Un code de simulation de plasma à deux dimensions électrostatique à coordonnées cartésiennes Particle-in-cell/ Monte Carlo Collision (PIC/MCC) est présenté, incluant un nouveau traitement de l'équilibre des charges aux limites diélectriques. Il est utilisé pour simuler un plasma dans le gaz Ar dans un réacteur à plaques parallèles à couplage capacitif à radiofréquence a géométrie symétrique avec une paroi latérale diélectrique épaisse. La paroi latérale diélectrique protège efficacement le plasma du champ électrique augmenté au niveau de la jonction entre l'électrode alimentée et l'électrode à la masse, dont on a montré précédemment qu'elle produisait une augmentation localise de la densité de plasma. Néanmoins, un réchauffement accru des électrons est observé dans une région adjacente à la limite diélectrique, conduisant à des maxima de le taux d'ionisation, de la densité du plasma et du flux ionique vers les électrodes dans cette région. Les différents composants du chauffage électronique sont dérivés des simulations PIC/MCC et montrent que cette augmentation du chauffage électronique provient d'un chauffage ohmique accru dans la direction axiale lorsque la densité électronique diminue vers la paroi latérale. Nous avons étudié la validité de différentes formules analytiques pour estimer le chauffage ohmique en les comparant aux résultats PIC. Le chauffage des électrons à composantes x a proximité des coins a été observé aux fréquences d'excitation plus élevées, provenant d'un champ RF oscillant important dans la direction x. / A Cartesian-coordinate two-dimensional electrostatic Particle-in-cell/Monte-Carlo Collision (PIC/MCC) plasma simulation code is presented, including a new treatment of charge balance at dielectric boundaries. It is used to simulate an Ar plasma in a symmetric radiofrequency capacitively-coupled parallel-plate reactor with a thick dielectric side-wall. The dielectric side-wall effectively shields the plasma from the enhanced electric field at the powered-grounded electrode junction, which has previously been shown to produce locally enhanced plasma density. Nevertheless, enhanced electron heating is observed in a region adjacent to the dielectric boundary, leading to maxima in ionization rate, plasma density and ion flux to the electrodes in this region. The electron heating components are derived from the PIC/MCC simulations and show that this enhanced electron heating results from increased Ohmic heating in the axial direction as the electron density decreases towards the side-wall. We investigated the validity of different analytical formulas to estimate the Ohmic heating by comparing them to the PIC results. The x component electron heating near the corners was observed at higher driving frequency, which is caused by a significant RF oscillating field in the x direction.

L'invention de l'antenne fût à la base de la création des communications sans fil à l'orée du XXe siècle. A l'origine des objets métalliques destinés à transmettre et recevoir des ondes électromagnétiques, les antennes n'ont cessé de se complexifier pour satisfaire l'impressionnant développement des communications sans fil. C'est dans ce contexte qu'est né le concept d'antenne « wearable » il y a moins de deux décennies ouvrant un nouveau champ de recherche sur les antennes souples. C'est dans ce cadre que ce travail de thèse se consacre à la conception d’antennes souples en bande UHF.Une première étude a permis de concevoir une antenne Vivaldi antipodale [150 - 900 MHz] souple pour la Section Technique de l'Armée de Terre. Six de ces antennes sont destinées à être placées sous un ballon gonflé à l'hélium pour réceptionner des signaux RF.Une seconde étude est effectuée en collaboration avec la société Syrlinks et le CNES. L'objectif du projet est de concevoir des antennes souples pour le suivi de personnes avec le système ARGOS (401 et 466 MHz). La solution retenue est une PIFA planaire de largeur inférieure à lambda/3. Elle a l'avantage d'être fine et légère. Le matériau souple employé est un caoutchouc silicone sélectionné parmi plusieurs matériaux souples grâce à des caractérisations diélectriques. Cependant, le problème de cette antenne est qu'elle possède un rayonnement quasi-omnidirectionnel. Etant donné qu'il n'était pas envisageable d'utiliser un plan réflecteur métallique pour des raisons de dimensions, il a été décidé de concevoir un conducteur magnétique artificiel (CMA) souple. Toutefois, la conception de CMA dans le bas de la bande UHF se heurte à des difficultés de miniaturisation. Pour contourner ce problème, il a été développé deux concepts de CMA à cellules unitaires de faibles dimensions devant la longueur d'onde. La première solution utilise des capacités interdigitées et la seconde une structure double couche. Pour ces deux concepts, un modèle circuit est proposé et validé par des mesures expérimentales. Les mesures de l'association CMA - antenne montrent une bande passante suffisante pour des applications ARGOS et un rayonnement majoritairement dirigée dans la direction opposé à celle du CMA. / The invention of antennas was the base of wireless communications appearance at the dawn of the twentieth century. Originally metal objects for transmitting and receiving electromagnetic waves, antennas have steadily become