Une alternative aux énergies fossiles est le domaine du photovoltaïque organique qui a récemment commencé son transfert technologique des laboratoires de recherche vers l’industrie. De nombreux efforts de recherche sont réalisés sur les matériaux et les procédés pour augmenter les performances des cellules solaires organiques. Dans ce contexte, ce travail présente une étude complète allant de la conception de nouveaux polymères donneurs d’électrons à grande largeur de bande interdite à leur caractérisation en dispositifs photovoltaïques. La principale caractéristique recherchée a été de diminuer le niveau énergétique HOMO des polymères pour augmenter la tension en circuit ouvert des dispositifs photovoltaïques. L’approche « donneur-accepteur » a été utilisée pour obtenir les propriétés désirées. Des polymères comportant des unités pauvres en électrons, quinoxaline ou dithienoquinoxaline, et des unités riches en électrons, dibenzosilole ou carbazole, ont été synthétisés par couplage de Suzuki ou par hétéroarylation directe. Des masses molaires allant jusqu’à 56 kg.mol-1 ont été obtenues. Le motif quinoxaline a été décliné sous forme de plusieurs molécules substituées par des atomes de fluor sur le benzène ou par des groupements thiophènes, bithiophènes et terthiophènes sur la partie pyrazine. Des espaceurs thiophènes ou thiazoles ont été utilisés pour relier l’unité riche en électrons et l’unité pauvre en électrons. Les relations entre les modifications structurales et les propriétés structurales et optoélectroniques des polymères ont été analysées. Les propriétés optiques ont été étudiées par spectroscopie UV-visible et par spectroscopie de fluorescence et ont montré une absorption allant jusqu’à 550 nm pour les polymères à motifs dithienoquinoxaline-dibenzosilole, 650 nm pour les polymères à motifs quinoxaline-dibenzosilole et 700 nm pour la famille quinoxaline-carbazole. Ces valeurs correspondent à des largeurs de bande interdite comprises entre 1,8 eV et 2,3 eV. Les niveaux énergétiques HOMO et LUMO des polymères ont été déterminés par électrochimie. Tous les polymères possèdent des niveaux énergétiques HOMO inférieurs à -5,0 eV. Les atomes de fluor et les espaceurs thiazoles ont permis d’abaisser les niveaux énergétiques HOMO des polymères jusqu’à -5,69 eV. Les structures des polymères ont été modélisées par DFT et étudiées par diffraction des rayons X. Les mobilités des trous des polymères ont été mesurées en transistor organique à effet de champ, des valeurs atteignant 9,0. 10 3 cm.V 1.s 1 ont été atteintes. Les polymères ont été testés en dispositifs photovoltaïques selon une architecture standard à hétérojonction volumique en mélange binaire et en mélange ternaire. En mélange avec le PC71BM ou l’IC61BA, ces polymères ont permis d’atteindre des tensions en circuit ouvert entre 0,65 V et 1,05 V et des rendements de conversion photovoltaïque jusqu’à 5,14 % sur une surface active de 0,28 cm2. Les morphologies des couches actives ont été étudiées par AFM afin de comprendre en détail les paramètres de fonctionnement des cellules obtenues. Les polymères présentés dans cette étude ont été utilisés dans des cellules solaires à mélange ternaire présentant de bonnes performances. Certains polymères ont été testés dans des photocathodes pour la production d’hydrogène et ont permis d’obtenir une amélioration du potentiel de réduction par rapport à celui obtenu avec les photocathodes à base de P3HT. Enfin, compte tenu de leurs propriétés optoélectroniques et de leurs performances photovoltaïques certains de ces polymères devraient pouvoir être employés de manière avantageuse en sous cellules de dispositifs tandem en remplacement du P3HT par exemple. / An alternative to fossil fuels are the organic photovoltaic cells which have recently started their technological transfer from research laboratories to industry. Many research efforts have been made on the modification of materials and processes to increase the performance of organic solar cells. In this context, this work presents a comprehensive study from the design of new electron-donor high band gap polymers to their characterisation in photovoltaic devices. The main requirement was to decrease the HOMO energy level of the polymers in order to increase the open circuit voltage of the solar cells. The "push-pull" approach was used to obtain the desired properties. Polymers with quinoxaline or dithienoquinoxaline as electron-deficient units and dibenzosilole or carbazole as electron-rich units were synthesized by Suzuki coupling or by direct heteroarylation. Molecular weights up to 56 kg.mol 1 were obtained. The electron-withdrawing unit quinoxaline was substituted by fluorine atoms on the benzene