In the first chapter of this thesis, we will present the principle of PV solar cells with a special emphasis on the CIS absorber. In the second and third chapter, we will describe the methods we used to treat the many body problem. Finally, in the last chapter, we will apply methods presented in chapter 2 and 3 to CIS and pay a particular attention to the dependence of the bandgap on the anion displacement and the concentration of defects.

La remise en question du mode de développement des sociétés humaines a, sur ces 40 dernières années, profondément transformé le contexte énergétique mondial, se traduisant ainsi par l'instauration d'un nouveau cadre politique, dont les engagements auront notamment favorisé l'essor des énergies renouvelables. Par ailleurs, si l'électricité apparaît comme un vecteur fondamental du développement humain, le contexte des populations majoritairement rurales d'Afrique subsaharienne incite également à la recherche d'alternatives énergétiques adaptées. En substance, si les ressources renouvelables peuvent répondre de manière pertinente au défi de l'électrification décentralisée des zones rurales de la région, elles doivent toutefois représenter une solution qui, avant d'être politique, soit crédible sur les plans technique et économique. La République de Djibouti, petit pays situé dans la corne de l'Afrique, symbolise parfaitement les défis social, économique et énergétique de l'ensemble de la région, et des populations rurales en particulier. Avec un pays pauvre en ressources traditionnelles, mais présentant a priori un gisement solaire intéressant, nous avons alors privilégié l'étude des systèmes photovoltaïques (PV) dans le cadre de l'électrification décentralisée des populations rurales du pays. Comme d'autres ressources, ces systèmes, bien que reposant sur une technologie relativement ancienne, ont réellement pris leur essor au début des années 2000 avec les mesures incitatives du Protocole de Kyoto. Au cours de ces travaux, la République de Djibouti aura servi de cas d'étude à l'élaboration d'une méthodologie scientifique générale, centrée sur l'énergie photovoltaïque dans un cadre décentralisé, dont les résultats principaux ont vocation à être réutilisés par des pays structurellement voisins, c.-à-d. présentant le même contexte socio-énergétique. Evaluer la pertinence de la technologie photovoltaïque nécessitait, dans un premier temps, d'estimer le niveau et la répartition de la ressource solaire au sein du pays. Pour cela, nous avons construit un atlas de l'irradiation solaire horaire incidente sur le territoire, pour la période 2008-2011, à partir d'un modèle satellitaire de rayonnement. Afin de valider les estimations issues de cet atlas, nous les avons comparées aux mesures in situ relevées par deux stations météorologiques temporaires déployées, entre 2010 et 2013, sur quatre sites présentant des caractéristiques distinctes. Les résultats de cette comparaison ont montré que les estimations présentaient une bonne précision, avec notamment, pour l'irradiation journalière, une erreur relative maximale de 8,05 % et un coefficient de corrélation minimal de 0,8892. Finalement, la carte annuelle extraite de l'atlas a confirmé que le gisement solaire du pays, avec une irradiation moyenne de 5,87 kWh/m^2 par jour, constituait l'un des plus importants au monde. Si les modèles utilisant des données satellitaires permettent de retrouver le flux solaire incident au sol, ils ne tiennent en revanche pas compte des effets du relief local sur ce dernier. Ainsi, afin de tenir compte des effets d'ombrage engendrés par le terrain, nous avons développé une procédure dite de désagrégation, couplant l'utilisation d'un maillage numérique de terrain (MNT) aux cartes de rayonnement issues du modèle satellite. Pour ce faire, nous avons élaboré un modèle théorique afin de retrouver l'horizon autour d'un point donné, et validé celui-ci à l'aide d'une campagne de mesures topographiques en Corse. Ce dernier apparaît ainsi plus performant que les modèles existants, avec, d'une part, une précision plus élevée et, d'autre part, un temps d'exécution fortement réduit qui le rend bien adapté au traitement cartographique (nombre important de points). En définitive, en intégrant au rayonnement le gradient d'altitude et l'ombrage dû à l'horizon pour chaque pixel du MNT, nous avons pu enrichir le niveau de l'information fournie par la cartographie de l'irradiation globale. Bien que le gisement solaire soit l'indicateur principal du potentiel photovoltaïque, il est également nécessaire de considérer des paramètres secondaires, éléments de technologie et