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