moiety and by thiophene, bithiophene and terthiophene group on the pyrazine moiety. Thiophenes or thiazoles were used as spacers to link the electron-donating and the electron-withdrawing units. The relationship between the structural modification of the polymers and their optoelectronic properties were analysed. The optical properties were studied by UV-visible spectroscopy and fluorescence spectroscopy. Whereby it appears that polymers with dithienoquinoxaline-dibenzosilole units showed an absorption up to 550 nm and polymers with both quinoxaline-dibenzosilole units and quinoxaline-carbazole units showed an absorption up to 650-700 nm respectively. The corresponding optical band gaps were found to range from 1.8 eV to 2.3 eV. The HOMO and LUMO energy levels of the polymers were determined by electrochemistry. All polymers exhibited HOMO energy levels below -5.0 eV. Fluorine atoms and thiazole spacers significantly lowered the HOMO energy levels of the polymers up to -5.69 eV. DFT was used to model the polymer structures. X-ray diffraction was used to analyse the distances between the polymer chains. Hole mobilities were measured in organic field effect transistors and values of up to 9.0 x 10 3 cm2.V-1.s-1 were obtained. The polymers were tested in organic photovoltaic devices according to a standard bulk heterojunction structure in binary and ternary mixtures. In a blend with PC71BM or IC61BA, these polymers have led to open circuit voltages ranging from 0.65 V to 1.05 V and to power conversion efficiencies of up to 5.14 % on a surface area of 0.28 cm2. The active layer morphologies were studied by AFM. The polymers presented in this work were used in ternary blend solar cells. Some polymers were tested in photocathodes for hydrogen evolution and showed an improvement of the reduction potential compared to that of the photocathodes based on P3HT. Owing to their optoelectronic properties and their photovoltaic properties in standard device configurations, some of the materials developed in this study appear as valuable materials for future developments of organic tandem solar cells.

Cette thèse est consacrée au développement d'un outil de pré-dimensionnement par éléments finis pour l'estimation de l'endommagement par fatigue polycyclique de structures linéaires sous chargements multiaxiaux et stationnaires gaussiens. L'état de contraintes atteint dans ces structures étant aléatoire, il devient nécessaire de raisonner en terme de statistique et l'approche spectrale s'avère particulièrement adaptée pour cette situation. Dans ce travail, les méthodes spectrales sont améliorées par la prise en compte des largeurs de bande des spectres de réponses des structures soumises à des chargements nonproportionnels et de moyennes non nulles. Le critère d'endommagement de Sines est retenu. L'étude numérique de la distribution de l'endommagement résultant des incertitudes sur les paramètres matériaux et des applications dans le domaine de l'optimisation des structures sont également abordées.

Cette thèse est consacrée au développement d’un outil de pré-dimensionnement par éléments finis pour l’estimation de l’endommagement par fatigue polycyclique de structures linéaires sous chargements multiaxiaux et stationnaires gaussiens. L’état de contraintes atteint dans ces structures étant aléatoire, il devient nécessaire de raisonner en terme de statistique et l’approche spectrale s’avère particulièrement adaptée pour cette situation. Dans ce travail, les méthodes spectrales sont améliorées par la prise en compte des largeurs de bande des spectres de réponses des structures soumises à des chargements nonproportionnels et de moyennes non nulles. Le critère d’endommagement de Sines est retenu. L’étude numérique de la distribution de l’endommagement résultant des incertitudes sur les paramètres matériaux et des applications dans le domaine de l’optimisation des structures sont également abordées. / This dissertation is devoted to the development of a finite element pre-designing tool for the estimation of high cycle fatigue damage for linear structure subject to multiaxial and Gaussian stationary loads. Given the random nature of the stress state, it becomes necessary to look at this problem from a statistical point of view and spectral methods appear to be the best approach. In this work, spectral methods are improved by taking into account the response spectral bandwidths of structures under non proportional and non zero mean loads; the Sines’ damage criterion is employed. The numerical analysis of the fatigue damage distribution resulting from the uncertainties of the material parameters and applications in the field of structural optimisation are also treated.

