Hocheffiziente Solarzellen beruhen auf der exzellenten Oberflächenpassivierung, die minimale Rekombinationsverluste gewährleistet. Innerhalb des letzten Jahrzehnts wurde Al2O3 in der Photovoltaikindustrie zum bevorzugten Material für p-leitendes Si. Unterschiedliche Abscheidetechnologien erreichten Passivierungen mit effektiven Minoritätsladungsträgerlebensdauern nahe der AUGER–Grenze. Die ausgezeichnete Passivierungswirkung von Al2O3wird zwei Effekten zugeschrieben: Einerseits werden Si−SiO2-grenzflächennahe Rekombinationszentren passiviert, wenn Wasserstoff, beispielsweise aus der Al2O3-Schicht, offene Bindungen absättigt. Bedingt durch die hohe Konzentration intrinsischer negativer Ladungen an der SiO2-Grenzfläche weist Al2O3 andererseits einen charakteristischen Feldeffekt auf. Das resultierende elektrische Feld hält Elektronen von Oberflächenrekombinationszentren fern. Negative Ladungen im Al2O3 werden generell als fest bezeichnet. Allerdings hat Al2O3 zusätzlich eine hohe Dichte an Haftstellen, die von Elektronen besetzt werden können. Die Dichte negativer Ladungen im Al2O3-Passivierungsschichten hängt vom elektrischen Feld und der Bestrahlungsintensität ab. Ziel dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung dielektrischer Passivierungsschichtstapel für die Anwendung auf Si-Solarzellen. Der Qualität und Dicke der SiO2-Grenzschicht kommt in diesem Kontext eine besondere Rolle zu, da sie Ladungsträgertunneln ermöglicht. Der Elektronentransport ist eine Funktion der Oxiddicke und das Optimum zwischen Ladungseinfang und -haltung liegt bei etwa 2 nm SiO2. Vier relevante Al2O3-Abscheidetechnologien werden untersucht: Atomlagenabscheidung, Kathodenzerstäubung, Sprühpyrolyse und Rotationsbeschichtung, wobei die erstgenannte dominiert. Es werden Nanolaminate verglichen, die aus Al2O3 und TiO2, HfO2 oder SiO2 mit subnanometerdicken Zwischenschichten bestehen. Während letztgenannte die Oberflächenrekombination nicht vermindern, beeinflussen TiO2- und HfO2-Nanolaminate die Passivierungswirkung. Ein dynamisches Wachstumsmodell, das initiale und stationäre Wachstumsraten der beteiligten Metalloxide berücksichtigt, beschreibt die physikalischen Parameter. Schichtsysteme mit 0,2 % TiO2 oder 7 % HfO2 sind konventionellen Al2O3-Schichten überlegen. In beiden Fällen überwiegt die veränderte Feldeffekt- der chemischen Passivierung, die mit einer Grenzflächenzustandsdichte von maximal 5·1010 eV−1·cm−2 unverändert auf hohem Niveau verbleibt. Die Ladungsdichte beider Schichtsysteme wird entweder über die Änderung ihrer Polarität der festen Ladungen oder der Fähigkeit zum Ladungseinfang bestimmt. Das Tunneln von Elektronen wird durch ein mathematisches Modell erklärt, dass eine bewegliche Ladungsfront innerhalb der Oxidschicht beschreibt. / High-efficiency solar cells rely on excellent passivation of the surface to ensure minimal recombination losses. In the last decade, Al2O3 became the material of choice for p-type Si in the photovoltaic industry. A remarkable surface passivation with effective minority carrier lifetimes close to the AUGER–limit was demonstrated with different deposition techniques. The excellent passivation effect of Al2O3 is attributed to two effects: Firstly, recombination centers at the Si−SiO2 interface get chemically passivated when hydrogen, for instance from the Al2O3 layer, saturates dangling bonds. Secondly, Al2O3 presents an outstanding level of field effect passivation due to its high concentration of intrinsic negative charges close to the SiO2 interface. The generated electrical field effectively repels electrons from surface recombination centers. Negative charges in Al2O3 are generally termed fixed charges. However, Al2O3 incorporates a high density of trap sites, too, that can be occupied by electrons. It was shown that the negative charge density in Al2O3 passivation layers depends on the electrical field and on the illumination intensity. The goal of this work is to systematically investigate dielectric passivation layer stacks for application on Si solar cells. The SiO2 interface quality and thickness plays a major role in this context, enabling or inhibiting carrier tunneling. Since the electron transport is a function of the oxide thickness, the balance between charge trapping and retention is achieved with approximately 2 nm of SiO2. Additionally, four relevant Al2O3 deposition techniques are compared: atomic layer deposition, sputtering, spray pyrolysis and spin–on coating, whereas the former is predominant. Using its flexibility, laminates comprising of Al2O3 and TiO2, HfO2 or SiO2 with subnanometer layers are compared. Although the latter do not show decreased surface recombination, nanolaminates with TiO2 and HfO2 contribute to the passivation. Their physical properties are described with a dynamic growth model that considers initial and steady–state growth rates for the involved metal oxides. Thin films with 0.2 % TiO2 or 7 % HfO2 are superior to conventional Al2O3 layers. In both cases, the modification of the field effect prevails the chemical effect, that is, however, virtually unchanged on a very high level with a density of interface traps of 5·1010 eV−1·cm−2 and below. The density of charges in both systems is changed via modifying either the polarity of intrinsic fixed charges or the ability of trapping charges within the layers. The observations of electron tunneling are explained by means of a mathematical model, describing a charging front, which moves through the dielectric layer.