caractéristiques environnementales, qui permettent d'évaluer avec précision l'énergie électrique produite par un système PV quelconque. En combinant l'utilisation de différents modèles, nous avons ainsi pu intégrer à l'estimation finale du productible l'influence du rayonnement et de la température sur le rendement de conversion d'un module photovoltaïque. A cet égard, nous avons d'ailleurs développé une méthodologie empirique qui, en s'appuyant sur l'utilisation d'un réseau de neurones artificiels, permet de retrouver la température ambiante à travers un territoire à partir de données satellitaires de la température de surface terrestre. Finalement, nous avons construit une cartographie spatiotemporelle du productible PV qui, couplée à une évaluation multicritère de la pertinence de la technologie PV vis-à-vis des alternatives énergétiques classiques en matière d'électrification rurale, est destinée à faciliter la prise de décision pour les différents acteurs, publics ou privés, du domaine de l'énergie.

Le sujet s'inscrit dans la stratégie d'augmentation de la pénétration des énergies renouvelables dans les réseaux électriques, en particulier ceux qui sont faiblement interconnectés, tels que les réseaux électriques insulaires. Une limite de pénétration des énergies intermittentes de 30% en puissance instantanée dans ces réseaux a été fixée par la loi française. Pour permettre de dépasser cette limite, une solution est de coupler les sources de production décentralisée et intermittente avec du stockage.Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés au volant d’inertie, système de stockage permettant de convertir l’énergie électrique sous forme cinétique et vice versa. Celui-ci a en effet un nombre de cycles charge/décharge important en comparaison avec une batterie électrochimique et peut être utilisé pour lisser la production photovoltaïque. La fluctuation de l’énergie photovoltaïque est en effet faiblement prédictible au cours du temps et elle ne peut pas être contrôlée, notamment sa chute de production. La production photovoltaïque peut chuter jusqu’à 80 % de la puissance maximale en 30 secondes, et déstabiliser ainsi le réseau électrique. Le réseau électrique insulaire, tel que celui de la Corse, n’est pas interconnecté au réseau électrique continental. Les réseaux non – interconnectés sont plus fragiles et moins stables. Ainsi, le développement massif des centrales photovoltaïques peut faire fluctuer la fréquence et la tension du réseau. Le volant d’inertie a l’avantage de posséder un faible temps de réponse (quelques centaines de millisecondes). Cependant, il a une capacité énergétique moindre. Nous allons donc exploiter les avantages du volant d’inertie en le gérant en temps réel avec un calculateur approprié. Un volant d’inertie d’une puissance de 15 kVA et d’une capacité énergétique de 112 Wh a été caractérisé et testé à l’INES Chambéry en utilisant un simulateur réseau temps réel (RTLab®), un calculateur temps réel dSPACE® et une centrale PV. Le système de stockage est composé d’une machine électrique asynchrone et d’un volant d’inertie cylindrique en acier. Le logiciel Matlab/Simulink® est utilisé pour implémenter les lois de commande nécessaires à son pilotage. Dans cette thèse, le banc de test est présenté ainsi que les résultats sur les services système (lissage de puissance, régulation de la fréquence et de la tension). Trois méthodes de lissage de puissance sont présentées et évaluées (lissage avec une fonction de transfert, lissage avec limiteur de pente et lissage n’utilisant pas aucune fonction de lissage). La troisième méthode n’utilisant ni une fonction de transfert, ni une fonction limitant la pente des variations, nécessite moins de paramètres et s’avère plus optimale et plus robuste. Un volant d’inertie avec une autre technologie de machine électrique (la machine à réluctance variable) a été également caractérisé. C’est une Alimentation Sans Interruption (ASI), sur laquelle des paramètres tels que l’autodécharge et les rendements du système (en charge, en décharge et au repos) ont pu être mesurés. / The subject is part of the strategy to increase the penetration of renewable energy in power systems, particularly those that are poorly interconnected, such as island grids. A limit of penetration of intermittent energy by 30% in instantaneous power in these electrical grids was set by a French law. To help overcome this limitation, a solution is to couple the sources of decentralized and intermittent generation with energy storage systems. In this thesis, we are interested in flywheel energy storage systems (FESS) that