Le développement dans la dernière décennie des systèmes photovoltaïques concentrés a augmenté le besoin de gérer le budget thermique dans le récepteur pour empêcher sa surchauffe et gérer les pertes de performances liées à la température. Ce projet de maîtrise s'inscrit dans le cadre du développement d’un système solaire fortement concentré en collaboration avec des partenaires industriels. Notre partenaire industriel a mis au point une solution de production d’énergie photovoltaïque de haute concentration à l’échelle commerciale, mais il reste à valider la conception du système adopté. Le projet concerne l'étude du récepteur photovoltaïque qui est composé d’un réseau dense de 800 cellules solaires triple jonctions, montées sur un substrat. Ce dernier est composé d’un empilement de couches et un échangeur de chaleur pour refroidir le récepteur. Puisque notre récepteur absorbera un grand flux de chaleur, il y aura des contraintes dues à la non-concordance des coefficients de dilatation thermique entre ses différentes couches. Ces déformations pourraient provoquer la rupture de contact entre les cellules solaires, et ainsi la défaillance électrique du récepteur. Pour cela, ces travaux de recherche ont porté sur une étude thermomécanique du récepteur. En effet, l’étude de la dilatation de l'assemblage multicouche a permis d’acquérir une connaissance d’analyse thermomécanique de la tenue de la structure multicouche vis-à-vis d’un chargement thermique. Puis, le comportement des époxys, conducteur et isolant électrique utilisés pour fixer les cellules sur le substrat, a été étudié en fonction de plusieurs paramètres géométriques et des propriétés matérielles. La différence des coefficients d’expansion thermiques (CTE) des époxys, était le paramètre clé pour varier les contraintes dans les interconnexions. Conséquemment, on a utilisé deux époxys avec deux CTE proches pour diminuer les contraintes induites dans les deux époxys. De plus, vu que la structure se compose des couches usinées, on a créé des abaques de variation de rigidité effective en fonction des facteurs de formes dimensionnels des couches usinées. Enfin, le travail a permis de mettre en place des essais expérimentaux pour s’assurer du fonctionnement du récepteur à haute température. Par conséquent, on a validé l’utilisation de l’époxy dans la conception adoptée vu que la déformation maximale supportée par ce dernier ([epsilon Minuscule][indice inférieur m ax]=0.167 %) est supérieure à la déformation maximale qu’il peut avoir au cours de l'opération ([epsilon Minuscule][indice inférieur époxy]=0.0048%). Ensuite, les exigences de récepteur en termes de fonctionnement à haute température ont été fixées, comme l’écart maximal que l’époxy peut supporter pour la liaison des cellules entre deux unités du récepteur qui est [delta Majuscule]Gap[indice inférieur limite] [epsilon Minuscule] [[Plus ou moins]46 [mu Minuscule]m, [Plus ou moins]53 [mu Minuscule]m].