Organic photovoltaics have attracted considerable research and commercial interest due to their lightness, mechanical flexibility and low production costs. There are two main approaches for the fabrication of organic solar cells – solution and vacuum processing. The former relies on morphology control in polymer-fullerene blends resulting from natural phase separation in these systems. The latter takes advantage of solvent-free processing allowing highly complex multi-junction architectures similar to inorganic solar cells. This work aims to combine the benefits of both by depositing conjugated polymers using vacuum thermal evaporation. By employing this unconventional approach it aims to enhance the efficiency of organic photovoltaics through increased complexity of the thin-film architecture while improving the nanoscale morphology control of the individual active layers. The thesis explores the vacuum thermal deposition of polythiophenes, mainly poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and side-group free poly(thiophene) (PTh). A variety of chemical techniques, such as NMR, FT-IR, GPC, DSC and TGA, are used to examine the effect of heating on chemical structure of the polymers. Optimal processing parameters are identified and related to the resulting thin-film morphology and charge transport properties. Efficient photovoltaic devices based on polythiophene donors and fullerene acceptors are fabricated. Materials science techniques AFM, XRD, SEM, TEM and MicroXAM are used to characterize topography and morphology of the thin films, and UV-Vis, EQE, I-V and C-V measurements relate these to the optical and electronic properties. The results of the study show that polymer side groups have a strong influence on molecular packing and charge extraction in vacuum-deposited polymer thin films. Unlike P3HT, evaporated PTh forms highly crystalline films. This leads to enhanced charge transport properties with hole mobility two orders of magnitude higher than that in P3HT. The effect of molecular order is demonstrated on polymer/fullerene planar heterojunction solar cells. PTh-based devices have significantly better current and recombination characteristics, resulting in improved overall power conversion efficiency (PCE) by 70% as compared to P3HT. This confirms that the chemical structure of the molecule is a crucial parameter in deposition of large organic semiconductors. It is also the first-ever example of vacuum-deposited polymer photovoltaic cell. Next, vacuum co-deposited PTh:C60 bulk heterojunctions with different donor-acceptor compositions are fabricated, and the effect of post-production thermal annealing on their photovoltaic performance and morphology is studied. Co-deposition of blended mixtures leads to 60% higher photocurrents than in thickness-optimized PTh/C60 planar heterojunction counterparts. Furthermore, by annealing the devices post-situ the PCE is improved by as much as 80%, achieving performance comparable to previously reported polythiophene and oligothiophene equivalents processed in solution and vacuum, respectively. The enhanced photo-response is a result of favourable morphological development of PTh upon annealing. In contrast to standard vacuum-processed molecular blends, annealing-induced phase separation in PTh:C60 does not lead to the formation of coarse morphology but rather to an incremental improvement of the already established interpenetrated nanoscale network. The morphological response of the evaporated PTh within the blend is further verified to positively differ from that of its small-molecule counterpart sexithiophene. This illustrates the morphological advantage of polymer-fullerene combination over all other vacuum-processable material systems. In conclusion, this processing approach outlines the conceptual path towards the most beneficial combination of solution/polymer- and vacuum-based photovoltaics. It opens up a fabrication method with considerable potential to enhance the efficiency of large-scale organic solar cells production.