more complex to meet the impressive development of wireless communications. It is in this context that the concept of wearable antennas was born less than two decades ago opening a new field of research namely flexible antennas. It is in this framework that this thesis is dedicated to the design of flexible antennas for UHF band.A first study enabled the design of a flexible antipodal Vivaldi antenna [150-900 MHz] for Technical Section of the Army. Six of these antennas are intended to be placed under a balloon inflated with helium for receiving RF signals.A second study was conducted in collaboration with the company Syrlinks and CNES. The objective of the project is to design flexible antennas for tracking people with ARGOS system (401 and 466 MHz). The selected solution is a planar PIFA which width is smaller than lambda/3. This antenna has the advantage of being thin and light. The flexible material used is a silicone rubber and it was selected among several others due to some dielectric characterizations. However, the drawback of this antenna is that it has a quasi-omnidirectional radiation pattern. Since it was not possible to use a reflector metal plane due to size constraints, it was decided to design a flexible artificial magnetic conductor (AMC). However, the design of AMCs in the lower UHF band is challenged with the miniaturization difficulties. Two concepts of small size (compared to the wavelength) AMCs unit cells were developed to work around this problem. The first solution uses interdigitated capacitors and the second a double layer structure. For these two concepts, a circuit model is proposed and validated by experimental measurements. The measurement of the AMC associated antenna demonstrates a bandwidth sufficient for ARGOS applications and a radiation pattern mostly directed in the direction opposite to that of the AMC.

Cette thèse porte sur l'étude des machines synchrones à commutation de flux à aimants permanents et plus particulièrement sur le comportement magnétique, mécanique et acoustique de ces structures particulières. La finalité étant de réaliser une optimisation géométrique alliant rapidité et robustesse tout en prenant en compte ces critères multi-physiques sus-cités. Dans un premier temps, nous avons dressé une vue d'ensemble du fonctionnement de ces machines en présentant le principe de fonctionnement de la commutation de flux et en étudiant une structure penta-phasée 20/18. L'origine du bruit générée dans ces structures a ensuite été débattue avec une attention toute particulière pour les phénomènes magnétiques. Une exploration des différentes contraintes magnétiques ainsi qu'une analyse mécanique et vibratoire par simulations éléments finis et par mesures expérimentales a été réalisée. Dans un deuxième temps, un modèle multi-physique permettant d'estimer l'état magnétique, mécanique et acoustique de ces structures a été présenté. Le choix s'est porté sur une modélisation entièrement analytique devant la nécessité d'obtenir un modèle rapide. Les différents modèles ont été développés et validés soit par simulations éléments finis, soit par mesures expérimentales. Le modèle magnéto-statique a été réalisée par résolution formelle des équations de Maxwell de la magnéto-statique par développement en série de Fourier. Le modèle mécanique a consisté à calculer les modes et les fréquences propres d'ovalisations du stator par une approche énergétique appelé la méthode du quotient de Rayleigh. Le modèle vibratoire / acoustique a, quant à lui, été réalisé en résolvant les équations d'équilibre de la dynamique des poutres dans la base modale formée par les modes propres précédemment calculés. Enfin, dans un troisième et dernier temps, ce modèle a été appliqué dans le cadre d'une optimisation géométrique afin de maximiser le couple électromagnétique tout en minimisant la puissance acoustique rayonnée. Différentes structures de machines ont été abordées et des règles de construction "silencieuse" ont été proposées. L'influence de nombreux paramètres sur la génération de bruit a été étudiée. Ces optimisations ont été effectuées sur trois types de structures : une structure tri-phasée 12/10, une structure tétra-phasée 16/12 et enfin une structure penta-phasée 20/18. De plus elles ont été réalisées dans deux cas de figure : un cas dans lequel la machine est entraînée à vitesse fixe et un cas dans lequel la machine est entrainée à vitesse variable. / This thesis deals with the study of Flux-Switching Permanent-Magnets, in particular on magnetic, mechanical and acoustic behavior of these structures. Firstly, origin of noise generated has been presented with particular attention to magnetic phenomena. Exploration of magnetic stresses, mechanical and vibration analysis have been performed by finite element simulations. Secondly, an analytical multi-physics model has been presented in order to estimate magnetic, mechanical and acoustic behavior. The different models have been validated by finite element simulations or by experimental measurements. Finally, this model has been applied in a geometric optimization loop to maximize electromagnetic torque and minimize acoustic noise generated. These optimizations have been performed on 3-phases 12/10, 4-phases 16/12 and 5-phases 20/18 at fixed and variable speed.