Le d??veloppement dans la derni??re d??cennie des syst??mes photovolta??ques concentr??s a augment?? le besoin de g??rer le budget thermique dans le r??cepteur pour emp??cher sa surchauffe et g??rer les pertes de performances li??es ?? la temp??rature. Ce projet de ma??trise s'inscrit dans le cadre du d??veloppement d???un syst??me solaire fortement concentr?? en collaboration avec des partenaires industriels. Notre partenaire industriel a mis au point une solution de production d?????nergie photovolta??que de haute concentration ?? l?????chelle commerciale, mais il reste ?? valider la conception du syst??me adopt??. Le projet concerne l'??tude du r??cepteur photovolta??que qui est compos?? d???un r??seau dense de 800 cellules solaires triple jonctions, mont??es sur un substrat. Ce dernier est compos?? d???un empilement de couches et un ??changeur de chaleur pour refroidir le r??cepteur. Puisque notre r??cepteur absorbera un grand flux de chaleur, il y aura des contraintes dues ?? la non-concordance des coefficients de dilatation thermique entre ses diff??rentes couches. Ces d??formations pourraient provoquer la rupture de contact entre les cellules solaires, et ainsi la d??faillance ??lectrique du r??cepteur. Pour cela, ces travaux de recherche ont port?? sur une ??tude thermom??canique du r??cepteur. En effet, l?????tude de la dilatation de l'assemblage multicouche a permis d???acqu??rir une connaissance d???analyse thermom??canique de la tenue de la structure multicouche vis-??-vis d???un chargement thermique. Puis, le comportement des ??poxys, conducteur et isolant ??lectrique utilis??s pour fixer les cellules sur le substrat, a ??t?? ??tudi?? en fonction de plusieurs param??tres g??om??triques et des propri??t??s mat??rielles. La diff??rence des coefficients d???expansion thermiques (CTE) des ??poxys, ??tait le param??tre cl?? pour varier les contraintes dans les interconnexions. Cons??quemment, on a utilis?? deux ??poxys avec deux CTE proches pour diminuer les contraintes induites dans les deux ??poxys. De plus, vu que la structure se compose des couches usin??es, on a cr???? des abaques de variation de rigidit?? effective en fonction des facteurs de formes dimensionnels des couches usin??es. Enfin, le travail a permis de mettre en place des essais exp??rimentaux pour s???assurer du fonctionnement du r??cepteur ?? haute temp??rature. Par cons??quent, on a valid?? l???utilisation de l?????poxy dans la conception adopt??e vu que la d??formation maximale support??e par ce dernier ([epsilon Minuscule][indice inf??rieur m ax]=0.167 %) est sup??rieure ?? la d??formation maximale qu???il peut avoir au cours de l'op??ration ([epsilon Minuscule][indice inf??rieur ??poxy]=0.0048%). Ensuite, les exigences de r??cepteur en termes de fonctionnement ?? haute temp??rature ont ??t?? fix??es, comme l?????cart maximal que l?????poxy peut supporter pour la liaison des cellules entre deux unit??s du r??cepteur qui est [delta Majuscule]Gap[indice inf??rieur limite] [epsilon Minuscule] [[Plus ou moins]46 [mu Minuscule]m, [Plus ou moins]53 [mu Minuscule]m].

Le développement des systèmes de conversion photovoltaïques ces trente dernières années a permis des améliorations considérables en terme de coût et de performances. A ce jour, les meilleurs rendements de conversion photovoltaïques sont obtenus avec des systèmes à oncentration solaire utilisant des cellules multi-jonctions (MJ) à base de matériaux semi-conducteurs III-V. Dans ce domaine, le meilleur rendement atteint à ce jour est de 46,0 % sous une concentration de 508 soleils avec une cellule à 4 jonctions issu du partenariat Soitec/Fraunhofer ISE/CEA. Cette cellule MJ est composée d’une cellule tandem accordée sur GaAs assemblée par collage moléculaire à une autre cellule tandem accordée sur InP. Bien que le rendement atteint soit élevé, les performances de la cellule sont limitées sous fortes concentrations à cause de ce collage moléculaire. Dans le domaine des fortes concentrations, le record est actuellement détenu par la société américaine Solar Junction avec un rendement de 44,0 % mesuré sur une cellule triple jonction monolithique en GaInP/GaAs/GaInNAs de 0,3 cm² pour un taux de concentration de 942 soleils (irradiance directe de 942 kW/m²). Une seconde cellule a atteint un rendement performant à une irradiance directe supérieure à 1 MW/m², il s’agit d’une cellule tandem en GaInP/GaAs de l’IES-UPM qui a atteint 32,6 % sous une concentration de 1026 soleils.Dans le contexte précédent, les travaux présentés dans ce manuscrit visent à l’évaluation d’une nouvelle filière dans le domaine du CPV à base de semi-conducteurs III-V : la filière antimoniure (III-Sb). Les cellules que nous avons étudiées dans le cadre de cette thèse sont à base de GaSb et de l’alliage AlxGa1-xAsySb1-y, fabriquées de façon monolithique par MBE (Molecular Beam Epitaxy) sur substrat GaSb. Ce type de cellules, du fait de la très bonne complémentarité des gaps des matériaux, constitue une alternative crédible et originale aux cellules existantes pour une utilisation sous flux solaire fortement concentré.Le travail à réaliser dans le cadre de cette thèse porte sur :- La caractérisation électrique et optique des alliages quaternaires utilisés.