Cette étude prend place dans le cadre du projet ANR Inxilicium visant à la réalisation de cellules solaires en couches minces de silicium par jet d’encre. Les nanoparticules de silicium sont des matériaux à fort potentiel pour la levée de verrous technologiques grâce à leurs propriétés spécifiques. Des encres de nanoparticules de Si issues de diverses méthodes de synthèse ont été imprimées par jet d’encre sur différents substrats : quartz, électrodes métalliques (aluminium, molybdène) et transparente conductrice (ZnO:Al). L’optimisation du procédé d’impression, de l’interaction encre/substrat (via la modulation de l’énergie de surface des substrats) et de l’étape de séchage a permis l’obtention de couches minces homogènes et continues (plusieurs centaines de nm à quelques µm d’épaisseur)A posteriori, une étape de recuit est nécessaire pour recouvrer des propriétés fonctionnelles. L’utilisation de nanoparticules à la physico-chimie de surface contrôlée fait décroître les températures de frittage de 1100 °C à environ 600 °C. En complément, des recuits sélectifs (micro-ondes et photonique) ont été évalués pour leur application sur des substrats flexibles et bas coûts.Les propriétés optiques et les interfaces électrode/silicium ont été examinées afin d’intégrer ces couches dans des dispositifs (cellule solaire…). La formation de transitions métallurgiques Al-Si et Mo-Si a été étudiées par DRX-in situ. L’ensemble de ces travaux a permis la réalisation d’une jonction PN montrant un comportement photovoltaïque à fort champ grâce aussi à la mise au point d’une méthode innovante de collage ouvrant la voie à une réduction du bilan thermique des procédés de fabrication. / This study takes place in the frame of the Inxilicium project from the National Research Agency, which targets the fabrication of silicon thin film solar cells by inkjet-printing. Thanks to their specific properties, silicon nanoparticles are materials with strong potential for technological breakthroughs. Silicon nanoparticle-based inks made by different synthesis routes have been inkjet-printed on different substrates: quartz, metallic electrodes (aluminum, molybdenum) and transparent electrodes (ZnO:Al). Homogeneous and continuous thin films (from several hundreds of nm to some µm thick) have been obtained through optimization of the printing process, the ink/substrate interaction (via substrates surface energy tuning) and the drying step.A posteriori, an annealing step is mandatory for recovering of functional properties. By using nanoparticles with tailored surface physical chemistry, the sintering temperature decreases from 1100 °C to 600 °C. In order to allow the use of this material on flexible and low cost substrates, selective sintering (microwave and photonics) have been also evaluated.Thin film optical properties and electrode/silicon interfaces have been investigated with the purpose to integrate those layers into devices (solar cells…). Metallurgical evolution of Al-Si and Mo-Si physical interfaces has been studied by in situ XRD.This work allowed the fabrication of a PN junction with a photovoltaic behaviour under strong polarization voltage thanks to the development of an innovative thermal pasting process, which opens the way to the reduction of process thermal budget.

The aim of the thesis was to examine the basic technical and technological requirements of photovoltaic technology in terms of economic characteristics, analyze the current situation in the use of renewable energy sources, especially photovoltaics in the Czech Republic with comparing to the world's situation. The thesis also provides an overview of laws and legal norms applicable in the Czech Republic and the European Union with regard to photovoltaics. The crucial part is dedicated to investment evaluation of the renewable energy (photovoltaic) projects. The author supports presented ideas with a comprehensive investment analysis of a specific rooftop photovoltaic project realized by medium sized company. In addition to evaluation process the investment recommendation is provided and the most significant risk factors of the project are identified. The conclusion of this thesis includes a single-factor sensitivity analysis of a net present value of the project.