Les nanomatériaux manufacturés (comme les nanoparticules d’oxydes métalliques, les nanotubes de carbone, les nanofibres etc.) possèdent des propriétés remarquables qui leur confèrent des applications industrielles innovantes. Néanmoins, ces nouveaux matériaux soulèvent des inquiétudes vis à vis de leurs potentiels risques. Ces nanomatériaux manufacturés connaissent une production et une commercialisation croissantes. Par conséquent, de plus en plus de personnes sont potentiellement exposées à ces nanomatériaux (aussi bien les consommateurs que les opérateurs) à travers les aérosols qui pourraient être émis au cours du cycle de vie du matériau. L’une des approches possibles de réduction de risque serait la prévention de l’émission qui consisterait en une conception réfléchie du matériau avec un compromis performance/sûreté. La thèse présentée ici suit cette approche. Il s’agit de comprendre le phénomène et les mécanismes d’émission des nanomatériaux manufacturés à l’aide d’outils théoriques et expérimentaux. Le dispositif expérimental développé au cours de cette étude vise (i) à reproduire à l’échelle laboratoire des activités en conditions réelles, (ii) à identifier les mécanismes d’émission, et (iii) à mener simultanément des analyses qualitatives et quantitatives* des nanomatériaux manufacturés émis. Pour la sollicitation mécanique, le procédé d’abrasion a été choisi ; quant au vieillissement environnemental, le choix s’est porté sur un procédé d’exposition accélérée aux rayons d’UV en présence d’humidité et de chaleur. Les résultats suggèrent que les entités microscopiques présentes à la surface d’un matériau (appelées aspérités ou rugosités) subissent globalement 4 types de mécanismes d’enlèvement pendant l’abrasion, suivant la variation de 18 paramètres (liés au matériau et au procédé). Ces mécanismes déterminent la forme, la taille et le nombre de particules de l’aérosol émis. De plus, dans le cas des échantillons testés dans les conditions expérimentales données, il a été observé, lors des essais mécaniques seuls, la génération d’aérosols dans lesquels sont retrouvées des nanomatériaux manufacturés liées à leur matrice. Il s’agit de particules nanométriques et micrométriques. Cependant, dans le cas du couplage abrasion/vieillissement environnemental, après un temps donné de détérioration, il est constaté l’émission de nanomatériaux manufacturés libres, en plus des nanomatériaux manufacturés liés à leur matrice. Les résultats expérimentaux relatifs aux sollicitations mécaniques ont été mis en corrélation avec des lois de mécanique classique utilisant des modèles analytiques. Le modèle utilise en partie des relations semi-empiriques ; après ajustement, on observe une très bonne convergence modèle-expérience. Ce modèle a été utilisé pour réaliser une étude de sensibilité sur les 18 paramètres évoqués précédemment, et ce pour une variation de 25% pour chaque paramètre. Ceci permet d'illustrer la capacité du modèle à hiérarchiser l'influence des différents paramètres sur l'émission de particules, pour des conditions données. Ainsi, ce travail a permis de développer un ensemble constitué d’une part d’outils expérimentaux et d’autre part d’un modèle. Si cet ensemble est largement perfectible, il permet toutefois d’ores et déjà d’entamer une conception “nanosafe by design”. / Engineering nanomaterials (ENM) like metal oxide nanoparticles, carbon nanotubes, nanofibers, etc. possess various innovative properties and their industrial use creates new opportunities. However, they also present new risks and uncertainties. There is an ever growing production and use of the products containing these ENM, like nanocomposites or nanocoatings, which result in an increasing number of workers and consumers exposed to ENM upon their emission (in the form of aerosols) from the products containing them. One of the most favored approaches, to minimize this emission, would be a preventive one which would focus on altering the product’s material properties during its design phase itself without compromising with any of its added benefits.This thesis advocates this approach. It attempts to understand the ENM emission phenomenon and its yielding mechanisms on the basis of combined experimental and theoretical approaches. The experimental set-up, developed during this thesis, is equipped with the necessary elements which can (i) seek to reproduce the real life activities on a laboratory scale (ii) identify the emission mechanism (iii) carry out both qualitative as well as quantitative*analysis of the emitted ENM simultaneously. Whilst the mean chosen