- La conception et le design des cellules.- La réalisation et la mise au point de toutes les étapes technologiques nécessaires à la conception des cellules (photolithographie UV, gravure, métallisation, …).- La caractérisation électrique et optique des cellules fabriquées (I(V), TLM, réponse spectrale, …).- La caractérisation des cellules sous flux solaire (fortement) concentré.Ce travail a été cofinancé par l’Université de Montpellier et le LabEx SOLSTICE. / The development of photovoltaic conversion systems these past thirty years led to considerable improvements in terms of cost and performances. The best conversion efficiencies are currently obtained with solar concentration systems associated with multi-junction solar cells (MJSC) made of III-V materials. In this field, the record efficiency is of 46.0% under a 508-sun solar concentration with a 4-junction cell from Soitec/Fraunhofer ISE/CEA. This MJSC is composed of a tandem cell lattice-matched to GaAs wafer bonded to another tandem cell lattice-matched to InP. Although it reached high conversion efficiency, its performances are limited under solar concentration because of the wafer bonding. In the field of high solar concentrations, the record is held by Solar Junction with a monolithic triple junction GaInP/GaAs/GaInNAs cell of 0.3 cm² that reached an efficiency of 44.0% under 942 suns (direct irradiance of 942 kW/m²). Another high solar concentration efficiency record worth mentioning is held by IES-UPM with a tandem solar cell (GaInP/GaAs) that reached an efficiency of 32.6% under a concentration of 1026 suns.In this context, the work presented in this manuscript aims to evaluate the potential of a new family of III-V materials for high solar concentration applications: antimonide-based materials (III-Sb). The studied cells in this thesis are made out of GaSb and the quaternary AlxGa1-xAsySb1-y, monolithically grown by MBE (Molecular Beam Epitaxy) on a GaSb substrate. These materials, thanks to the large range of available band-gaps, represent an original and well-founded alternative to existing solar cells for high solar concentration applications.The work achieved in this thesis covers:- The electrical and optical characterization of the quaternary materials used.- The conception and designing of the cells.- The production and tuning of every technological steps in order to fabricate our solar cells (UV photolithography, etching, metal deposition,…).- The electrical and optical characterization of our fabricated solar cells (I(V), TLM, spectral response,…).- The characterization under (high) solar concentration of our cells.This work was cofounded by the University of Montpellier and the LabEx SOLSTICE.

Les cellules LGBC (Laser Grooves Buried Contact) ont été inventées et développées par M. GRENN au sein de l'UNSW. Elles présentent des contacts métal/silicium enterrés permettant d'optimiser le contact métal/silicium sans augmenter le taux d'ombrage de la cellule. Dans ce manuscrit nous étudierons toutes les étapes clefs nécessaires à la réalisation de ce type de cellules de façon à les rendre industrialisables. Dans un premier temps nous étudierons la réalisation de tranchées dans le silicium via deux lasers (vert & IR). Les paramètres de ces tranchées seront comparées pour sélectionner les plus adaptées à notre technologie en nous assurant qu'il est possible de réaliser une diffusion thermique dans ces tranchées. Nous développerons ensuite deux techniques pour réaliser des émetteurs sélectifs, par double diffusion et par diffusion à travers une couche de nitrure de silicium. Enfin nous étudierons deux méthodes de dépôt de nickel par voie chimique une électrolytique et un electroless. / LGBC (Laser Grooved Buried Contact) solar cells was invented and developed by M.GREEN at UNSW. Grooved contact allow to reach a good serial resistivity without incresing the shadowing of the solar cell. In this report we will study the different step necessarry to build this kind of photovoltaic cells. Fisrt we will see the impact of laser effects on silicon and the different parameters to adapte red and green laser for grooved contct. The we will study to way to create selective emitter, on by two diffusion and the second one by diffusion throught a silicon nitride layer. Then we will develope two nickel metallisation one electrolytique and one electroless.