L’amincissement des cellules solaires semi-conductrices est motivé par la réduction des coûts de production et l’augmentation des rendements de conversion. Mais en deçà de quelques centaines de nanomètres, il requiert de nouvelles stratégies de piégeage optique. Nous proposons d’utiliser des concepts de la nanophotonique et de la plasmonique pour absorber la lumière sur une large bande spectrale dans des couches ultrafines de GaAs. Nous concevons et fabriquons pour ce faire des structures multi-résonantes formées de réseaux de nanostructures métalliques. Dans un premier temps, nous montrons qu’il est possible de confiner la lumière dans une couche de 25 nm de GaAs à l’aide d’une nanogrille bidimensionnelle pouvant servir de contact électrique en face avant. Nous analysons numériquement les modes résonants qui conduisent à une absorption moyenne de 80% de la lumière incidente entre 450 nm et 850 nm. Ces résultats sont validés par la fabrication et la caractérisation de super-absorbeurs ultrafins multi-résonants. Dans un second temps, nous appliquons une approche similaire dans le but d’obtenir des cellules photovoltaïques dix fois plus fines que les cellules GaAs records, avec des absorbeurs de 120 nm et 220 nm seulement. Un miroir arrière nanostructuré en argent, associé à des contacts ohmiques localisés, permet d’améliorer l’absorption tout en garantissant une collecte optimale des porteurs photo-générés. Nos calculs montrent que les densités de courant de court-circuit (Jsc) dans ces structures optimisées peuvent atteindre 22.4 mA/cm2 et 26.0 mA/cm2 pour les absorbeurs d’épaisseurs respectives t=120 nm et t=220 nm. Ces performances sont obtenues grâce à l’excitation d’une grande variété de modes résonants (Fabry-Pérot, modes guidés,…). En parallèle, nous avons développé un procédé de fabrication complet de ces cellules utilisant la nano-impression et le transfert des couches actives. Les mesures montrent des Jsc records de 17.5 mA/cm2 (t=120 nm) et 22.8 mA/cm2 (t=220 nm). Ces résultats ouvrent la voie à l’obtention de rendements supérieurs à 20% avec des cellules solaires simple jonction d’épaisseur inférieure à 200 nm. / The thickness reduction of solar cells is motivated by the reduction of production costs and the enhancement of conversion efficiencies. However, for thicknesses below a few hundreds of nanometers, new light trapping strategies are required. We propose to introduce nanophotonics and plasmonics concepts to absorb light on a wide spectral range in ultrathin GaAs layers. We conceive and fabricate multi-resonant structures made of arrays of metal nanostructures. First, we design a super-absorber made of a 25 nm-thick GaAs slab transferred on a back metallic mirror with a top metal nanogrid that can serve as an alternative front electrode. We analyze numerically the resonance mechanisms that result in an average light absorption of 80% over the 450nm-850nm spectral range. The results are validated by the fabrication and characterization of these multi-resonant super-absorbers made of ultrathin GaAs. Second, we use a similar strategy for GaAs solar cells with thicknesses 10 times thinner than record single-junction photovoltaic devices. A silver nanostructured back mirror is used to enhance the absorption efficiency by the excitation of various resonant modes (Fabry-Perot, guided modes,…). It is combined with localized ohmic contacts in order to enhance the absorption efficiency and to optimize the collection of photogenerated carriers. According to numerical calculations, the short-circuit current densities (Jsc) can reach 22.4 mA/cm2 and 26.0 mA/cm2 for absorber thicknesses of t=120 nm and t=220 nm, respectively. We have developed a fabrication process based on nano-imprint lithography and on the transfer of the active layers. Measurements exhibit record short-circuit currents up to 17.5 mA/cm2 (t=120 nm) and 22.8 mA/cm2 (t=220 nm). These results pave the way toward conversion efficiencies above 20% with single junction solar cells made of absorbers thinner than 200 nm.

