudie et quelles sont les nouvelles propriétés que l’on cherche à exacerber, compte tenu des nouvelles applications envisagées. Une première partie sera consacrée aux processus de base, puis une seconde aux méthodes de synthèse et de caractérisation et la fin de l’article sera consacrée aux applications dans le domaine de l’éclairage et des cellules solaires
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Bernard MOINE : Directeur de recherche au CNRS - Docteur ès Science physique - Institut Lumière Matière - UMR 5306 du CNRS, Lyon 1, France
INTRODUCTION
En ce qui concerne les applications des luminophores, de nouvelles technologies d'affichage et d'éclairage comme les écrans électroluminescents, les écrans à plasma et les écrans à micropointes, les lampes fluorescentes sans mercure, les diodes électroluminescentes (DEL) ont été, depuis les années 1990, à l'origine de recherches de nouveaux matériaux plus performants que ceux disponibles auparavant sur le marché. Les applications classiques qui utilisent les luminophores peuvent être classées en quatre catégories :
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les sources de lumière que sont les lampes fluorescentes ou les DEL ;
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les écrans d'affichage ;
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les détecteurs de rayons X ;
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l'ensemble des applications de marquage comme les peintures phosphorescentes, les marquages de timbres ou de billets de banque, etc.
De plus, des recherches se sont développées depuis quelques années pour intégrer des luminophores aux cellules solaires afin d'en accroître le rendement de conversion lumière/courant.
Il ne s'agit pas de dresser dans cet article une liste exhaustive de matériaux luminescents avec leurs caractéristiques (ce qui serait fastidieux) mais plutôt d'expliquer les processus physiques impliqués dans le phénomène de luminescence, comment on les étudie et quelles sont les nouvelles propriétés que l'on cherche à exacerber, compte tenu des nouvelles applications développées. Nous limiterons nos propos aux matériaux inorganiques bien qu'il existe des matériaux organiques fluorescents (fluorophores) principalement utilisés en biochimie et dans le domaine médical. Nous ne parlerons pas non plus des « quantum dots » (nanocristaux de semi-conducteurs) dont les émissions lumineuses trouvent des applications dans des domaines très variés (éclairage, photovoltaïque, biologie). Ils font, depuis une dizaine d'années, l'objet de nombreuses études et nécessiteraient un article à eux seuls. Le but de cet article est de montrer comment sélectionner les matériaux, les ions luminescents et leur comportement en fonction de la source excitatrice utilisée pour une application donnée.
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8. Conclusion
Après plus d'un siècle de recherche et développement dans le domaine des matériaux luminophores, on constate qu'ils ont toujours une importance capitale dans notre quotidien. C'est un domaine de recherche dans lequel il y a toujours une intense activité que ce soit dans la course aux rendements lumineux, dans la quête de la réduction des dépenses énergétiques ou dans celle de l'amélioration de la qualité de l'éclairage.
De nombreux domaines d'applications autres que l'éclairage et la visualisation utilisent les matériaux luminophores (laser, fibres optiques pour les télécommunications, marquage de sécurité, photovoltaïque). Le développement des nanotechnologies ouvre également des voies de recherche innovantes en particulier dans le secteur de l'imagerie et de l'aide au diagnostic dans le domaine médical.
L'éclairage, aujourd'hui, représente environ 20 % de la consommation énergétique mondiale. Il est clair que l'amélioration des sources lumineuses est un défi et un enjeu sociétal de tout premier plan. Dans ce domaine, il est vraisemblable que les LED blanches remplaceront à terme les lampes fluorescentes mais pour cela il faut encore en accroître le rendement lumineux en les couplant à des luminophores à haute efficacité et en baisser notablement le coût de fabrication.
En ce qui concerne les cellules photovoltaïques de troisième génération, le concept de conversion de fréquences et d'adaptation du spectre solaire à la sensibilité des cellules, quelle que soit la nature de ces cellules, sera certainement développé. Cela reste néanmoins un défi, mais qui vaut la peine d'être relevé si l'on veut que le photovoltaïque devienne une source d'énergie vraiment concurrentielle.
Les luminophores à l'échelle nanométrique devraient également être fortement développés en permettant de réduire considérablement les quantités de matière nécessaire à leur fabrication. Cela est particulièrement important pour les ions terres rares qui sont devenus des matériaux économiquement stratégiques. Dans ce domaine, le recyclage des luminophores doit être également considéré de façon sérieuse. Il doit l'être en particulier dès le départ au stade de la fabrication des sources.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SHIONOYA (S.), YEN (W.M.) - Phosphor handbook. - CRS Press LLC ed. (1999).
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(2) - VALEUR (B.) - La couleur dans tous ses éclats. - Belin : Pour la science (2011).
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(3) - BERTHIER (S.) - Iridescences : les couleurs physiques des insectes. - Springer (2003).
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(4) - TANABE (Y.), SUGANO (S.) - * - J. Phys. Soc. Jpn., 9(5), p. 753 (1954) ; ibid 766 ; J. Phys. Soc. Jpn., 11(8), p. 864 (1954).
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(6) - BLASSE (G.), GRABMAIER (B.C.) - Luminescent materials. - Springer-Verlag, 232 p. (1994).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Association française de l'éclairage http://www.afe-eclairage.com.fr
Système d'information géographique photovoltaïque – carte interactive https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/fr/IP_07_447 (consulté le 28 avril 2014)
Cellule photovoltaïque http://fr.wikipedia.org/wiki/Photoélectricité (consulté le 28 avril 2014)
Portail Solaire : annuaire de l'énergie solaire en France http://www.portail-solaire.com
HAUT DE PAGE2.1 Quelques laboratoires ou centres de recherche (liste non exhaustive)
Institut national de l'énergie solaire http://www.ines-solaire.org
Institut de recherche et développement sur l'énergie photovoltaïque (IRDEP) http://www.irdep.cnrs-bellevue.fr
Laboratoire de physique des interfaces et couches minces http://www.lpicm.polytechnique.fr
Institut d'électronique du solide et des systèmes http://www.iness.c-strasbourg.fr
Institut...
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