Cette thèse a pour but le développement d'une source photovoltaïque autonome ayant des capacités d'auto-diagnostic. Un structure d'hybridation spécifique est proposée consistant en une hybridation DC de sources photovoltaïques, d'une batterie au lithium et de supercondensateurs. Des modèles dynamiques des convertisseurs boost conventionnels et de leur variante avec isolation galvanique sont proposés. Un observateur d'état est ensuite présenté pour estimer en ligne les différents paramètres représentant les pertes des convertisseurs. On montre qu'il est possible d'utiliser ces paramètres estimés pour la gestion de l'énergie dans le système, avec en particulier l'optimisation du rendement de structures parallèles. L'optimisation des sources photovoltaïques est aussi étudiée avec une attention particulière accordée aux phénomènes d'ombrage partiel et le design d'un algorithme de maximisation de la puissance produite (MPPT) dans le cas d'une architecture distribuée série. De part une architecture de puissance spécifique, on propose aussi une méthode d'estimation de l'état de santé (SOH) de la batterie qui est validée sur des cellules de batterie Li - ion et LiFePO4. On montre que le convertisseur Cuk isolé avec inductances couplées est parfaitement adapté pour faire du diagnostic en ligne sur les batteries par injection de courant. Enfin, un schéma de gestion de l'énergie global est proposé, et on vérifie le bon fonctionnement de l'ensemble de la source hybride proposée / This thesis interested on developing a stand-alone photovoltaic system with self-diagnosis possibility. A specific structure has been proposed consisting in a DC hybridization of photovoltaic sources, a Lithium-based battery and supercapacitors. Dynamics models of the boost converter and the current-fed dual-bridge DC-DC converter are proposed and an efficient state observer is proposed to estimate the models equivalent losses' parameters online. It is shown that the estimated parameters can be used in the energy management scheme, with in particular optimisation of the efficiency of paralleled structures. The photovoltaic source optimization is also studied with special attention on shading phenomenon and design of MPPT technique especially on the case of distributed series architecture. Through a specific hybridization structure, State-Of-Health estimation is tested on Li-ion and LiFePO4 batteries. It is shown that the isolated coupled-inductors Cuk converter is very efficient for battery estimation through current injection. Finally, a global energy management scheme is proposed, and the developed stand-alone photovoltaic system is validated to operate as supposed

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.

Η ηλιακή ενέργεια αποτελεί μια από τις κύριες Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ). Μπορεί να αξιοποιηθεί είτε μετατρεπόμενη σε ηλεκτρισμό είτε σε θερμότητα. Για τη μετατροπή της σε ηλεκτρισμό η κύρια τεχνολογία που χρησιμοποιείται είναι η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών. Αντίστοιχα, για την μετατροπή της σε θερμότητα χρησιμοποιούνται ευρέως οι τεχνολογίες των επίπεδων θερμικών ηλιακών συλλεκτών και των θερμικών συλλεκτών σωλήνων κενού. Βασικό ζητούμενο και στις δύο περιπτώσεις αποτελεί η μεγιστοποίηση της αποδοτικότητας τους. Μια από τις μεθόδους που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αύξηση της αποδοτικότητας μιας ηλιακής συσκευής είναι η χρήση ενισχυτικών ανακλαστήρων. Επίσης, στις συνήθεις τεχνολογίες φωτοβολταϊκών που εφαρμόζονται σήμερα, η μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας τους βελτιώνει την απόδοση τους. Η διπλωματική ερευνητική εργασία που ακολουθεί περιλαμβάνει τη συγκριτική μελέτη φωτοβολταϊκών διατάξεων, επίπεδων θερμικών συλλεκτών και συλλεκτών σωλήνων κενού. Μελετήθηκαν συστήματα φωτοβολταϊκών με τη χρήση διαφόρων μεθόδων ψύξης, ενεργητικών και παθητικών. Επίσης μελετήθηκε η αύξηση της αποδιδόμενης ηλεκτρικής ενέργειας των φωτοβολταϊκών με χρήση ενισχυτικών ανακλαστήρων (ημικατοπτρικός ανακλαστήρας, ανακλαστήρας αλουμινίου (ματ), λευκός ανακλαστήρας). Υλοποιήθηκαν συνδυαστικά συστήματα με ταυτόχρονη ψύξη και χρήση ενισχυτικού ανακλαστήρα και μελετήθηκε η συμπεριφορά τους. Ακόμα, μελετήθηκε η αύξηση της αποδιδόμενης θερμικής ενέργειας επίπεδου ηλιακού θερμικού συλλέκτη με προσθήκη ενισχυτικών ανακλαστήρων (καθρέπτης, ανακλαστήρας αλουμινίου και λευκός ανακλαστήρας). Τέλος, κατασκευάστηκε διάταξη θερμικού συλλέκτη σωλήνα κενού με επίπεδη ανακλαστική επιφάνεια. