Conception de structures à nanofils pour applications en photonique et en Photovoltaïque

Abstract

This work belongs to nanostructure-based photonic and photovoltaic devices. In the first part, we study isolated nanowire photonic and photovoltaic devices (waveguides, directional couplers, lasers) through numerical simulations applied to silicon and GaAs. The second part extends the analysis to devices based on nanowire arrays. These arrays were treated as two-dimensional (2D) photonic crystals, but also as diffraction gratings forming part of other photonic components, namely, a guided mode resonance filter (GMRF) operating in the telecommunications band and a solar cell with a double diffraction grating. The third part, which comes in the same direction, was devoted to the design of a perovskite solar cell integrating a resonant diffraction grating, addressing design, simulation, manufacturing processes and technological issues. Simulation results show that such cells can achieve a significant improvement in conversion efficiency compared to conventional cells. ---------------------------------------------------------------------------------- يندرج هذا العمل في مجال الأجهزة الفوتونية والضوئية القائمة على البنية النانوية. في الجزء الأول، ندرس المكونات الفوتونية والضوئية السلكية النانوية المعزولة (الأدلة الموجية، والمقارنات الاتجاهية، والليزر) من خلال محاكاة عددية مطبقة على السيليكون وGaNأما الجزء الثاني، فيوسع نطاق التحليل ليشمل المكونات القائمة على شبكات الأسلاك النانوية. عولجت هذه الشبكات كبلورات فوتونية ثنائية الأبعاد ( (2D، وكذلك كشبكات حيود تشكل جزءًا من مكونات فوتونية أخرى، وهي مرشح رنين الوضع الموجه (GMRF) يعمل في نطاق الاتصالات، وخلية شمسية ذات شبكة حيود مزدوجة. أما الجزء الثالث، والذي يندرج في نفس الاتجاه، فقد خُصص لتصميم خلية شمسية من البيروفسكايت تدمج شبكة حيود رنينية، مع مراعاة جوانب التصميم والمحاكاة وعمليات التصنيع والاستدامة. تُظهرنتائج المحاكاة أن هذه الخلايا يمكن أن تحقق تحسنًا كبيرًا في كفاءة التحويل مقارنةً بالخلايا التقليدية. ---------------------------------------------------------------------------------- Ce travail s’inscrit dans le domaine des dispositifs photoniques et photovoltaïques à base de nanostructures. Dans un premier axe, nous étudions les composants photoniques et photovoltaïques à nanofils isolés (guides d’ondes, coupleurs directionnels, lasers) à travers des simulations numériques appliquées au silicium et à l’arséniure de gallium. Le second axe est dédié à l’étude des composants à base de réseaux périodiques de nanofils. Ces réseaux ont été traités comme des cristaux photoniques bidimensionnels (2D), mais aussi comme des réseaux de diffraction faisant partie d’autres composants photoniques plus complexes, à savoir, un filtre à résonance en mode guidée (GMRF) fonctionnant dans la bande de télécommunication et une cellule solaire à double réseau de diffraction. Le troisième axe, qui vient dans le même sens, a été consacré à la conception d’une cellule photovoltaïque à pérovskite intégrant un réseau de diffraction résonant. Nous avons abordés, ici, les aspects de conception, de simulation, et les procédés expérimentaux de fabrication et les enjeux technologiques. Les résultats des simulations montrent que ces cellules peuvent réalisées une amélioration notable dans le rendement de conversion par rapport aux cellules conventionnelles.