for applying the mechanical solicitation or stress is an abrasion process, for the environmental weathering, it is an accelerated UV exposure process in the presence of humidity and heat. The results suggest that depending upon 18 material and process properties/parameters, the microscopic entities present on the surface of a product, called asperities, undergo mainly 4 types of removal mechanisms during abrasion. It is these mechanisms that decide the shape, size and the number of the aerosol particles emitted. Moreover, for the given test samples and experimental conditions studied during the thesis, application of the mechanical stresses alone was found to generate the emitted ENM aerosols in which ENM is always embedded inside the product matrix, thus, a representative product element. In such a case, the emitted aerosols comprise of both nanoparticles as well as microparticles. But if the mechanical stresses are coupled with the environmental weathering, then the eventual deterioration of the product, after a certain weathering duration, may lead to the emission of the free ENM aerosols too. All these experimental findings, pertaining to the effect of the mechanical stresses alone, have also been put into the perspective with classical material and mechanics state laws using a predictive analytical model. A close agreement** of the estimated results of this model with the experimentally measured ones has validated its functioning. This model was used to perform a sensitivity analysis on the aforementioned 18 parameters to rank the influence of a25% variation in each of their values on the particle emission for the given conditions.Thus, during the present thesis, both experimental and theoretical approaches have been developed to study the emission. Despite the fact that these approaches are perfectible, they can still be used during product design phase for the product to be “nanosafe by design”.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l’étude du pré-dimensionnement d’un actionneur électromécanique à entrainement direct dans une chaine de commande de vol électrique d’un hélicoptère.Le dimensionnement de cet actionneur répond à un brevet déposé par Airbus Helicopters et les éléments composant l’actionneur devront remplir les critères de sécurité des équipements embarqués des fonctions critiques. Dans un premier temps, une méthode de pré-dimensionnement d’actionneur électromécanique et plus particulièrement de machine électrique est décrite à l’aide d’un modèle analytique. Ce modèle est couplé à un algorithme d’optimisation afin de minimiser la masse tout en conservant les performances. Un prototype a fait l’objet d’une fabrication à l’échelle 1. Dans un second temps, une architecture et une méthode de calcul de l’asservissement sont définies afin d’obtenir les performances attendues par un cahier des charges en termes de précision, vitesse et stabilité. Dans le but d’améliorer le processus de dimensionnement et de prévoir le comportement dynamique de l’asservissement, des modèles multi-physiques sont développés et utilisés. Enfin, le prototype est mis en place sur un banc d’essai. Il a permis de valider le modèle de pré-dimensionnement et plus généralement de caractériser les machines électriques. Enfin, une campagne d’essai avec des cas de panne est réalisée pour mesurer et analyser les effets des pannes sur cet actionneur. / The thesis aim is the pre-design of a direct drive electromechanical actuator for Fly-By-Wire flight control of rotorcraft.The pre-design of this actuator answer to a Airbus Helicopters patent and all component must be compliant with the safety criteria of embedded system for critical function. Over a first phase, a method of electromechanical actuator’s pre-design and particularly of electrical machine is described with an analytical model. This model is linked with an optimization algorithm in order to minimize the actuator’s mass with the whole performances. A full scale prototype has been built.Over a second phase, architecture and methods for designing control are described in order to obtain the specification performances in term of precision, speed and stability. To improve the design process and the dynamic prediction of the control, multiphysics models have been developed and used.At last, the prototype is integrated on a test bench. This one allow to validate the electrical machines pre-design and more generally, to characterize the built electrical motors. A series of failure case’s tests takes place in order to analyze and measure all the actuator effect of the failure case.

