Les cellules solaires en couches minces à base de Cu(In,Ga)Se2 peuvent atteindre des rendements de conversion supérieurs à 20 % par un procédé de dépôt sous vide. Afin de diminuer les coûts de production, d’autres méthodes de dépôts sont envisagées. L’une d’elle, déjà développée à l’échelle industrielle, consiste à électrodéposer Cu, In et Ga successivement sur un substrat de molybdène, puis à sélénier la couche par traitement thermique réactif. L’alternative étudiée dans ce travail consiste à tirer partie de l’affinité de l’indium et du gallium pour l’oxygène en électrodéposant les trois éléments simultanément sous forme d’oxydes, puis à les réduire par recuit. Le mécanisme de dépôt est étudié par voltampérométrie et chronoampérométrie. Celui-ci est basé sur une augmentation locale du pH par réduction d’ions nitrates, permettant la précipitation des oxydes/hydroxydes de Cu, In et Ga. Les conditions d’électrodépôt sont optimisées et les dépôts sont caractérisés. La réduction des dépôts d’oxydes par recuit est ensuite étudiée sous atmosphère d’hydrogène dilué dans un gaz inerte. La cinétique de réduction de l’oxyde de Ga est très lente et les conditions de recuit mises au point conduisent à la formation de la phase GaMo3, en plus des phases Cu-In-Ga attendues. La sélénisation à 550°C conduit à la formation de CuInSe2 et à la ségrégation de Ga vers la face arrière de la cellule. Les premiers résultats de cellules obtenues par ce procédé ont donné un rendement de conversion maximal de 9,4 %. Un procédé de sélénisation en plusieurs étapes est développé et permet une meilleure homogénéisation du Ga dans la couche. / Thin film solar cells based on Cu(In,Ga)Se2 can reach conversion efficiency higher than 20 % by vacuum deposition techniques. In order to decrease the production costs, other techniques are considered. One of them, already developed at the industrial level, consists in the electrodeposition of Cu, In and Ga by stacks on a molybdenum substrate, and then to selenize the layer by reactive thermal treatment. The alternative way developed in this work consists in taking advantage of the strong affinity of indium and gallium for oxygen by electrodeposition of the three elements as oxides, then to reduce the layer by reactive annealing. The electrodeposition mechanism is studied by voltamperometry and chronoamperometry. It is based on a local pH increase at the electrode surface by nitrate reduction that enables copper, indium and gallium oxides/hydroxides precipitation. Electrodeposition conditions are optimized and deposits are characterized. The reduction of the oxide layer by annealing is then studied under hydrogen atmosphere diluted in an inert gas. The reduction kinetic of gallium oxide is very slow and the optimized annealing conditions lead to the formation of GaMo3 phase in addition to the expected Cu-In-Ga alloys. The selenization at 550°C leads to the formation of CuInSe2 and the segregation of Ga near the cell back contact. First cell results obtained by this process show conversion efficiency up to 9.4%. A multi-step selenization process is developed and enables a better Ga homogeneity in the layer.