converts electrical energy in kinetic energy form and vice versa. FESS have a number of cycles charge / discharge large compared with electrochemical batteries and can be used to smooth the photovoltaic power generation. The fluctuation of photovoltaic instantaneous power is indeed weakly predictable over time and it cannot be controlled, including its production fall. PV production can decrease up to 80% of its maximum power in 30 seconds, and so destabilize the grid. The island grids, such as that of Corsica, are not interconnected to the mainland power grid. The non - interconnected grids are more fragile and less stable. Thus, the massive development of photovoltaic power plants can cause fluctuations in the frequency and voltage. The flywheel has the advantage of having a low response time (a few hundred milliseconds). However, it has a lower energy capacity. The benefits of FESS are used by managing it in real time with an appropriate computer. A flywheel with a power of 15 kVA and an energy capacity of 112 Wh was characterized and tested at INES Chambery using a real time grid simulator (RTLab®), a real-time computer (dSPACE®) and a PV power plant. The storage system is composed by an asynchronous electrical machine and a cylindrical steel flywheel. The Matlab Simulink / software is used to implement the control laws necessary for its control. In this thesis, the test bench is presented and the results of ancillary services (power smoothing, frequency and voltage regulation). Three power smoothing methods are discussed and evaluated (smoothing with a transfer function, with a slope limiter function and a method not using any smoothing function). The third method uses neither a transfer function, nor a function that limits the slope variations, requires fewer parameters, and is more optimal and more robust. A flywheel with another electrical machine technology (the switched reluctance machine) has also been characterized. This is an Uninterruptible Power Supply (UPS) on which parameters such as self-discharge and efficiencies (charging mode, discharging mode and standby mode) were measured.

Ce travail porte sur l'étude d'hétérostructures de semiconducteurs II-VI à alignement de bandes de type II, en particulier sous forme de superréseaux. Il s'agit d'un système prometteur pour une application photovoltaïque, et c'est dans cette optique qu'est orienté ce travail. Une première partie traite ainsi d'une réflexion conceptuelle sur l'apport des interfaces de type II au photovoltaïque. La deuxième partie porte sur l'étude de la croissance de CdSe et ZnTe par épitaxie par jets moléculaires, sur différents substrats. Ces matériaux sont particulièrement intéressants et adaptés pour cette application car ils ont un gap direct, quasiment le même paramètre de maille, un alignement de bandes de type II, et le CdSe une bande interdite compatible avec le spectre solaire. De plus une structure basée sur un superréseau très courte période de ces matériaux permet de créer un absorbeur solaire aux propriétés modulables, qui peut s'approcher de l'absorbeur idéal, avec des contacts intrinsèquement adaptés. En contrepartie il s'agit de semiconducteurs binaires qui n'ont aucun atome en commun, de sorte que la croissance d'échantillons avec des épaisseurs précises à la monocouche près constitue un vrai défi. Pour cette raison nous avons procédé à une étude fine des interfaces grâce à des analyses de diffraction de rayons X et de microscopie en transmission, qui nous permet de conclure sur la nature chimique des atomes à proximité des interfaces. Vient ensuite une étude poussée de spectroscopie sur les effets des interfaces de type II sur les porteurs de charges, à travers leur énergie et cinétique de recombinaison. Nous avons développé un modèle analytique qui permet d'ajuster précisément toutes les caractéristiques observées en relation avec ces interfaces, et qui témoigne d'un mécanisme de séparation des charges très efficace. Nous montrons par la suite que ces effets observés sont des caractéristiques intrinsèques de toutes les interfaces de type II, indépendamment des matériaux et des structures, et que ceux-ci nous permettent d'extraire avec précision les valeurs des décalages de bandes entre différents matériaux à alignement de type II. Le dernier chapitre traite finalement du développement de cellules photovoltaïques basées sur les concepts étudiés dans cette thèse. Il aborde notamment les structures de dispositifs envisagées ainsi que nos premiers résultats de rendements de cellules basées sur des hétérostructures de semiconducteurs avec cet alignement de bandes.