Aujourd'hui, l'électrification des véhicules constitue une des solutions mises en œuvre par les constructeurs automobiles dans la lutte contre les émissions de gaz polluants et pour la réduction des consommations. Comme le prix des aimants terres rares a fortement augmenté ces dernières années, les moteurs électriques sans aimants permanents sont attractifs, comme les moteurs asynchrones, synchrones à rotor bobiné, à réluctance variable (double saillance ou synchrone). Dans cette thèse, les machines asynchrones et synchrones à réluctance variable sont étudiées et comparées pour des véhicules électriques. Ces deux machines ont un coût faible et possèdent des structures de puissance et de contrôles similaires.Des modèles analytiques non linéaires de machines asynchrones et synchrones à réluctance variable sont établis et validés. En outre, leurs modèles économiques et mécaniques sont également mis en œuvre. Sur la base des modèles analytiques établis, la géométrie et les paramètres de commande des machines étudiées sont dimensionnés afin de réduire les pertes énergétiques durant des cycles de conduite. Une optimisation bi-objective est proposée afin de minimiser en même temps les pertes énergétiques et le coût du moteur. Enfin, les machines optimisées sont comparées, à l’aide de Fronts de Pareto, pour évaluer leurs performances électriques, énergétiques et économiques. / Today, the concerns of the energy crisis and the reduction of gas emissions stimulate the research in several electric vehicle domains. As the cost of rare earth magnetic materials has increased significantly in recent years, electrical motors without permanent magnets draw more attention, such as induction motors, wound-synchronous motors, switched reluctance motors, and synchronous reluctant motors. In this thesis, induction and synchronous reluctant machines are chosen to be studied for the electric vehicle traction application since they are low costly and fed up with similar power electronics and control strategies.Nonlinear analytical models of induction and synchronous reluctant machines are established and validated. Besides, economical and mechanical models are developed as well. Based on established analytical models, the geometry and the control parameters of these studied machines are calculated to define the total energy losses during the driving cycle. A bi-objective optimization is carried out to minimize total energy losses and motor costs. At last, the optimized machines are compared from their electric, energetic and economic performances, with the help of the Pareto Fronts obtained.

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la modélisation et l’optimisation de machines électriques pour des applications à entraînement direct. Ils s’inscrivent dans un contexte de réduction de l’utilisation des aimants en terres rares et d’amélioration du rendement énergétique. Un état de l’art des machines électriques est réalisé et l’accent est mis sur les machines à flux radial et axial pour les applications à fort couple et basse vitesse. Une classification est établie visant à identifier les structures intéressantes et innovantes. L’étude de la machine radiale est d’abord réalisée. Une étude comparative de différentes machines issues de l’étude bibliographique est effectuée. Cette étude a permis de choisir une structure originale à bobinage concentré sur dents et aimants en multi-V. Dans le but de calculer les performances du moteur avec un temps de calcul réduit, une modélisation analytique multi-physique de la structure est réalisée. Un premier dimensionnement de la machine a conduit à la définition d’un prototype qui a servi à la validation expérimentale du modèle multi-physique. Une approche de conception par optimisation multi-objectifs est adoptée pour obtenir les machines optimales répondant à un cahier des charges industriel. La suite de l’étude concerne une machine à flux axial à structure innovante. Il s’agit d’une machine à double rotor et simple stator avec plusieurs barrières de flux par pôle. Une étude par éléments finis est d’abord réalisée afin de valider le passage d’un modèle tridimensionnel à modèle bidimensionnel. L’analyse des pertes fer a permis de choisir les matériaux utilisés au stator et aux rotors. L’étape suivante consiste à établir un modèle analytique multiphysique de la machine à flux axial et de l’optimiser selon le même cahier des charges que celui de la machine radiale. Finalement, une comparaison entre les deux