Ce projet a pour ambition de concevoir et de réaliser une nouvelle filière de cellule photovoltaïque utilisant la conversion directe de l’énergie solaire en électricité à base de la filière InGaN permettant d'atteindre un rendement de 50% de conversion directe de l’énergie solaire en électricité. Cette nouvelle approche constitue un défi technologique majeur pour la recherche académique et les applications industrielles dans les années avenir. Les cellules solaires actuelles à base de Silicium approchent leur limite théorique de rendement de conversion d’énergie (environ 25%). Les cellules solaires multi-jonctions permettent de repousser ces limites en empilant plusieurs matériaux possédant différentes énergies de bande interdite, chacun absorbant une petite portion du spectre solaire de manière plus efficace. Alors que les LEDs violettes et bleu à base du matériau InGaN sont déjà commercialisées, il apparaît essentiel de relever le défi qui consiste à fabriquer et utiliser ce matériau InGaN avec de fort taux d’Indium (i.e. des énergies de bandes interdites plus faibles) afin de couvrir l’ensemble du spectre solaire et ainsi réaliser des cellules photovoltaïques à très haut rendement, bien au-delà de l’état de l’art international. Au vu des limitations des cellules au silicium, des travaux théoriques ont montrés que des cellules à jonctions multiples à base de couches absorbantes d’InGaN permettraient d’atteindre un rendement de 50%. L’amélioration du rendement des cellules solaires aura un impact majeur sur de nombreuses applications. L’objectif de ce travail concerne la conception et de réalisation d'une nouvelle génération de cellule solaire à base d’InGaN. Ce travail concerne dans une première phase : la caractérisation du matériau InGaN à fort taux d’Indium (> 20%) élaboré à l'EPFL en collaboration avec l'IEMN ayant pour but de démontrer une énergie de bande interdite en dessous de 2 eV. Dans une seconde phase, après la validation électrique et structurelle de ce nouveau matériau, il s’agit de concevoir et de réaliser une nouvelle génération de cellule solaire mono-jonction sur saphir et sur substrat GaN. Cette nouvelle cellule solaire pourra être intégrée au sein d’une microsource d’énergie pour réseau de capteur autonome. / This PhD thesis reports on the structural and optical characterization of solar cell structures with various active region designs and different substrates as well as the subsequent fabrication and electrical characterization of InGaN solar cells. The epitaxial growth of solar cell designs with pGaN/i-InGaN/n-GaN structures were performed by metal-organic vapor phase epitaxy (MOCVD) by the company NovaGaN. The structural and optical characterization is assessed by X-Ray diffraction, scanning transmission electron microscopy, atomic force microscopy and photoluminescence spectroscopy. A structural comparison of solar cell designs including bulk 200 nm thick InGaN layer and InGaN/GaN multiple quantum wells (MQWs) with similar indium compositions (~30%) is presented. Furthermore, structural quality of designs with InGaN/GaN MQWs were analyzed with variation of the indium content, thickness of InGaN quantum wells and type of the substrate, i.e. (0001) sapphire or bulk GaN substrate. An optimized and reproducible processing has been developed for fabrication of InGaN based solar cells. The challenges in device processing such as mesa etching of GaN and contamination on the device sidewalls, which caused high reverse leakage currents were studied and solutions of using SiO2 mask and protection of sidewalls by SiO2 layers were proposed. An optimization study of thermal treatment of Ni/Au current spreading layer is also presented. The electrical activity in the active region and the spectral response of the solar cells are investigated by electron beam induced current (EBIC) analysis and external quantum efficiency measurements. EBIC analysis is used to clarify the origin of the S-shape behavior in illuminated current-voltage characteristics of the solar cell with 25×In0.15Ga0.85N/GaN MQWs, which has performed the best performance in this study with a conversion efficiency of 0.59% under 1sun illumination (AM1.5G).

Ce travail de recherche porte sur l’élaboration et la caractérisation de films minces photo-absorbants de CuInS2, CuIn1-xGaxS2, et de Cu2ZnSnS4 destinés aux applications photovoltaïques. Les films minces ont été préparés par voie sol-gel puis déposés par enduction centrifuge sur substrat de silicium ou de verre. Les sols, formés à partir d’acétates métalliques et d’alcanolamines, ont été étudiés par spectroscopie IR, viscosimétrie et ATD-ATG. Les paramètres de dépôts des sols, et les traitements de calcination, ont ensuite été optimisés. Des films d’oxydes multi-couches, sans fissuration, et de faibles rugosités ont ainsi été élaborés. Une dernière étape de sulfuration des films d’oxydes a été effectuée afin de former les composés souhaités. Les films sulfurés ont fait l’objet d’une étude approfondie par DRX, EDX, MEB, AFM, spectroscopie UV-VIS-nIR et mesures par effet Hall. Leurs structures, leurs morphologies, mais aussi leurs propriétés