Les problèmes d’optimisation combinatoire sont généralement réputés NP-difficiles, donc il n’y a pas d’algorithmes efficaces pour les résoudre. Afin de trouver des solutions optimales locales ou réalisables, on utilise souvent des heuristiques ou des algorithmes approchés. Les dernières décennies ont vu naitre des méthodes approchées connues sous le nom de métaheuristiques, et qui permettent de trouver une solution approchées. Cette thèse propose de résoudre des problèmes d’optimisation déterministe et stochastique à l’aide de métaheuristiques. Nous avons particulièrement étudié la méthode de voisinage variable connue sous le nom de VNS. Nous avons choisi cet algorithme pour résoudre nos problèmes d’optimisation dans la mesure où VNS permet de trouver des solutions de bonne qualité dans un temps CPU raisonnable. Le premier problème que nous avons étudié dans le cadre de cette thèse est le problème déterministe de largeur de bande de matrices creuses. Il s’agit d’un problème combinatoire difficile, notre VNS a permis de trouver des solutions comparables à celles de la littérature en termes de qualité des résultats mais avec temps de calcul plus compétitif. Nous nous sommes intéressés dans un deuxième temps aux problèmes de réseaux mobiles appelés OFDMA-TDMA. Nous avons étudié le problème d’affectation de ressources dans ce type de réseaux, nous avons proposé deux modèles : Le premier modèle est un modèle déterministe qui permet de maximiser la bande passante du canal pour un réseau OFDMA à débit monodirectionnel appelé Uplink sous contraintes d’énergie utilisée par les utilisateurs et des contraintes d’affectation de porteuses. Pour ce problème, VNS donne de très bons résultats et des bornes de bonne qualité. Le deuxième modèle est un problème stochastique de réseaux OFDMA d’affectation de ressources multi-cellules. Pour résoudre ce problème, on utilise le problème déterministe équivalent auquel on applique la méthode VNS qui dans ce cas permet de trouver des solutions avec un saut de dualité très faible. Les problèmes d’allocation de ressources aussi bien dans les réseaux OFDMA ou dans d’autres domaines peuvent aussi être modélisés sous forme de problèmes d’optimisation bi-niveaux appelés aussi problèmes d’optimisation hiérarchique. Le dernier problème étudié dans le cadre de cette thèse porte sur les problèmes bi-niveaux stochastiques. Pour résoudre le problème lié à l’incertitude dans ce problème, nous avons utilisé l’optimisation robuste plus précisément l’approche appelée « distributionnellement robuste ». Cette approche donne de très bons résultats légèrement conservateurs notamment lorsque le nombre de variables du leader est très supérieur à celui du suiveur. Nos expérimentations ont confirmé l’efficacité de nos méthodes pour l’ensemble des problèmes étudiés. / Combinatorial optimization problems are generally NP-hard problems, so they can only rely on heuristic or approximation algorithms to find a local optimum or a feasible solution. During the last decades, more general solving techniques have been proposed, namely metaheuristics which can be applied to many types of combinatorial optimization problems. This PhD thesis proposed to solve the deterministic and stochastic optimization problems with metaheuristics. We studied especially Variable Neighborhood Search (VNS) and choose this algorithm to solve our optimization problems since it is able to find satisfying approximated optimal solutions within a reasonable computation time. Our thesis starts with a relatively simple deterministic combinatorial optimization problem: Bandwidth Minimization Problem. The proposed VNS procedure offers an advantage in terms of CPU time compared to the literature. Then, we focus on resource allocation problems in OFDMA systems, and present two models. The first model aims at maximizing the total bandwidth channel capacity of an uplink OFDMA-TDMA network subject to user power and subcarrier assignment constraints while simultaneously scheduling users in time. For this problem, VNS gives tight bounds. The second model is stochastic resource allocation model for uplink wireless multi-cell OFDMA Networks. After transforming the original model into a deterministic one, the proposed VNS is applied on the deterministic model, and find near optimal solutions. Subsequently, several problems either in OFDMA systems or in many other topics in resource allocation can be modeled as hierarchy problems, e.g., bi-level optimization problems. Thus, we also study stochastic bi-level optimization problems, and use robust optimization framework to deal with uncertainty. The distributionally robust approach can obtain slight conservative solutions when the number of binary variables in the upper level is larger than the number of variables in the lower level. Our numerical results for all the problems studied in this thesis show the performance of our approaches.