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MASTER | Traitement par laser (fs/ns) de silicium : Application à la photodétection et aux cellules photovoltaïques

Contexte et Motivations

Ce stage concerne les modifications par laser de silicium pour des composants opto-électroniques actifs (photodétecteurs) et passifs (cellules photovoltaïques). L’objectif de ce stage est de participer aux caractérisations de composants "hyperdopés" issus d’un prototype de dopage hybride (immersion plasma et recuit laser) développé en collaboration avec l’industriel IBS.

Les matériaux dopés à l’aide de procédés laser présentent des caractéristiques spécifiques (absorption optique accrue, propriétés électronique ou supraconductivité..) suivant le choix du laser et des dopants employés (hyperdopage). Le prototype de dopage sera utilisé pour la réalisation et l’optimisation des nouvelles générations de photodétecteurs actifs (UV, visible ou infrarouge), utilisés dans le milieu médical (imagerie médicale) , militaire (vision nocturne), électronique grand public (smartphones..) et cellules photovoltaïques.

Concernant les cellules photovoltaïques, les limites théoriques de rendement photovoltaïque du silicium sont de l’ordre de 30% (Shockley Queisser). L’université de Harvard (Mazur Group) et le LP3 (AMU-CNRS) ont montré qu’un moyen simple d’améliorer le rendement des cellules solaires photovoltaïques actuelles pourrait être obtenu en irradiant la structure du silicium avec des impulsions laser femtoseconde en présence ou pas d’un gaz sulfuré (SF6). Cette irradiation entraîne la formation de micro-structures érigées (spikes) sur la surface du silicium qui devient ainsi fortement absorbant au rayonnement solaire et donne son nom à un nouveau matériau : le "black silicon".

Dans le cas d’une irradiation sous SF6, on réalise une incorporation de chalcogène pendant le traitement laser dans le silicium : cet "hyperdopage" permet en outre d’étendre l’absorption du matériau dans l’infra-rouge et devrait à terme permettre de dépasser les limites théoriques actuelles.

Etude réalisée dans le cadre du stage

Des démonstrateurs seront réalisés sur des photodétecteurs et cellules photovoltaïques. Les traitements laser seront effectués au laboratoire LP3 (Laboratoire Lasers Plasmas et Procédés Photoniques UMR CNRS 7341- Aix-Marseille Université). Des caractérisations électriques (I(V)) et LBIC seront réalisées afin d’estimer l’efficacité de ces composants, en fonction des paramètres d’irradiation laser, du dopage du matériau etc… . Le stagiaire sera incorporé à une équipe de chercheurs confirmés dans le domaine des photodétecteurs et des traitements de semiconducteurs par laser.

Orientation : expérimental

Domaines abordés : matériaux, physique des semiconducteurs, lasers, optique,

Rémunération : forfaitaire

Cadre : Collaboration LP3-Harvard

Responsable : Thierry Sarnet (sarnet@lp3.univ-mrs.fr)