optiques et électriques ont ainsi pu être étudiées. L’interface des films de CuInS2 avec le film de Mo, utilisé comme contact ohmique arrière de la cellule solaire, a également été étudiée par micro-EDX à l’aide d’analyses MET. Les résultats obtenus montrent que le procédé sol-gel, bien que très peu développé dans le domaine des cellules photovoltaïques, est une voie de synthèse bien adaptée à l’élaboration de films minces à structure chalcopyrite et kësterite. Ces résultats sont très prometteurs pour la réalisation d’une cellule solaire par voie sol-gel. / This research activity concerns the elaboration and characterization of photo-absorbing thin films of CuInS2, CuIn1-xGaxS2, and Cu2ZnSnS4 devoted to photovoltaic applications. The thin films were prepared by sol-gel process and deposited by spin-coating technique on silicon and glass substrates. The sols, synthesized from metallic acetates and alcanolamines, were studied by IR-spectroscopy, viscosimetry, and TDA-TGA. The deposition parameters of the sols, and the calcination treatments were then optimized. The multi-layers oxides films produced were obtained without cracks and with low roughness. The last step was to produce the desired compounds through the sulfurization of the oxides films. The sulfurized films were studied by XRD, EDX, SEM, AFM, UV-VIS-nIR spectroscopy, and Hall Effect measurements. Their structures, morphologies, as well as their optical and electrical properties have been investigated. The interface between CuInS2 films and Mo film, defined as a back-contact of the solar cell, was also studied by micro-EDX with TEM analysis. Despite the fact that sol-gel process is not well-developed in the photovoltaic field, the obtained results show that sol-gel process is a well-adapted technique for elaboration of thin films with chalcopyrite and kesterite structures. These results are very promising for the achievement of a sol-gel solar cell.

Dans les cellules solaires planaires silicium, le matériau doit être assez épais pour que l’absorption des photons soit efficace, et dans le même temps, l’accroissement de l’épaisseur augmente les chances de recombinaison des porteurs. Afin d’avoir à la fois absorption et couche mince, des structures radiales (nanopiliers ou nanocones) peuvent être utilisées, qui ont des diamètres inférieurs à la longueur de diffusion des porteurs minoritaires, ce qui garantit une bonne collecte des porteurs. Ce travail présente la réalisation et la caractérisation de cellules solaires silicium bas coût, basées sur des nanostructures (piliers ou cônes). Pour la nanostructuration, l’usage d’un masqueur électronique est évité grâce à l’utilisation de microbilles de silice, déposées par technique Langmuir-Blodget et servant de masque à la gravure sèche des nanostructures. L’électrode face avant est en ZnO, obtenue par technique sol-gel. Avant la fabrication, une simulation des propriétés optiques des nanostructures en fonction de leur forme (densité, hauteur, diamètre,) a été réalisée à l’aide de calculs FDTD (Finite Difference Time Domain). La synthèse des films ZnO par sol gel a été optimisée (concentration des dopants, recuit thermique, hydrogénation, …) afin d’avoir la meilleure transparence optique et la plus faible résistivité. Finalement, des cellules solaires n+- i - p ont été réalisées, assemblant nanostructures et couche ZnO. Des étapes supplémentaires de passivation des défauts de surface et d’interfaces associés aux nanostructures ont été finalement menées. / For planar p-n junction solar cell, the material must be thick enough to have enough absorption, whereas increasing the thickness leads to the increase of recombination of carriers. In order to decouple the requirement of light absorption and carrier collection, nanopillars (or nanocones) radial p-n junction are introduced. Nanopillars (or nanocones) have greater absorption and radial geometry offers minimal recombination if the diameter of nanopillars ( or nanocones ) is smaller than the minority carrier diffusion length. This work presents the realization and characterization of low-cost Si nanostructures (nanopillars and nanocones) solar cell with sol-gel derived ZnO transparent electrodes. In order to decrease the fabrication price, silica balls and Lamguir-Blodgett techniques are used as the substitutes of photoresist and electrical beam lithography, respectively. Besides, ZnO thin film transparent electrodes are synthesized by low-cost sol-gel methods For pursuiting high efficiency, first of all, we have tested the absorption of nanopillars and nanocones by varying their periods, diameters, lengths and sidewalls. Second, we have optimized the electrical properties of ZnO thin film by changing the synthesis parameters, such as doping concentration, baking temperature, anneal temperature and hydrogen treatment. In the end, solar cells were fabricated based on optimized Si nanostructures and optimized ZnO thin films. Due to their bad electrical properties associated with surface defects, surface passivation methods were performed to reduce the defects concentration in p-i-n junction and improve the efficiency of solar cells.