Des rendements record à plus de 26% ont récemment été démontrés avec des cellules solaires en Si, approchant la limite théorique de 30% pour une seule jonction. Les cellules solaires à multi-jonctions (MJSC) fabriquées à base de matériaux III-V peuvent dépasser cette limite: des rendements supérieurs à 45% ont été reportés pour une cellule à 5 jonctions sous un soleil et pour une cellule à 4 jonctions sous lumière concentrée. Cependant, pour des applications terrestres, le coût élevé de ces technologies impose l’utilisation d’une haute concentration, ce qui augmente la complexité du système.Une solution intermédiaire consiste à fabriquer des cellules solaires III-V à haut rendement sur des substrats Si, moins coûteux que les substrats III-V ou Ge utilisés dans les MJSC classiques. Des rendements supérieurs à 33% ont déjà été démontrés pour des MJSC fabriquées par collage direct. Ceci, combiné aux progrès récents dans la réutilisation des substrats III-V, présage un avenir prometteur pour les cellules solaires tandem III-V sur Si, ce qui pourrait mener à la prochaine génération de systèmes photovoltaïques à haut rendement et faible coût.Dans ce travail de thèse, des cellules solaires tandem AlGaAs//Si à 2 jonctions (2J) et GaInP/AlGaAs//Si à 3 jonctions (3J) ont été fabriquées par collage direct, ce qui a donné lieu à une configuration à 2 terminaux (2T).Différentes techniques de collage ont été étudiées, notamment une approche innovante présentant un potentiel d'industrialisation prometteur pour l’intégration des matériaux III-V sur Si. Les propriétés électriques de l'interface de collage GaAs//Si ont été analysées à l'aide de dispositifs de test dédiés conçus au CEA, permettant d'évaluer la résistance d'interface et le mécanisme de conduction.Des caractérisations et simulations expérimentales ont été effectuées afin d'optimiser le design et le processus de fabrication, conduisant à des rendements record. Pour la sous-cellule supérieure en AlGaAs de la 2J, cela comprend l'utilisation d'une fenêtre en AlInP avec un émetteur en GaInP, formant une hétérojonction n-GaInP/p-AlGaAs, qui améliore les performances pour les faibles longueurs d'onde. De plus, la réduction de l'épaisseur de la couche de collage en GaAs et l'utilisation d'une jonction tunnel en AlGaAs, avec bande interdite plus large, augmentent la transparence et donc le photocourant de la sous-cellule inférieure.Pour la sous-cellule inférieure en Si, les simulations ont permis d'identifier les facteurs clés qui limitent les performances, la durée de vie étant la caractéristique la plus critique dans les cellules Si épaisses utilisées. Dans le cas des interfaces III-V//Si, un émetteur fortement dopé est essentiel pour minimiser la recombinaison de surface et donc augmenter la tension en circuit ouvert. La passivation de la surface arrière est également importante, notamment pour augmenter la réponse dans l’infrarouge. Différents processus de diffusion et d'implantation ont été étudiés pour former l'émetteur. Les processus d'implantation ont montré moins de dégradation de la durée de vie et des surfaces moins rugueux, permettant ainsi le collage sans planarisation chimico-mécanique et donc des niveaux de dopage plus élevés en surface.Finalement, afin d’évaluer correctement le rendement de conversion de ces cellules tandem III-V sur Si, une méthode de caractérisation courant-tension rapide et peu coûteuse, adaptée aux MJSC sous faible concentration a été développée. Cette méthode ne nécessite pas de cellules isotypes parfaitement identiques, à la place, des cellules Si à simple jonction avec filtres optiques sont utilisées. Une efficacité de 23,7% sous 10 soleils a été démontrée de cette manière pour la cellule AlGaAs//Si, qui est le rendement