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα με την προσθήκη ενισχυτικών ανακλαστήρων (ημικατοπτρικός ανακλαστήρας, ανακλαστήρας αλουμινίου και λευκός ανακλαστήρας) και μελετήθηκε η αύξηση της θερμικής απόδοσης του συλλέκτη. Με βάση τα αποτελέσματα των πειραμάτων, εξάγονται αντίστοιχα συμπεράσματα και παρατίθενται προτάσεις σχετικά με τις διατάξεις αυτές. / Solar energy is one of the main Renewable Energy Sources (RES). It can be utilized by being transformed into electricity or heat. The main technology used to transform solar energy into electricity is photovoltaics. Respectively, flat plate solar thermal collectors and evacuated tube solar thermal collectors are the technologies mostly used to transform solar energy into usable heat. One of the main concerns on both cases, is the maximization of their performance. The use of booster reflectors is one of the methods that can be implemented in order to increase the performance of a solar device. Also, a method to increase the performance of the main photovoltaic technologies used at the moment, is to cool them. The following diploma – research thesis includes the comparative study of photovoltaic systems, flat plate solar thermal collectors and evacuated tube solar thermal collectors. Photovoltaic systems with the use of various cooling methods, active and passive, were studied. The increase of the photovoltaic electrical output using booster reflectors (semi specular, aluminum reflector and white reflector) was also studied. Combined systems were implemented, with simultaneous cooling and usage of booster reflector, and their behavior was observed. In addition, the increase of the thermal output of a flat plate collector by using booster reflectors (mirror, aluminum reflector and white reflector) was studied. Finally, an evacuated tube solar thermal collector system with an embedded reflective surface was implemented. Experiments were carried out with the addition of booster reflectors (semi specular, aluminum reflector and white reflector) and the increase of the collector’s thermal output was measured. Based on the experimental results, conclusions and suggestions are made about these systems.

The food industry is a large consumer of industrial energy. A very large portion of this energy is needed in the form of thermal energy at medium to low temperatures. Fossil fuels remain the dominant sources of this energy. This combination provides various possibilities to reduce energy consumption and CO2 emissions with heat recovery, but also with the integration of solar process heat. Energy efficiency must provide the context, or background, of such considerations, and is therefore a very important aspect of them. It is a complex task to design an efficient heat supply with a variety of energy sources. An analysis of standards for energy audits, guides for energy efficiency and guides for solar process heat integration confirms that complexity. However, no available methodology considers all the necessary steps. These must range from analysis of the existing heat supply to the redesign of an efficient heat supply system. The focus must be on heat sources with waste heat and on solar process heat that might be used to complement the conventional sources. The design of a process heat system is mainly the task of design engineers in engineering offices. Specific tools and measures are needed to support these experts. However, the companies of the food industry sector employ their own energy engineers for energy issues. These people are actually the decision makers responsible for the configuration of the company energy supply systems, who also possess knowledge of the processes in their industry subsector. The expertise of the energy engineers varies within a broad range and is also connected to their area of responsibility. Therefore, it is important to consider these energy engineers when developing a methodology. The development of the methodology proposed herein consists first of the configuration of the tools and measures, which were assigned to four elements and functions. Second, the methodology so developed was applied at two companies in cooperation with their energy engineers, in detailed case studies. The feedback from the energy engineers is therefore a main objective and provides a background for evaluation of the usability of the methodology. It demonstrates the expertise required of the energy engineers, for the application of the tools and measures provided. Moreover, the development and application of the methodology involving real companies demonstrates the necessity of getting feedback from energy engineers. That finding is very important, and has been insufficiently considered in previous guides or methodologies. It is proposed that further work be aimed at providing additional case studies to extend the use of this methodology to other parts of the food industry.