La viabilité de la filière silicium pour la conversion photovoltaïque n’est plus à démontrée, notamment au regard du nombre croissant d’industries de cellules solaires qui s’implantent dans les pays développés. Le développement de nouvelles structures ou dispositifs optiques afin d’améliorer le piégeage de la lumière au sein des cellules solaires est un véritable défi. Les travaux de cette thèse portent sur une nouvelle génération de capteurs solaires performants en s’appuyant sur l’association d’une nanostructuration de la surface, d’un réseau de nano-objets métalliques et de terres rares au sein d’une matrice vitreuse. Dans un premier temps, nous avons optimisé deux formes de textures à la surface du silicium qui ont augmenté l’absorption de 15 % pour les formes à nanopiliers et de 28 % pour les nanocônes. La gravure du silicium engendre l’apparition de défauts sur la surface. Nous avons travaillé sur trois approches de passivation pour limiter les phénomènes de recombinaison avec les matériaux Al2O3 et SiNx. La deuxième étape de ces travaux a porté sur l’étude des plasmoniques d’un réseau de nano-objets d’argent fabriqués à travers des microsphères de silice auto-assemblées déposées par la technique Langmuir-Blodgett. Leur intégration dans la matrice vitreuse a augmenté significativement le rendement de nos cellules solaires. Dans la dernière partie, nous avons étudié l’association de ces nano-objets métalliques avec une couche down-conversion constituée d’une matrice SiNx avec les terres rares Tb3+ et Yb3+.Cette association a montré une augmentation de l’intensité de photoluminescence d’un facteur 2,3. L’application de la couche DC seule sur nos cellules a augmenté l’efficacité d’un facteur 1,68. / The viability of the silicon sector for the photovoltaic conversion is not any more in demonstrated, in particular with regard to the increasing number of industries of solar cells which become established in the developed countries. To obtain a large absorption of the light, the development of new structures or optical devices to improve the light trapping within solar cells is a real challenge. The works of this thesis concern a new generation of solar cells on the association of a network of metallic nano-objects and rare earth within a SiNx matrix. At first, we optimized two forms of textures on the surface of the silicon which increased the absorption in 15 % for the forms with nanopillars and 28 % for nanocones. The etching process of the silicon engenders the appearance of defects on the surface. We worked on three approaches of the surface passivation using thin layers of Al2O3 and SiNx materials to limit the phenomena of recombination. The second step of these works concerned the study of the plasmonics of a silver nanoparticles arrays fabricated through auto-assembled silica microspheres deposited by the Langmuir-Blodgett technique. The incorporation of silver nanoparticles in the matrix increased significantly our solar cells efficiency. In the last part, we studied the association of these metallic nano-objects with a layer down-conversion established of a matrix SiNx with rare earth Tb3+ and Yb3+. This association showed an increase of the intensity of photoluminescence of a factor 2,3. The application of the DC layer alone on our cells increased the efficiency of a factor 1,68.