La nanostructure et les propriétés électroniques de matériaux modèles pour le photovoltaïque organique, ont été étudiées en utilisant la Microscopie à Force Atomique en mode non contact sous ultra-vide (NC-AFM) et la Microscopie à sonde de Kelvin (KPFM). En utilisant le mode modulation d'amplitude (AM-KPFM), le potentiel de surface photo- généré dans des mélanges donneur-accepteur présentant une ségrégation de phase optimale a pu être visualisé à l'échelle du nanomètre. Afin de préciser la nature des forces mises en jeu dans le processus d'imagerie KPFM, des oligomères π-conjugués auto-assemblés ont ensuite été étudiés. Une transition entre régimes à longue et à courte portée a ainsi été mise en évidence en combinant l'imagerie en haute résolution aux mesures de spectroscopie en distance. Ces mesures ont également démontré que l'influence des forces électrostatiques à courte portée peut être minimisée en travaillant au seuil du contraste de dissipation. Enfin cette procédure a été utilisée, en combinaison avec les mesures de spectroscopie de photoélectrons UV, pour analyser la fonction de sortie locale d'électrodes transparentes à base de nanotubes de carbone fonctionnalisés. / In this thesis, noncontact atomic force microscopy (NC-AFM) and Kelvin probe force microscopy (KPFM) under ultrahigh vacuum have been applied to investigate the nanostructure and electronic surface properties of model materials for organic photovoltaics. First, it has been demonstrated that the surface photovoltage of nanoscale phase segregated donor-acceptor photovoltaic blends can be finely resolved at the nanometer scale by using amplitude modulation KPFM (AM-KPFM). Next, model self-assembled π-conjugated oligomers have been investigated, in order to obtain a deeper insight into the nature of the tip-surface forces involved in the KPFM imaging process. A crossover between long-range (LR) and short-range (SR) regimes has been evidenced by combining high resolution imaging with distance-spectroscopy measurements. It has also been shown that the influence of the SR electrostatic forces can be minimized by working at the onset of the damping contrast. Finally, using this procedure, the local work function of flexible transparent electrodes, comprised of functionalized carbon nanotubes by metallic nanoparticles, has been investigated, and compared to the averaged value deduced from ultraviolet photoelectron spectroscopy.

Diese Arbeit untersucht die Möglichkeiten, ortsaufgelöste (2D-) Lumineszenz als eine nicht-invasive Methode zur Charakterisierung des Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA) Einkapselungsmaterials in Photovoltaik (PV) Modulen einzusetzen. Im Einzelnen wird gezeigt, dass aus nichtinvasiven Lumineszenzmessungen Aussagen erhalten werden können zu: (i) Auswirkungen der Alterungsbedingungen, Klima und Material, (ii) Nachweis bestimmter Fehlerarten, (iii) Überwachung des Produktionsprozess, (iv) Verbesserung von Lebensdauervorhersagen durch miniaturisierte Multi-Faktor-Alterung und (v) Aussagen über die Materialalterung. (i) Temperatur, UV-Strahlung und Sauerstoff werden als Hauptfaktoren identifiziert, die die Lumineszenz beeinflussen. Beschleunigte Alterung unter UV und Freibewitterung resultieren in ähnlichen Lumineszenzmustern und -Spektren, die sich von denen nach exklusiver thermischer Alterung unterscheiden. (ii) Insbesondere können Risse in Zellen nachgewiesen werden, darüber hinaus gibt es Anhaltspunkte, dass auch Korrosion und Delamination durch Lumineszenz nachweisbar sein könnten. (iii) Lumineszenz ist eine vielversprechende Methode, zerstörungsfrei den Vernetzungsgrad und die Homogenität zu bewerten. (iv) Für wirtschaftliche und effiziente Alterungstests wurde eine Multi-Faktor-Alterungs-Kammer entwickelt und getestet, die die Prüfung der gleichzeitigen Wirkung mehrerer Alterungsfaktoren ermöglicht. (v) Erstmals wird eine Korrelation der EVA-Lumineszenz zu anderen, insbesondere viskoelastischen Materialeigenschaften gezeigt. Es wird geschlossen, dass diffusionsbegrenzte Oxidation (DLO) im EVA zwischen Zelle und Glas eine inhomogene Materialdegradation verursacht. Perspektivisch werden Studien des komplexen Einflusses von Temperatur, UV-und Sauerstoff auf Materialalterung durch 2D-Lumineszenz in Kombination mit Multi-Faktor-Alterung aufgezeigt, ebenso wie die Möglichkeit einer Anwendung zur Bestimmung von apparenten Reaktionsraten aus Lumineszenzintensitätsprofilen. / This work examines the prospects of employing spatially resolved (2D-) luminescence as a non-invasive method for the characterization of the ethylene-vinyl-acetate (EVA) encapsulation material in photovoltaic (PV) modules. It is shown that information can be obtained related to the topics: (i) impact of aging conditions, climate and material, (ii) detection of specific types of failure modes, (iii) use to monitor the production process, (iv) improving service life prediction by miniaturized multi-factor aging and (v) statements about the material aging. (i) Temperature, UV radiation and oxygen are identified as main factors, which influence the luminescence. Accelerated aging under UV and outdoor weathering result in similar luminescence patterns and spectra, different from those after exclusive thermal aging. (ii) Specific failure modes, in particular cracks of the cells, can be detected. In addition, indications exist that corrosion and delamination might be detectable by luminescence. (iii) Luminescence is a promising method that allows non-destructive examination of the degree of crosslinking and the homogeneity in the PV module. (iv) For more economic and efficient aging tests a multi-factor-aging chamber was designed and tested which allows testing the simultaneous action of several aging factors. (v) For the first time, a correlation of EVA-luminescence to others, in particular viscoelastic, material properties, is demonstrated. From the inhomogeneous degradation patterns, it is concluded that diffusion limited oxidation (DLO) in the EVA between glass cell and causes an inhomogeneous material degradation. Interesting prospects emerge, e.g. studies of the complex influence of temperature, UV and oxygen on material aging by 2D-Luminescence using multi-factor-aging. In addition, the evaluation of intensity profiles, for example, regarding apparent reaction rates, is one of many promising applications.

