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Régis ANDREEdith BELLET-AMALRICJoël BLEUSESoline BOYER-RICHARD*Catherine BOUGEROLMartien DEN HERTOGLionel GERARDHenri MARIETTEJan-Peter RICHTERS
Nano-Physique et Semi-Conducteurs - Grenoble
Séparation de charges dans les hétérostructures à interfaces de type-II:
le cas CdSe / ZnTe
* UMR FOTONInsa de Rennes
Régis ANDREEdith BELLET-AMALRICJoël BLEUSESoline BOYER-RICHARD*Catherine BOUGEROLMartien DEN HERTOGLionel GERARDHenri MARIETTEJan-Peter RICHTERS
Nano-Physique et Semi-Conducteurs - Grenoble
Séparation de charges dans les hétérostructures à interfaces de type-II:
le cas CdSe / ZnTe
* UMR FOTONInsa de Rennes
« Comment tirer parti des interfaces de type-II,
pour le photovoltaïque ? »
_____________________________
1 - définition, exemples, propriétés
2 - nanofils
3 - superréseaux
+
InAsGaAs
-
+CdSe
ZnTe-
type-I
type-II
Qu'appelle-t-on une interface de type-II ?
GaAs / AlAsGaN / AlN
InAs / GaAsCdTe / ZnTeCdSe / ZnSe
+
CdSe
ZnO
-
BC
BV
CdSeCdSe
ε
La « brique élémentaire »: le puits quantique de type-II
Thèse de R.Najjar
I lum . = n0
1+γn0 t 2
dndt
=αP−Γ⋅n
2n
dtdn −γ=
e-
h
Absorbed photon
ici : Γ= γ.n
Déclin “très lent” non-exponentiel
→ hyperbolique
CdSeCdSe
εe-
h
Absorbed photon
→ l'interface de type II sépare efficacement les porteurs (à proximité ...)→ la transition de type II absorbe peu les photons
⇒ Importance de la géométrie de la structure
- Effet type-II très marqué (séparation e-h)
- Déclin de luminescence Quelques 100 ps → 100 ns
- Absorption 1 /
La « brique élémentaire »: le puits quantique de type-II
Différentes géométries pour une hétérostructure de type-II
BC
BV
(3) Interfaces multiples 2D : le cas superréseau →
(1) puits quantique ou interface simple 2D →
← (2) géométrie 1D – Les Nanofils coeur-coquille
- la coquille absorbe et l'interface dissocieou
- la transition d'interface absorbe
Nanoletters vol 7, p 1264 (2007)Quantum Coaxial Cables” for Solar Energy HarvestingYong Zhang, Lin-Wang Wang, and Angelo Mascarenhas
GaN(core)-GaP(shell) GaP(core)-GaN(shell)
Calcul de distribution de charge sur une coupeélectrons: bleu / trous: vert
Nanofils coeur-coquille: structure radiale de type-II
GaP(ZnTe)
GaN(ZnO)
3.4 eV
2.3 eV
National Renewable Energy Laboratory& Computational Research Division, Lawrence Berkeley Nat. Lab.USA
Expérimentalement:
ZnO/ZnSe: Journal of Materials Chemistry, 21, 6020 (2011)ZnO/ZnS: Appl. Phys. Lett, 96, 123105 (2010)
Nanofils coeur-coquille: structure radiale de type-II
Journal of Materials Chemistry,vol 21, p 6020 (2011)An all-inorganic type-II heterojunction array with nearly full solar spectral response based on ZnO/ZnSe core/shell nanowires
Zhiming Wu, Yong Zhang, Jinjian Zheng, Xiangan Lin, Xiaohang Chen, Binwang Huang, Huiqiong Wang, Kai Huang, Shuping Li and Junyong Kang
Xiamen University and University of North Carolina
ZnO
ZnO/CdSe
External Quantum Efficiency
Nanofils : l'absorbeur en situation de coquille
Electrochemical approach
Extremely Thin Absorber (ETA)
~ quelques 10 nm
Chemical bath deposition (CBD)« Technique bas coût »
A. Hagfeldt and M. Grätzel, Chem. Rev. 95 (1995) 49
Analogue solide des cellules à colorant
CdTe
ZnO1.5 eV
Nanofils de ZnO (LETI Dopt)
+ absorbeur CdSepar épitaxie par jets moléculaires
CdSe sur ZnO
Images MEB
ZnO
Nanofils : l'absorbeur en situation de coquille
Nanofils : l'absorbeur en situation de coquille
d = 0.26 nm
d = 0.36 nm
TEM Martien den Hertog
ZnO
CdSeCdSe sur ZnO
Images TEM
Les superréseaux de type-II
structures 2D
1,4 eV
2.3 eV
1,7 eV
ZnTe
CdSe
C.B.
V.B.
Patent N° FR1153146 (2011). R. André, J. Bleuse, H.Mariette.
13
Physics of Solar CellsBy Peter Würfel
Fig 6.5, p 113
« the ideal case... »
Les superréseaux de type-II
ZnTe
CdSe
5,5 6,0 6,50
1
2
3
4
5
MgTe
MnTe
ZnTe
CdTeCdSe
ZnSe
MnSeMgSe
InAs
AlAs
GaAs
Ba
nd
ga
p (
eV
)
Lattice parameter (Å)
TEM C. Bougerol
Choix du couple ZnTe / CdSe
Optimisation des superréseaux ZnTe / CdSe
Calculs liaisons fortes
Seuil d'absorption (eV)
Élé
men
t di
pola
ire (
eV)
+ + + + + +
- - - - - -
ZnTeCdSe
+ + + + + +
- - - - - -
ZnTeCdSe
+ + + + + +
- - - - - -
ZnTeCdSe
ZnTeCdSeZnTeCdSeZnTeCdSe
large period superlattice with 7nm layers
Photoluminescence
short period superlattice with 2nm layers
Tuning of Eg ~ 1.4 eV
Etude expérimentale de l'effet de la période du superréseau
+ + + + + +
- - - - - -
ZnTeCdSe
+ + + + + +
- - - - - -
ZnTeCdSe
+ + + + + +
- - - - - -
ZnTeCdSe
ZnTeCdSeZnTeCdSeZnTeCdSe
large period superlattice with 7nm layers
Etude expérimentale de l'effet de la période du superréseau
Photoluminescence résolue en temps
short period superlattice with 2nm layers
Tuning of Eg ~ 1.4 eV
Slow hyperbolic
decay
Fast exponential decay
Decay time ~ 650 ps
Superréseau ZnTe / CdSe très courte période (absorption)
2 ML / 2 ML x 100 période
⇒ plus de 50% d'absorption avec seulement ~120 nm d'absorbeur !
ZnTe
Superréseau
Interfaces de Type-II
- dissocient efficacement électrons et trous - évitent les recombinaisons radiatives
Géométrie ayant un bon potentiel
Nanofils cœur-coquille de type-II (absorption et / ou dissociation)
Superréseaux de type-II de très courte période(matériaux aux bornes de l'absorbeur intrinsèquement adapté)
Interfaces de type-II appliquées au photovoltaïque ?
En résumé: oui, mais...
Travail réalisé avec le soutien:
- du programme CEA- DSM Energie
- de la Fondation Nanosciences
Nano-Physique et Semi-Conducteurs - Grenoble