Dans cette thèse, nous avons étudié le couplage entre le transport de charge dans un conducteur quantique et le rayonnement émis dans son environnement électromagnétique. En effet, le caractère probabiliste du transport électrique dans ce type de conducteurs engendre des fluctuations de courant qui dissipent de l'énergie dans l'environnement sous forme de photons.Pour étudier cette interaction, nous avons utilisé un circuit dans lequel une Jonction Josephson couplée à un résonateur micro-onde est polarisée avec une tension continue. Quand la tension de polarisation atteint la condition pour laquelle le travail fourni par le générateur lorsque la charge d'une paire de Cooper traverse le circuit correspond à l'énergie d'un nombre entier de photons du résonateur, on observe un courant continu de paires de Cooper associé à l'émission de rayonnement dans le résonateur. Ce rayonnement est ensuite collecté dans une ligne de mesure micro-onde. En fabriquant des résonateurs hautes impédances basés sur des inductances planaires, nous avons pu atteindre le régime de fort couplage et observer les effets spectaculaires de cette interaction lumière-matière. D'une part, le régime de fort couplage exacerbe les processus multi-photoniques et nous avons observé jusqu'à l'émission simultanée de neuf photons part une paire de Cooper. De plus en utilisant un montage de type Hanbury-Brown and Twiss, nous avons pu mesurer la statistique des photons émis. Nous avons ainsi démontré que la rétroaction de l'environnement sur la dynamique du transport permet de créer une source non-classique de photons sous-Poissonniens, en accord avec les prédictions théoriques. / In this thesis, we investigate the coupling between the charge transport in a quantum conductor and the associated radiation emitted in the electromagnetic environment. In fact, the probabilistic character of the electric transport in this type of conductors generates current fluctuations which dissipate energy in the environment in the form of photons.To study this interaction, we used a circuit in which a Josephson junction is coupled to a microwave resonator and dc voltage biased. When the bias voltage reaches the condition so that the work supplied by the generator when the charge of a Cooper pair passes through the circuit corresponds to the energy of an integer number of photons of the resonator, we observe a dc current of Cooper pairs associated with the emission of radiation in the resonator. This radiation is then collected in a microwave measuring line. By carefully engineering high impedance resonators based on planar inductances, we were able to reach the strong coupling regime and observed the dramatic effects of this light-matter interaction. First, the strong coupling regime favors multi-photon processes and we observed up to the simultaneous emission of nine photons by a single tunneling Cooper pair. In addition, using a Hanbury-Brown and Twiss type, we were able to measure the statistics of the emitted photons. We have demonstrated that the feedback of the environment on the transport dynamics creates a non-classical source of antibunched photons, in agreement with the theoretical predictions.

Ce sujet de recherche ambitionne le contrôle du procédé de réalisation in situ de nano-objets en matrice diélectrique en vue du développement de nouvelles applications. Les matrices de silice comportant des nanoparticules métalliques et semi-conductrices ont suscité un intérêt considérable en recherche fondamentale et appliquée dans le cadre de l’amélioration des catalyseurs, capteurs, ou de composant optiques linéaires et non linéaires. L’utilisation d’une irradiation laser est souvent mentionnée comme méthode prometteuse de croissance localisée. L’objet de ce travail est d’explorer les différentes possibilités de photo-cristallisation de différents types de nanoparticules dans des matrices poreuses ou vitreuses, en faisant varier les conditions de dopage et d’irradiation. Dans cette thèse, des monolithes de silice poreuse produits par le procédé sol-gel ont été post-dopés et densifiés. Une méthode simple, basée sur une irradiation laser, a été développée pour localiser la croissance des nanoparticules semi-conductrices (PbS, CdS) ou métalliques (Au, Ag) à l'intérieur de la matrice de silice poreuse. Les nanoparticules sont précipitées localement sous la surface du xérogels de silice en utilisant un laser visible continu, ou encore dans son volume par une irradiation infrarouge en régime femtoseconde. Il est ainsi apparu qu’une croissance par irradiation en régime femtoseconde dans le domaine infrarouge procède de mécanismes tout à fait différents de ceux