L’objectif final de la thèse est l'impression de la couche photo-active ternaire d'une cellule solaire organique en utilisant deux approches: l'une concerne l'apport de nanotubes de carbone (SWCNT) pour améliorer les propriétés de transport, l'autre concerne la préparation de mélanges ternaires de matériaux pour contrôler la couleur des cellules. Les encres pour la couche active incluant des SWCNT fonctionnalisés sont composées d’un donneur d'électron (polymère) (poly(3-hexylthiophène), [P3HT]) et d’un accepteur d'électron ( [6,6]-phényl C61-butyrique ester méthylique d'acide [PCBM]) et ont été développées pour la fabrication de cellules inversées. Ces cellules sont réalisées sur substrats de verre pour l'optimisation de leurs performances, puis sur substrats plastiques pour les applications. Diverses couches d'interfaces ont été testées, qui incluent l'oxyde de zinc (ZnO, couches obtenues par pulvérisation ionique (IBS) ou à partir de solutions de nanoparticules) pour la couche de transport d'électrons et le PEDOT:PSS, le P3MEET, le V2O5 et le MoO3 pour la couche de transport de trous. Des essais ont été effectués avec et sans CNT afin d’étudier leur impact sur les performances. Des résultats similaires sont obtenus dans les deux cas. Il était attendu que les CNT améliorent les performances, ce qui n’a pas été observé pour le moment. Des travaux supplémentaires sont donc nécessaires au niveau de la formulation de la couche active.Avec trois polymères de couleur rouge (P3HT), bleu (B1) et vert (G1), nous avons préparé des mélanges ternaires efficaces permettant l'obtention de couleurs jusque là indisponibles . Nous avons fait une étude sur le piégeage et les mécanismes de diodes parallèles associés aux mélanges. En général, nous avons constaté que les mélanges ternaires de polymères bleu et vert peuvent être décrits par une mécanisme de diodes parallèles, sans entrainer de perte de performances, ce qui n'est pas possible pour les systèmes P3HT:B1 :PCBM et P3HT:G1:PCBM qui se piègent mutuellement. L’objectif final du projet est l'impression de la couche photo-active ternaire d'une cellule solaire organique, composites ternaires (polymère:polymères:acceptor) ou dopés avec les SWCNT. Cette étape nécessite encore des développements futurs. / Two approaches were followed to achieve increased control over properties of the photo-active layer (PAL) in solution processed polymer solar cells. This was accomplished by either (1) the addition of functionalized single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) to improve the charge transport properties of the device or (2) the realization of dual donor polymer ternary blends to achieve colour-tuned devices.In the first component of the study, P3HT:PC61BM blends were doped with SWCNTs with the ambition to improve the morphology and charge transport within the PAL. The SWCNTs were functionalized with alkyl chains to increase their dispersive properties in solution, increase their interaction with the P3HT polymer matrix, and to disrupt the metallic characteristic of the tubes, which ensures that the incorporated SWCNTs are primarily semi-conducting. P3HT:PCBM:CNT composite films were characterized and prepared for use as the photoactive layer within the inverted solar cell. The CNT doping acts to increase order within the active layer and improve the active layer’s charge transport properties (conductivity) as well as showed some promise to increase the stability of the device. The goal is that improved charge transport will allow high level PSC performance as the active layer thickness and area is increased, which is an important consideration for large-area inkjet printing. The use of ternary blends (two donor polymers with a fullerene acceptor) in bulk-heterojunction (BHJ) photovoltaic devices was investigated as a future means to colour-tune ink-jet printed PSCs. The study involved the blending of two of the three chosen donor polymers [red (P3HT), blue (B1), and green (G1)] with PC61BM. Through EQE measurements, it was shown that even devices with blends exhibiting poor efficiencies, caused by traps, both polymers contributed to the PV effect. However, traps were avoided to create a parallel-like BHJ when two polymers were chosen with suitable physical compatibility (harmonious solid state mixing), and appropriate HOMO-HOMO energy band alignment. The parallel diode model was used to describe the PV circuit of devices with the B1:G1:PC61BM ternary blend.