structures radiale et axiale est effectuée pour évaluer les avantages en termes de densité de couple. / The work presented in this thesis deals with the modeling and optimization of electrical machines for direct drive applications. The objective is to reduce the use of rare earth permanent magnets along with the improvement of the motor’s efficiency. A state of the art of electrical machines is realized. It focused on radial and axial flow structures for high torque and low speed applications. A classification is established to identify interesting and innovative structures. Firstly, the radial machine is studied. The choice of the structure is made after a finite element comparison of different machines resulting from the literature. This led to an original structure with concentrated winding and multi-V shape barriers. Then, a multi-physics analytical modeling of the structure is detailed in order to calculate the performances with a reduced calculation time. A preliminary design led to the definition of a prototype which was used to experimentally validate the multi-physics model. An optimization design approach is adopted to obtain optimal machines meeting industrial specifications. Secondly, a novel axial flux structure is studied. It is a machine with double rotor and single stator with several barriers per pole. A finite element study is carried out in order to validate the transition from a three dimensional to a two-dimensional model. The analysis of iron losses made it possible to choose the materials used in the stator and the rotors. Then, the development of a multi-physics analytical model for the axial machine is proposed. It is used to optimize the structure according to the same specifications defined for the radial machine. Finally, a comparison between the radial and axial structures is performed in order to evaluate the advantages in terms of torque density.

L’interface entre le silicium amorphe (a-Si:H) et le silicium cristallin (c-Si) est un constituent clés de cellules solaires à haut rendement reposant sur des procédés à basse température. Trois propriétés de l’interface déterminent le rendement des cellules solaires à hétérojonction de silicium: les décalages de bandes entre a-Si:H et c-Si, les défauts d’interface et la courbure de bande dans c-Si. Ces trois aspects sont traités dans ces travaux de thèse.Dans un premier un temps, un calcul analytique de la courbure de bande dans c-Si est développé. Il repose sur l’approximation d’une densité d’état (DE) constante dans la bande interdite de a-Si:H. L’influence des principaux paramètres de la structure sur la courbure de bande est étudiée : décalage de bande, densité d’état dans a-Si:H, défaut d’interface, etc. La présence d’un effet de confinement quantique est discutée. Grâce à une comparaison entre ces calculs et des mesures de conductance planaire en fonction de la température sur des structures (p)a-Si:H/(n)c-Si et (n)a-Si:H/(p)c-Si, les décalages de bande de valence et de conduction ont pu être estimés à 0.36 eV et 0.15 eV respectivement. En outre, il est montré que le décalage de la bande de valence est indépendant de la température, alors que le décalage de la bande de conduction suit les évolutions des bandes interdites de c-Si et a-Si:H. Ces mesures tendent à prouver que le ‘branch point’ dans a-Si:H est indépendant du dopage.Ensuite, les calculs analytiques sont approfondis pour prendre en compte différents aspects de la structure complète incorporée dans les cellules : contact avec un oxyde transparent conducteur, présence d’une couche de a-Si:H non-dopée à l’interface. A l’aide de simulations numériques et à la lumière de mesures de conductance planaire conjuguées à des mesures de la qualité de passivation de l’interface, des pistes pour optimiser les cellules à hétérojonction sont commentées. En particulier, il est montré qu’un optimum doit être trouvé entre une bonne passivation et une courbure de bande suffisante. Ceci peut être accompli par un réglage fin des propriétés de la couche tampon (épaisseur, dopage), du contact (travail de sortie élevé) et de l’émetteur (p)a-Si:H (densité de défauts et épaisseur). En particulier, un émetteur avec une DE importante conduit paradoxalement à de meilleures performances.Enfin, un nouveau type d’interface a été développé. La surface de c-Si a été oxydée volontairement dans de l’eau pure dé-ionisée à 80 °C avant le dépôt de (p)a-Si:H afin d’obtenir une structure (p)a-Si:H/SiO2/(n)c-Si. A l’aide d’un modèle