d’une synthèse par insolation continue, où le thermique a un rôle prépondérant. Par ailleurs, il est montré que la taille des nanoparticules peut être ajustée par le choix de la concentration des précurseurs dans la solution de post-dopage, par la longueur d’onde du laser, sa puissance ou par la température dans le cas de la précipitation thermique. En outre, différentes méthodes ont été utilisées pour précipiter des nanoparticles métalliques (Ag, Cu) à l’intérieur d’une matrice de silice dense. Ces techniques sont basées soit sur la combinaison d’une insolation laser et d’un traitement thermique, soit uniquement sur des traitements thermiques sous des atmosphères différentes. La structuration spatiale de ces nanoparticules est effectuée par irradiation laser à impulsions, suivie d’un recuit à 600°C. Enfin, le dopage de verre massif par des nanoparticules de Cu a permis d’envisager leur utilisation pour fabriquer des cœurs de fibres optiques micro-structurées dopés. Les premiers tirages de capillaires ont montré que les nanoparticules de Cu peuvent être préservées après avoir subi une fusion à 2000°C. / The thesis project aims to master the localization and organization of metallic and semiconducting nano-objects formed inside sol-gel silica materials for novel applications. The nanostructuration method used in this thesis is based on the laser irradiation and, if necessary, heat-treatment. The local character of the matter-light interaction leads to the formation of nano-objects only in the irradiated areas. Hence, it is possible to control the spatial distribution of the nano-crystallites as well as their size distribution by varying the irradiation parameters. In this thesis, porous silica monoliths produced via the sol-gel process were doped and densified. Different kinds of semiconductors (CdS, PbS) and metallic (Au, Ag) nanoparticles incorporated inside the porous SiO2 matrix have been precipitated with the assistance of laser irradiation at room temperature or by an annealing process. The local generation of nanoparticles could be performed directly on the surface of the silica xerogel using a visible continuous laser or inside the volume of the matrix by a femtosecond laser irradiation. Moreover, it has been shown that the nanoparticle size could be adjusted by choosing the concentration of the precursors in the post-doping solution, the laser wavelength, the irradiation power and/or the annealing temperature in the case of thermal precipitation. Furthermore, different methods were used to precipitate metallic nanoparticles (Ag or Cu) inside dense silica matrix. Those techniques are based on laser irradiations and/or heat treatments. Under pulsed laser irradiation, the space selective growth of noble metal nanoparticles was achieved in two steps: first, metallic nucleation centres were generated by the pulsed laser (nanosecond or femtosecond) in the irradiated areas; next, the metallic nanoparticles growth was obtained by annealing at 600°C. Besides, the doping of glassy matrices with copper nanoparticles allows foreseeing their use in the core of microstructured optical fibres. First capillary drawings have shown that the copper nanoparticles can be preserved after undergoing a melting at 2000°C.

Cette thèse explore deux voies alternatives d’élaboration de l’émetteur bore des cellules à base de silicium cristallin de type n, afin de simplifier leur procédé de fabrication, d’une part, et d’améliorer leur rendement de conversion, d’autre part. La première voie, orientée transfert industriel, propose l’utilisation d’une couche diélectrique dopante (SiOx:B) déposée par PECVD-LF, recuite par diffusion thermique. Des paramètres d’émetteur similaires à ceux obtenus dans le cas d’une diffusion gazeuse BCl3 sont recherchés. La seconde approche, plus amont, envisage quant à elle l’élaboration d’un hétéro-émetteur en silicium microcristallin dopé bore (µc-Si:B), obtenu par cristallisation thermique d’une couche de silicium amorphe dopée bore, déposée par PECVD-RF. La formation d’un hétéro-émetteur bore à haute température vise l’obtention de Vco plus élevées sur cellules n-PERT. L’élaboration et le suivi des propriétés des couches SiOx:B ont permis de mettre en évidence différents phénomènes ayant lieu lors de la diffusion. La qualification du dopage et de la passivation de l’émetteur bore a montré de bonnes performances. L’utilisation du SiOx:B lors d’une étape de codiffusion a permis de réaliser des cellules de type n-PERT (239 cm²) selon deux procédés simplifiés (3 étapes de moins) avec les rendements les plus hauts atteints à notre connaissance (20%) sur la structure considérée. D’autre part, les