La limite théorique de rendement des cellules photovoltaïques simple-jonction est de l’ordre de 33% d’après le modèle de Shockley-Queisser, ce qui reste éloigné de la limite de Carnot, prédisant une limite maximale de conversion énergie solaire → électricité de 93%. L’écart important entre ces deux limites découle des pertes intrinsèques, essentiellement liées à la conversion inefficace du spectre solaire et à la disparité entre les angles solides d’absorption et d’émission. Pour surmonter ces pertes et se rapprocher de la limite de Carnot, trois stratégies sont envisagées dans cette thèse : les cellules multi-jonction àconcentration, la combinaison de la concentration et de la restriction angulaire et les systèmes hybrides PV/CSP. Chacune de ces stratégies est limitée par des mécanismes qui dégradent leur performance.L’objectif de cette thèse est donc de comprendre dans quelle mesure les différents mécanismes limitants sont susceptibles d’affecter les performances des différentes stratégies étudiées, et d’optimiser l’architecture des cellules dans le but d’accroitre leur efficacité de conversion. Dans ce but, un modèle détaillé de cellule solaire tenant compte des principaux mécanismes limitant a été développé. Un outil d’optimisation par algorithme génétique a également été mis au point, afin d’explorer l’espace des différents paramètres étudiés pour identifier les conditions d’opération optimales. Nous démontrons l’importance majeure que revêt l’adaptation des propriétés optoélectroniques des matériaux utilisés aux conditions opératoires, que ce soit dans le cas des cellules solaires à concentration endurant des pertes résistives significatives, ou encore dans le cas de cellules solaires fonctionnant à des niveaux de températures très supérieurs à l’ambiante. Enfin, nous avons déterminé l’effet des principaux facteurs limitant que constituent les pertes résistives et les recombinaisons non-radiatives sur les cellules solairessimultanément soumises au flux solaire concentré et à la restriction angulaire du rayonnement émis. / The maximum efficiency limit attainable with a single-junction PV cell is ~ 33% according to the detailed balance formalism (also known as Shockley-Queisser model), which remains far from the Carnot limit, predicting a solar to electricity efficiency upper value of 93%. The large gap between both limits is due to intrinsic loss mechanisms, including the inefficient conversion of the solar spectrum and the large discrepancy between the solid angles of absorption and emission. To overcome these losses and get closer to the Carnot limit, three different strategies are considered in this thesis: concentrated multi-junction solarcells, the combination of solar concentration and angular confinement, and hybrid PV/CSP systems. Each strategy is inherently limited by several loss mechanisms that degrade their performances. The objective of this thesis is, hence, to better understand the extent to which these strategies are likely to be penalized by these losses, and to tailor the cell properties toward maximizing their efficiencies. To address these questions, a detailed-balance model of PV cell accounting for the main loss mechanisms was developed. A genetic-algorithm optimization tool was also implemented, aiming at exploring the parameter space and identifying the optimal operation conditions. We demonstrate the uttermost importance of tailoring the electronic properties of the materials used with both multi-junction solar cells undergoing significant series resistance losses, and PV cells operating at temperature levels exceeding ambient temperature. We also investigate the extent to which series resistances losses and non-radiative recombination are likely to affect the ability of PV cells simultaneously submitted to concentrated sunlight and angular restriction of the light emitted by band-to-band recombination.