Les phénomènes quantiques des nanostructures peuvent être une opportunité pour le développement d’une nouvelle génération de cellules photovoltaïques. Ce travail décrit la synthèse et les caractérisations de nanoparticules de silicium dans une matrice d’oxynitrure de silicium. Il est possible d’obtenir des nanoparticules de silicium de diamètre compris entre 3 et 7 nm dans des matrices allant du nitrure de silicium à l’oxyde de silicium. Les propriétés des nanoparticules dépendent très fortement de la composition de la matrice. Afin d’accroître la conduction dans ces couches diélectriques, nous avons effectué un dopage électrique par implantation ionique. La localisation et la densité des ions implantés ont été observées par des techniques associées de microscopie électronique en transmission et de rayons X. Une augmentation de la conduction a été démontrée lors du dopage permettant d’observer un effet photovoltaïque sur une structure comportant des nanoparticules de silicium. / Quantum effects in nanostructures exhibit properties that can be very useful for the development of a new generation of solar cells. We investigated the synthesis of silicon nanostructures in silicon oxynitride made by a plasma enhanced chemical vapour deposition technique. Thus, silicon nanoparticles of diameter between 3 and 7 nm were obtained in different matrix ranging from silicon oxide to silicon nitride. The properties highly depend on the composition of the matrix. We also study the incorporation of impurities in the films with the aim of increasing the electrical conductivity of the structure. This was done by implanting different ions in the structure followed by thermal annealing. We have investigated the position of the ion and its content in the composite by combining Transmission Electron Microscopy and X-ray diffraction. Finally, N+/P junctions were fabricated using highly doped films containing silicon nanoparticles and a photovoltaic effect was demonstrated.

Dans cette thèse, nous avons utilisé un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) à basse température afin de fabriquer des minimodules à base de cellules solaires à jonction radiale (RJ SiNWs) sur des substrats de verre de 5x5 cm² en employant la gravure laser pour la mise en série des cellules.Nous avons utilisé une couche de 600 nm d’épaisseur de dioxyde d’étain dopée au fluor (FTO) déposée sur du verre sodocalcique (SLG). La couche de FTO sert à la fois de contact arrière pour le module et de source de catalyseur Sn une fois la couche de FTO réduite par un plasma de H2. Ensuite, on fait croître des SiNW dopés p par le procédé Vapor-Liquid-Solid (VLS) assisté par plasma, suivi d’un dépôt d’une couche de Si intrinsèque a-Si:H et d’une couche de Si dopée n µc-SiOx:H, afin d’obtenir une cellule solaire à jonction radiale PIN. Nous avons obtenu une efficacité énergétique de 6.3 % avec une surface active de 0.126 cm². C’est à notre connaissance l’efficacité la plus élevée obtenue en utilisant une couche de FTO comme source de catalyseur Sn.La gravure laser a été utilisée pour retirer localement des couches minces dans l’objectif de fabriquer des minimodules solaires. Grâce à la gravure laser, une connexion monolithique en série entre les cellules solaires à jonction radiale adjacentes a pu être accomplie. Dans cette thèse, la gravure laser a servi à retirer localement la couche de FTO ainsi que les RJ SiNWs, étapes appelées respectivement P1 et P2. On dépose ensuite une couche transparente d’oxyde d’indium-étain (ITO), servant de contact avant, par pulvérisation cathodique (étape P3), et on procède à la séparation en bandes par la technique « lift-off ». Nous avons mené une étude détaillée de l’étape P2 de gravure obtenue par un laser vert (532 nm) et IR (1064nm). La puissance du