couches µc-Si:B ont été développées puis caractérisées. Le potentiel électrique des hétéro-émetteurs associés a été évalué sur structure symétrique indiquant que des iVco supérieures à 700mV peuvent être atteintes. L’évaluation de la prise de contact sur ce nouvel émetteur a été réalisée par sérigraphie. A ce jour, un phénomène de cloquage limite néanmoins l’intégration de cet émetteur en cellule complète. / This thesis focuses on two alternative boron emitter elaboration routes for n-type crystalline silicon solar cells in order to simplify fabrication processes on one hand, and to improve conversion efficiencies on the other hand. The first route, driven by industrial integration concern, proposes the use of PECVD-LF boron-doped dielectric layers (SiOx:B), annealed by thermal diffusion. Emitter parameters similar to those made by BCl3 gaseous diffusion are obtained on n-type substrates. The second approach, which is more exploratory, considers a boron-doped microcrystalline silicon layers (µc-Si:B) made by boron-doped amorphous silicon crystallization. The elaboration of this high temperature hetero-emitter targets higher open-circuit voltages than standard n-PERT cells.SiOx:B layers elaboration and structural properties study highlighted several phenomena occurring during diffusion annealing. Doping and passivation qualification of associated boron emitters showed good performances. The use of SiOx:B layers during a dopant codiffusion step led to industrial size (239 cm²) n-PERT solar cells fabrication according to two simplified processes (3 steps suppression) with, what is to our knowledge, the highest published efficiencies (20%) on the considered structure. On the other hand, µc-Si:B layers were developed and characterized. The electrical potential of associated hetero-emitters was assessed on symmetrical devices showing that iVoc higher than 700mV can be reached. Contacting on this new emitter was evaluated by metal screen-printing. However, to date, blistering issues limit emitter integration into solar cells.

Le développement des nanotechnologies offre de nouvelles perspectives pour la conception des cellules solaire à fort rendement de conversion. Jusqu’à présent les efforts se sont portés principalement sur des structures à base de semi-conducteurs, de métaux et de polymères. Dans nos travaux, nous avons considéré des nanoparticules de Sulfure de Plomb (PbS) pour lesquelles l'énergie de bande interdite et les propriétés optiques sont fonction de la taille de la particule afin de tirer parti de l'ensemble du spectre optique couvert par l'énergie solaire. Nous avons également considéré des nanofils d'oxyde de zinc (ZnO) pour la séparation et le transport des charges photo-crées. Nous pensons que l'association des nanoparticules de PbS avec des nanofils de ZnO devrait pouvoir augmenter considérablement le rendement des cellules solaires. Dans ce but, nous avons démontré la croissance auto-ordonné des nanofils de ZnO sur substrats silicium et verre par dépôt laser pulsé (pulsed laser deposition ) utilisant le réseau de nanoparois de ZnO en forme de nid d'abeille comme couche germe. Nous avons démontré que les conditions de croissance sont essentielles pour contrôler la cristallinité, la morphologie des nanofils de ZnO , ainsi que la densité de défauts de croissance. Les analyses MEB, DRX, TEM, et HR-TEM montrent que nous avons obtenu des nanostructures très cristallines et orientées verticalement. Nous avons également démontré la croissance in-situ de nanoparticules de PbS sans ligand sur la surface des nanofils de ZnO verticaux à l'aide de la technique SILAR (Successive Ionic Layer Adsoprtion and Reaction) .Nous avons constaté que les nanoparticules de PbS sont fortement accrochées à la surface des nanofils de ZnO avec différentes dimensions et des densités variables .Ces résultats ont été obtenus sans introduire de matière organique (Ligand) qui pourrait perturber à la fois la structure électronique à l'interface ZnO/PbS et le transfert des électrons du PbS au ZnO. Les analyses MEB, TEM et HR-TEM confirment le bon accrochage des nanoparticules de PbS sur les nanofils de ZnO . Leur forme est sphérique et elles sont poly-cristallines. A la fin de ce travail de thèse nous proposons une hétérojonction p-PbS/n-ZnO constituée de nanoparticules de PbS dopées P et de nanofils de ZnO dopés n pour de futures applications en photovoltaïque. / To date, the development of nanotechnology has launched new ways to design efficient solar cells. Strategies have been employed to develop nanostructure architectures of semiconductors, metals, and polymers for solar cells. In this research we have considered the