de courant par effet tunnel implémenté dans le logiciel de simulation numérique AFORS-HET, l’effet d’une couche à grande bande interdite (comme c’est le cas pour SiO2) sur les performances de cellules est étudié : le facteur de forme et le courant de court-circuit sont extrêmement réduits. En revanche, une couche de SiO2 n’a que peu d’impact sur les propriétés optiques de la structure. Expérimentalement, les échantillons réalisés montrent une qualité de passivation à mi-chemin entre le cas sans couche tampon et le cas avec (i)a-Si:H : ceci est expliqué par la présence d’une charge fixe négative dans l’oxyde. La courbure de bande dans c-Si est moins affectée par la présence d’une couche d’oxyde que d’une couche de (i)a-Si:H. Les cellules solaires réalisées démontrent que le concept a le potentiel d’aboutir à de hauts rendements : sur des structures non-optimisées, une tension de court-circuit supérieure à 650 mV a été démontrée, alors que l’oxyde ne semble pas limiter le transport de charge. / The interface between amorphous silicon (a-Si:H) and crystalline silicon (c-Si) is the building block of high efficiency solar cells based on low temperature fabrication processes. Three properties of the interface determine the performance of silicon heterojunction solar cells: band offsets between a-Si:H and c-Si, interface defects and band bending in c-Si. These three points are addressed in this thesis.First, an analytical model for the calculation of the band bending in c-Si is developed. It assumes a constant density of states (DOS) in the a-Si:H band gap. The influence of most parameters of the structure on the band bending is studied: band offsets, DOS in a-Si:H, interface defects, etc. The presence of quantum confinement at the interface is discussed. Analytical calculations and temperature dependent planar conductance measurements are compared such that the band offsets on both (p)a-Si:H/(n)c-Si and (n)a-Si:H/(p)c-Si can be estimated: the valence band offset amounts 0.36 eV while the conduction band offset is 0.15 eV. In addition, it is shown that the valence band offset is independent of temperature whereas the conduction band offset follows the evolutions of c-Si and a-Si:H band gaps with temperature. A discussion of these results in the frame of the branch point theory for band line-up leads to the conclusion that the branch point in a-Si:H is independent of the doping.Then, analytical calculations are developed further to take into account the real solar cell structure where the a-Si:H/c-Si structure is in contact with a transparent conductive oxide and an undoped buffer layer is present at the interface. Measurements of the planar conductance and of the interface passivation quality are interpreted in the light of analytical calculations and numerical simulations to open a way towards a method for the optimization of silicon heterojunction solar cells. It is particularly shown that a trade-off has to be found between a good passivation quality and a significant band bending. This can be realized by tuning the buffer layer properties (thickness, doping), the TCO-contact (high work function) and the emitter (defect density and thickness). Interestingly, an emitter with a high DOS leads to better cell performances.Finally, a new type of interface has been developed, that was not applied to heterojunction solar cells so far. The c-Si surface has been oxidized in deionized water at 80 °C before the (p)a-Si:H emitter deposition such that (p)a-Si:H/SiO2/(n)c-Si structures were obtained. A tunneling current model has been developed, implemented in the 1D numerical device simulator AFORS-HET and used to study the effect of a wide band gap interfacial layer (as it is the case for SiO2) on cell performance: the fill-factor and the short-circuit current are dramatically reduced for thick and high barriers. However, a SiO2 layer has only little impact on optical properties. Fabricated samples show a passivation quality halfway between samples with no buffer layer and with an (i)a-Si:H buffer layer: this is explained by the presence of a negative fixed charge in the oxide. The band bending in (n)c-Si is higher with an oxide layer than with an (i)a-Si:H buffer layer. Solar cells demonstrate that this new concept has the potential to achieve high power conversion efficiencies: for non-optimized structures, an open-circuit voltage higher than 650 mV has been demonstrated, while the oxide does not seem to create a barrier to charge transport.