laser a un impact direct sur l’ablation des RJ SiNWs, et peut aussi endommager le contact arrière de la cellule. Nous avons déterminé que le laser vert entraîne une fonte partielle de matériau sur les bords de la zone gravée, contrairement au laser IR qui produit des gravures de meilleure qualité. La cartographie Raman des zones gravées permet une analyse des matériaux dans la zone étudiée, et a donné des indications sur la composition des résidus laissés par les impulsions laser. Nous avons démontré que l’utilisation du laser IR pour l’étape P2 de gravure est préférable. Elle permet d’avoir des connexions en série de haute qualité entre les cellules.Enfin, le mini-module optimisé de 10 cm² à base de RJ SiNWs a atteint un rendement de conversion énergétique de 4.37 % avec une puissance générée de 44 mW, grâce à l’amélioration de l’étape P2 et de l’impression par jet d’encre d’une grille dense d’Ag. À notre connaissance, cette puissance générée est la plus élevée rapportée pour des modules solaires à base de cellules à jonction radiale. / In this thesis, we have used a low-temperature plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) reactor to fabricate Si nanowire radial junction solar mini-modules on 5x5 cm2 glass substrates with the assistance of the laser scribing technique for the series connection of the cells.We have used fluorine-doped tin oxide (FTO) deposited on soda-lime glass substrates (SLG) as a back contact as well as the source of the Sn catalyst which was formed by a direct reduction of FTO using a H2 plasma. Subsequently, p-type SiNWs were grown using plasma-assisted vapor liquid solid (VLS) process, followed by the deposition of intrinsic a-Si:H and n-type µc-SiOx:H layers to achieve pin radial junction solar cells. We have obtained an energy conversion efficiency of 6.3 % with an active area of solar cells of 0.126 cm2, which is to our knowledge, the highest efficiency obtained based on FTO layers as a source of Sn catalyst.Laser scribing was used to perform a selective removal of thin-film materials in order to fabricate minimodules. With laser scribing, a monolithic series connection between adjacent RJ SiNW solar cells on the same glass substrate was achieved. In particular, the laser scribing system has been used to perform selective removal of FTO thin-film and RJ SiNWs, which are commonly known as step P1 and P2, respectively, and to perform a final scribe to isolate the active region from the rest of the substrate. The transparent top ITO contact was sputtered and cell stripes were defined using the lift-off technique (step P3).We have carried out a detailed study of the P2 laser scribe obtained with either green (532 nm) or IR (1064 nm) laser setups. The power of the laser has to be controlled as it has a direct impact on the removal of SiNW RJs and it can damage the underneath FTO contact. We have found that the scribing using a green laser produces a partial melting outside the scribed spots, unlike the IR laser which provides a cleaner scribing and less crystallized material at the edges of scribed spots. Mapping of the scribed spots using Raman spectroscopy allowed analyzing the material composition within the scanned area inside the craters left by the laser pulses. We have demonstrated that the use of the IR laser is preferable for P2 scribing because it can provide a high-quality series connection between cells.Finally, the optimized 10 cm2 SiNW RJ mini-module has reached an energy conversion efficiency of 4.37 % with power generation of 44 mW, thanks to the improved P2 laser scribing and the dense Ag grid printed using the ink-jet method. This performance represents, to the best of our knowledge, the highest reported power generation for silicon nanowire-based solar modules on glass substrates.