le plus élevé signalé à ce jour pour une cellule tandem à base de Si avec 2J et 2T. / Si solar cells with record efficiencies over 26% have been recently demonstrated, approaching the Si single-junction limit of 30%. Multi-junction solar cells (MJSC) based on III-V materials can overcome this limit: efficiencies over 45% have been reported for a 5-junction under 1 sun and for a 4-junction under a concentrated illumination of 300 suns. Due to their elevated cost, these cells could be used in terrestrial applications only if operated under very high sunlight concentration for commercial terrestrial applications, which in turn increases the module and system complexity.An intermediate solution consists in fabricating high efficiency III-V solar cells on Si substrates, which are less expensive than the III-V or Ge substrates used in conventional MJSC. Mechanical-stacked and wafer-bonded solar cells, which avoid the unresolved issues of III-V on Si epitaxy, have already demonstrated efficiencies over 33%. This, combined with the recent advancements in the field of substrate reuse, predict a promising future for III-V on Si tandem solar cells, which could lead the next generation of high-efficiency and low-cost photovoltaics.In this PhD work, 2-junction (2J) AlGaAs//Si and 3-junction (3J) GaInP/AlGaAs//Si tandem solar cells were fabricated. The Si bottom subcell and the III-V top subcell(s) were joined together by wafer bonding, resulting in a 2-terminal (2T) III-V//Si solar cell configuration.Different wafer bonding techniques were studied, including an innovative bonding approach showing promising industrialization potential and thus, opening a new path for III-V on Si processing. The GaAs//Si bonding interface electrical properties were analyzed using dedicated test devices originally conceived at CEA, allowing to evaluate the interface resistance and the conduction mechanism.Experimental characterizations and simulations were performed in order to optimize the design and fabrication process, leading to record efficiencies. For the AlGaAs top subcell of the 2J, this includes the use of an AlInP window together with a GaInP emitter, forming an n-GaInP/p-AlGaAs heterojunction, which improved the short wavelength performance. In addition, the reduction of the GaAs bonding layer thickness and the use of a higher bandgap AlGaAs tunnel junction resulted in a higher transparency and a bottom subcell photocurrent improvement.For the Si bottom subcell, simulations allowed to identify the key factors that limit the performance, being the bulk lifetime the most critical characteristic in the thick Si cells used. In the case of III-V//Si interfaces, a highly doped emitter is crucial to minimize the surface recombination and maximize the open-circuit voltage, outweighing the drop in short-circuit current due to lifetime degradation. Back surface passivation is also important, specially to increase the infrared response. Different diffusion and implantation processes for the emitter formation were studied. Implantation processes showed less bulk lifetime degradation and smoother surfaces, thereby allowing bonding without chemical-mechanical planarization and thus higher doping levels at the surface.Finally, in order to correctly assess the efficiency of these III-V on Si tandem cells, a fast and low-cost current-voltage characterization method adapted for MJSC under low concentration was developed. This method does not require perfectly matched component cells and instead, Si single-junction cells with optical filters are used as pseudo-isotypes. An efficiency of 23.7% under 10 suns was demonstrated this way for the AlGaAs//Si cell, which is the highest efficiency reported to date for a 2J 2T Si-based tandem cell.