Les boucles diphasiques à pompage thermo-capillaire de type LHP (pour Loop Heat Pipe, en anglais), dont le fonctionnement s’apparente à celui d’un caloduc, permettent un transfert de chaleur particulièrement efficace et entièrement passif entre une source chaude et une source froide. Ce transfert s’effectue au moyen d’un fluide diphasique, mû grâce à la force motrice capillaire générée par un matériau poreux contenu dans l’évaporateur/réservoir de la LHP. Outre son rôle de barrière hydraulique entre les phases liquide et vapeur, ce matériau doit assurer une fonction de barrière thermique afin de favoriser l’évaporation du liquide. L’aptitude du matériau à remplir ses fonctions dépend étroitement de sa microstructure, elle-même liée à la méthode de fabrication. Dès lors, l’objectif de la thèse est d’associer la science des matériaux à celle de la thermique, pour améliorer les procédures de fabrication de structures capillaires existantes ou tester de nouvelles méthodes, et aboutir à des structures dont les caractéristiques sont en adéquation avec celles qui sont recherchées. / The capillary pumped loops (CPL) or loop heat pipes (LHP), whom the operating principle is similar to classic heat pipes, enable an efficient heat transfer between a hot source and a cold source without additional energy sources. Indeed, a porous structure provides a capillary force that enables a two-phase fluid to circulate around the loop, transferring the heat from the evaporator to the condenser. The porous structure acts as a hydraulic barrier between the two phases and as a thermal barrier enabling the liquid evaporation. The ability of the capillary structure to fulfil its mission depends on its microstructure, and thus on the manufacturing process. Therefore, the objective of the present thesis is to join the thermal sciences with the material sciences in order to improve the existing manufacturing procedure or even to test new ones. It aims at obtaining capillary structures corresponding to heat transfer applications.

Ce mémoire présente l’étude du comportement d’un flotteur bord à quai. Ce flotteur est constituéd’une bouée de section rectangulaire située à proximité d’une digue verticale. Un modèle analytique linéaire basé sur la théorie de l’écoulement potentiel est réalisé en profondeur d’eau intermédiaire. Un modèle numérique résolvant les équations de Navier-Stockes est développé. Des essais expérimentaux sont également mis au point pour des flotteurs de différentes dimensions et servent de références aux deux autres modèles. La comparaison de ces trois modèles permet de déduire le domaine de validité du modèle analytique, ainsi que la présence d’effets non-linéaires agissant sur le comportement du flotteur.Dans un premier temps, l’impact des dimensions du système sur le comportement du flotteur est quantifié. Les effets non-linéaires sont quantifiés en fonction des grandeurs du système puis une correction du modèle analytique est proposée. Par la suite, la correction du modèle est appliquée au comportement du système incluant un récupérateur d’énergie.Dans un second temps, l’effet du flotteur sur les franchissements de digue est étudié. Les franchissements de digue sont exprimés grâce à la hauteur de houle entre la digue et le flotteur (exprimée par le modèle analytique) et à la formule de Van Der Meer (2002). Ces franchissements sont également estimés de manière expérimentale. Il est montré que lorsque la longueur d’onde de la houle est importante et que le dégagement entre la digue et le flotteur est faible, les franchissements de digue sont réduits par la présence du flotteur. / The study of a quayside wave energy converter is proposed. A simplified model composed ofa rectangular buoy oscillating in heave motion and installed close to a vertical dike is developedusing three different models. An analytical model based on potential flow theory is developed inintermediate water depth. A numerical model resolving the Navier-Stokes equation is developed.Experimental tests are performed for different floater dimensions and are used as references for the two other models. The comparison between the three models presents the validity domain of the analytical model. The existence of non-linear effects acting on the floater behaviour is shown.At first, the impact of the system dimensions on the floater behaviour are highlighted and quantified. According to these results a correction of the analytical model is proposed. Moreover, the corrected analytical model is applied to the wave energy converter behaviour. Secondly, the overtoppings are expressed using the wave height between the dike and the floater (provided by analytical model) and the Van Der Meer formula (2002). These overtoppings are also estimated using experimental tests. The comparison of these two models shows the presence of strong load losses when the floater is close to the dike. In those cases the analytical model needs a correction taking into account these load losses. It is also shown that when at the same time the wave length is high and the toe clearance between the dike and the floater is small, the dike overtopping are reduced by the presence of the floater.