La recherche sur le photovoltaïque vise à réduire le prix par watt de puissance électrique générée. Des efforts considérables sont menés pour rechercher de nouveaux matériaux et des conceptions qui repoussent les limites des cellules solaires existantes. Le développement récent de matériaux et nanostructures complexes pour les cellules solaires nécessite des efforts plus importants pour mener à bien leur caractérisation et leur modélisation. Cette thèse porte sur la caractérisation optique, la modélisation et l'optimisation de la conception d'architectures de cellules solaires de pointe.Les mesures optiques sont utilisées pour la caractérisation rapide et non destructive des échantillons texturés pour les applications photovoltaïques. Les textures de surface améliorent le piégeage de la lumière et sont donc souhaitées pour améliorer les performances des cellules solaires. D'autre part, ces textures rendent la caractérisation optique plus difficile et des efforts plus importants sont nécessaires non seulement pour la mesure optique elle-même mais également pour la modélisation et l'interprétation ultérieure des données obtenues. Dans ce travail, nous démontrons que nous sommes en mesure d'utiliser des méthodes optiques pour étudier les textures pyramidales très répandues ainsi que les réseaux de nanofils de silicium à orientation aléatoire dont l'analyse est très difficile.Premièrement, nous nous sommes concentrés sur l'étude optique de diverses surfaces pyramidales et de leur impact sur les performances des cellules silicium à hétérojonction. Nous avons constaté que les angles au sommet des pyramides, préparées à l'aide de différentes conditions de texturation, diffèrent de la valeur théorique de 70.52° attendue pour le silicium cristallin. Cette modification de l'angle au sommet est expliquée par la présence, sur les facettes pyramidales, de terrasses monoatomiques régulières, observées par microscopie électronique à transmission de résolution atomique. L'impact d'une variation de l’angle au sommet sur les épaisseurs des couches minces déposées est étudié et les conséquences sur l'efficacité des cellules solaires résultantes sont discutées. Un modèle optique développé pour le calcul de la réflectance et de l'absorption des couches minces en multicouches sur surfaces pyramidales a permis l’optimisation de la conception de la cellule solaire pour un angle au sommet pyramidal donné.L'ellipsométrie matricielle Mueller a été utilisée in-situ pour caractéiser le processus de croissance - par méthode vapeur-liquide-solide activée par plasma - des nanofils de silicium. Nous avons développé un modèle optique facile à utiliser, qui, à notre connaissance, est le premier modèle utilisant des données ellipsométriques expérimentales pour contrôler le procédé de croissance, en phase vapeur-liquide-solide assisté par plasma, des nanofils. La dépendance linéaire observée du dépôt de matériau de silicium avec le temps de dépôt nous permet de suivre le processus de fabrication in situ et de contrôler la qualité du matériau. / Research in photovoltaics aims at lowering the price per watt of generated electrical power. Substantial efforts aim at searching for new materials and designs which can push the limits of existing solar cells. The recent development of complex materials and nanostructures for solar cells requires more effort to be put into their characterization and modeling. This thesis focuses on optical characterization, modeling, and design optimization of advanced solar cell architectures.Optical measurements are used for fast and non-destructive characterization of textured samples for photovoltaic applications. Surface textures enhance light-trapping and are thus desired to improve the solar cell performance. On the other hand, these textures make optical characterization more challenging and more effort is required for both, the optical measurement itself and subsequent modeling and interpretation of obtained data. In this work, we demonstrate that we are able to use optical methods to study the widely used pyramidal textures as well as very challenging randomly oriented silicon nanowire arrays.At first, we focused on the optical study of various pyramidal surfaces and their impact on the silicon heterojunction solar cell performance. We have found that vertex angles of pyramids prepared using various texturing conditions vary from the theoretical value of 70.52° expected from crystalline silicon. This change of the vertex angle is explained by regular monoatomic terraces, which are present on pyramid facets and are observed by atomic resolution transmission electron microscopy. The impact of a vertex angle variation on the thicknesses of deposited thin films is studied and the consequences for resulting solar cell efficiency are discussed. A developed optical model for calculation of the reflectance and absorptance of thin film multi-layers on pyramidal surfaces enabled a solar cell design optimization, with respect to a given pyramid vertex angle.In-situ Mueller matrix ellipsometry has been applied for monitoring the silicon nanowire growth process by plasma-enhanced vapor-liquid-solid method. We have developed an easy-to-use optical model, which is to our knowledge a first model fitting the experimental ellipsometric data for process control of plasma-assisted vapor-liquid-solid grown nanowires. The observed linear dependence of the silicon material deposition on the deposition time enables us to trace the fabrication process in-situ and to control material quality.