Lead sulfide (PbS) nanoparticles with their tunable band gap and optical properties to harvest the entire solar spectrum which can improve the optical absorption, and charge generation. On the other hand, Zinc oxide (ZnO) nanowires will provide the charge separation and transportation. The ZnO Nanowires sensitized with PbS nanoparticles might significantly impact power conversion efficiency of the solar cells Driven by these unique properties, we demonstrate the successful growth of self catalyzed ZnO nanowires on silicon and glass substrates, by pulsed laser deposition (PLD) using ZnO nanowall network with honeycomb structure as seed layer. We identified that the growth parameters are vital to control the crystallinity, morphology and the defect levels in the synthesized ZnO nanowires. SEM, XRD, TEM, HRTEM analysis show that the nanostructures are highly crystalline and are vertically oriented. We also report the in-situ growth of PbS nanoparticles without linker on the surface of well –oriented ZnO NWs by (SILAR) technique. The PbS Nanoparticles are packed tightly on the surface of the ZnO Nanowires with different sizes and densities, without insulating nature organic ligands, which might affect both the electronic structure at the interface and the electron - transfer rate. The SEM, TEM, HRTEM, PL and XRD analysis, confirm the attachment of the spherical shape polycrystalline PbS nanoparticles. We propose at the end of the thesis the p-PbS /n-ZnO hetero-junction with its future applications in solar cells.

Ma thèse a permis d’initier l’activité de recherche sur les cellules en couche mince à base de matériaux chalcopyrite et kësterite (CIGS et CZTS) et d’entamer leur réalisation technologique. En intégrant des critères économiques et environnementaux, nous avons défini une stratégie en deux points (i) utilisation de la pulvérisation cathodique comme unique procédé de dépôt pour tous les matériaux et utilisation de cibles uniques pour les matériaux composés. (ii) remplacement des matériaux toxiques et rares. J’ai alors développé le contact arrière en molybdène déposé sur verre sodocalcique, ayant les propriétés électriques requises et une bonne adhésion au substrat. Nous avons vérifié que le sodium présent dans le substrat migre jusqu’à la surface du molybdène. Après une étude bibliographique du dépôt de CIGS par cible unique, j’évalue les avantages et difficultés afférentes à cette méthode. Après une étude bibliographique des méthodes de formation du CZTS et après une étude de pulvérisation de CZTS à partir d’une cible unique, je justifie le choix d’une méthode originale de pulvérisation à partir de trois sources. Je présente ensuite une étude bibliographique évaluant la possibilité de déposer une couche tampon en Zn(O,S) par pulvérisation pour remplacer le CdS déposé par bain chimique. Enfin, après une étude montrant que notre équipement ne permet pas d’obtenir des couches d’AZO ayant les propriétés électriques requises, une étude matériau des couches d’ITO déposées par pulvérisation RF est réalisée. Des couches d’ITO amorphe ayant d’excellentes propriétés électriques et optiques sont obtenues et leur utilisation en tant que fenêtre optique des cellules est proposée. / Thin film photovoltaic cells based on CIGS and CZTS materials has been initiated in this work. Environmental and economic issues have been taken into account to define an original strategy. We aim to substitute all the toxic and rare materials by abundant and non-toxic materials. In order to simplify the fabrication process, we also decide to deposit all layers using sputtering technique. The molybdenum back contact has been developed on a soda lime glass (SLG) substrate, with adequate electrical properties and good adhesion to the substrate even after thermal treatments similar to those used during the absorber formation. We have verified the required sodium migration from the SLG substrate to the molybdenum surface. A bibliographic study has been done to evaluate a single-target sputtering method to form CIGS and CZTS films. CZTS thin film deposition from a single target has been studied, with unsatisfactory results. We finally suggest an original multi-target method. Then, a bibliographic study has been done to evaluate the relevance of a sputtered Zn(S,O) buffer layer to replace the CBD-CdS conventional buffer layer. A study of RF-sputtered AZO films has been carried out, but we didn’t obtain the required electrical conductivity. We finally study RF-sputtering of ITO films. We developed amorphous ITO thin films with excellent electrical and optical properties. We suggest using this material as the window layer of solar cells.