Cette thèse porte sur le développement d’une approche pratique de modélisation/simulation des systèmes solaires combinés Photovoltaïques/Thermiques PV/T. Il s’agit d’une approche basée sur un modèle d’ordre réduit en représentation d’état (ORRE). En effet, les systèmes solaires thermiques, électriques et combinés intégrés aux bâtiments possèdent des spécificités permettant de s’affranchir des méthodes numériques classiques (mécanique des fluides numérique et thermique numérique). Ces méthodes sont réputées dans le domaine de l’aérodynamique, de l’aéraulique…etc. Par contre, dans le domaine du mix-énergétique tels que celui considéré dans ce mémoire, l’application directe de ce modèle peut conduire à des dépassements des capacités mémoire ou des temps de calcul exorbitants. Une alternative est de développer des méthodes adaptées au problème physique considéré, en traitant l’aspect multi-physique toute en restant dans une taille de données raisonnable et du temps de calcul réduit. La méthodologie de modélisation consiste à réduire les dimensions des équations qui régissent le problème. En se basant sur la symétrie du système, puis en découpant le système en zones de contrôle basées sur une valeur moyenne gouvernée par les nombres adimensionnels de Biot (Bi) et de Fourier (Fo). Les résultats obtenus en fonctionnement dynamique pourront nous fournir des paramètres de sorties, plus particulièrement, les rendements électrique, thermique et la puissance de circulation du fluide caloporteur. L’avantage de l’approche proposée réside dans la simplification du modèle résultant, qui est représenté par un seul système d’équations algébriques en représentation d’état regroupant tous les éléments physiques du système en fonctionnement dynamique (conditions aux limites variables dans le temps). Ce modèle regroupe la variable fondamentale qui est la température, et les deux types de contrôle et de conception. De plus, le modèle d’ORRE est intégrable dans le fonctionnement en temps réel des systèmes PV/T intégrés aux bâtiments (PV/T-Bât) afin d’accompagner leurs régulation et gestion des flux mise en jeu. Le modèle ainsi proposé a fait l’objet d’une validation où les résultats numériques ont été comparés aux résultats expérimentaux. En effet, quatre configurations ont été étudiées et évoquées dans une approche linéaire. Les résultats obtenus montrent une cohérence tolérable entre les résultats expérimentaux, et numériques. Cette cohérence a été évaluée en termes d’incertitude entre les résultats du modèle et le cas étudié expérimentalement. Le cas d’un système non-linéaire a été également abordé. En effet, rares sont les travaux qui ont été publiés mettant en valeur les phénomènes non-linéaires dans les systèmes complexes PV/T-Bât, Ainsi, on a développé avec la même stratégie, des modèles bilinéaires qui modélise le mieux possible le comportement thermique dans les systèmes PV/T-Bât. Une étude d’optimisation du système multi-physique en introduisant une étude paramétrique est menée en terme afin d’étudier la sensibilité des paramètres sur le rendement énergétique. Cependant, les études d’optimisation paramétriques restent limitées et insuffisantes à cause de la résolution mono-objectif du problème d’optimisation, alors que notre système manifeste un comportement combiné et multi-physique de nature contradictoire. Pour ce faire, une optimisation multi-objectifs est introduite avec trois fonctions objectif en employant l’algorithme génétique NSGA-II. L’originalité de notre méthode est d’employer l’algorithme en régime dynamique afin de choisir la conception du système la plus optimale. Les résultats trouvés peuvent contribuer à améliorer la conception des systèmes PV/T-Bât et l’optimisation de leur fonctionnement / This thesis consists to develop a simplified model approach for Photovoltaic / Thermal (PV / T) combined solar system based on state-space reduced order model. The building integrated solar systems are getting high attention in these last decencies, as well as the performance increasing which require high numerical methods to improve the design and reducing the costs. In one hand, the CFD methods are useful tool to predict the energy (mechanical and thermal) of combined PV/T systems, but it requires an expensive computing capacities and exorbitant calculation times, On the other hand, the PV/T systems can generate both the electrical and thermal flows, and requires an easily and performant optimization model. An alternative is to develop methods that are adapted to the physical problem under consideration, treating the multi-physics aspect while remaining in a reasonable data size and reduced computing time. The first part of the current thesis consists to develop a mathematical model which consists of reducing the dimensions of the governed equations. Based on the symmetry of the geometry, the system is subdivided into control areas which governed by the dimensionless Biot (Bi) and Fourier (Fo) numbers. The obtained results in dynamic mode can provide output key parameters, more particularly the electrical and thermal efficiencies and the dissipated hydrodynamic power. The advantage of this approach lies in the simplification of the resulting model, which is represented by a single state-space representation that groups all the physical elements of the system into dynamic mode, i.e. in continuous variation of the boundary condition. This model groups the fundamental variable, which is the temperature, and two type parameters, which are the control parameters and the design parameters. In addition, the reduced order model can be integrated into real-time operation of building-integrated PV / T (BIPV/T) systems in order to support their regulation and management of intervening flows. In order to validate the use of our model, it is necessary to test it for several cases of Building Integrated PV/T systems (BIPV/T). For this, four major configurations were studied and discussed in a linear approach; the found results show a good agreement with experimental works. A second level has been developed as part of our thesis work, which is the non-linearity in combined PV / T and BIPV/T systems; in particular, bilinear models have been developed with the same strategy which best models the thermal behavior in BIPV/T systems. The second issue, related to Multi-physics aspect. Furthermore, in order to evaluate the sensitivity of the parameters, a parametric optimization has been made with dimensionless numbers. However, parametric optimization studies remain limited and insufficient because of the single-objective resolution of the optimization problem, whereas our system manifests a mixed and multi-physics behavior with contradictory nature. To do this, a multi-objective optimization is introduced with three objective functions using the NSGA-II genetic algorithm. The originality of our method is to use the algorithm in dynamic mode in order to choose the design of the optimal system. The found results can contribute to the design of BIPV/T systems and optimize their operation

L'orientation énergétique actuelle vers le développement de systèmes électriques isolés, s'est traduit par l'établissement de nouvelles directives sur les performances et la fiabilité des structures de puissance mises en oeuvre, en particulier ceux à base d'énergies renouvelables. C'est dans ce contexte que s'inscrivent ces travaux de thèse, qui aboutissent à l'élaboration de nouveaux outils destinés à l'amélioration de la qualité d'énergie et de la stabilité d'un micro-réseau autonome. Concernant l'optimisation énergétique des interfaces de conversion pour un réseau autonome, nous avons développé de nouveaux algorithmes de commande basés sur le concept de platitude des systèmes différentiels. L'avantage de cette technique réside dans la possibilité d'implémentation de régulateurs à une boucle. Cela garantit des propriétés dynamiques élevées en asservissement et en régulation. De plus, une prédiction exacte de l'évolution des variables d'états du système est possible. Concernant la stabilité des micro-réseaux autonomes, nous avons proposé des outils pour traiter les phénomènes d'instabilités, causés notamment par la perte d'informations de charges et par le phénomène de résonance des filtres d'interconnexion / The actual electrical energy demand focuses on the development of stand-alone electrical systems which leads to the definition of new directives on performances and reliability of the electrical structures, especially those based on renewable energy. The main objective of this work concerns the development of new tools to improve the power quality and the stability of autonomous micro-grid systems. In this aim, new control algorithms based on the concept of differential flatness have been developed. The main advantage of the proposed technique is the possibility of implementing one loop controllers ensuring high dynamic properties. In the same time, it allows accurate prediction of the evolution of all state variables of the system. Concerning the stability of the autonomous micro-grid systems, we proposed tools to deal with instability phenomena either caused by the loss of load information and the resonance phenomenon of the passive filters