Este documento mostra uma interpretação do comportamento do consumo de energia elétrica baseada nos dados numéricos que foram coletados com o uso de contadores de Ah em 38 instalações fotovoltaicas domiciliares. A pesquisa envolveu igual número de famílias de 10 comunidades rurais com diferentes características sócioculturais localizadas nos Estados de São Paulo, Pernambuco e Amazonas, no Brasil, e adicionalmente na região Puno, no Peru. Também se discute diversas questões acerca do consumo de energia elétrica em sistemas fotovoltaicos domiciliares e sua relação com o desenvolvimento socioeconômico. O objetivo principal é propor um procedimento para dimensionar esses sistemas que inclua os múltiplos fatores que foram identificados e que exercem forte influência no comportamento do consumo. Estes foram denominados fatores técnicos, gerenciais, psicológicos, geográficos, demográficos, socioculturais e econômicos. O procedimento proposto leva em conta a constatação resultante da análise estatística dos dados por meio da qual a função de distribuição Gama é a que melhor caracteriza o comportamento desse consumo. Em sua essência, esta função indica que “muitas pessoas consomem pouco e poucas pessoas consomem muito". / This document shows an interpretation of the behavior of the electric energy consumption based on the numerical data collected with the use of Ah meter in 38 solar home systems. The research involved an equal number of families of 10 rural communities with different sociocultural characteristics located in the Brazilian States of São Paulo, Pernambuco and Amazonas, and additionally in the Puno region, in Peru. It also raises several points concerning the electric energy consumption in SHS´s and its relationship with the socioeconomic development. The main objective is to suggest a procedure for the sizing of SHS´s that includes the several factors that were identified and that exert strong influence in the behavior of the consumption. These were called technical, administrative, psychological, geographical, demographical, sociocultural and economic factors. This procedure takes into account the evidence resultant of the statistic analysis of the data by means of which the Gamma distribution function is the one which better characterizes the behavior of this consumption. Essentially, this function indicates that “many people consume little and few people consume much".

Ce travail de recherche prédictive, couplé à des synthèses expérimentales, a pour but d'anticiper la bonne adéquation entre un nouveau polymère donneur de type P3HT et un composé accepteur innovant à base de graphène. Cette étude a notamment porté sur i) la bande d'absorption du polymère donneur « low band gap », ii) sa robustesse face à la dégradation (cristallinité, résistance à l'oxydation), iii) la modulation des propriétés électroniques d'un dérivé de graphène (accepteur) en adéquation avec le donneur. Les résultats montrent que les polythiophènes ayant un substituant éther OR permettent l'amélioration de la conjugaison, de la rigidité, de la cristallinité et de la photostabilité tout en étant électroniquement compatible avec l'hexabenzocoronène fonctionnalisé (acide caorboxylique). De plus, ce nouvel accepteur sera pleinement compatible avec une électrode de graphite grâce à sa prédisposition à l'empilement colonnaire. / This predictive research work, combined with an experimental study, aims at anticipate the behavior of a new donor :acceptor pair constituted by a P3HT-type of polymer and an innovative graphene-based acceptor material (HBC). This study is particularly interested in i) the absorption band of the donor (a « low band gap » polymer) and ii) its resistance towards degradation (cristallinity, oxidation stability), and finally iii) the modulation of the electronic properties of the acceptor, in keeping with those of the donor. Results show that polythiophenes grafted with an –OR group improve both conjugation, rigidity, cristallinity and photostability, in addition to their great electronic compatibility with functionalized HBCs. Besides, this new acceptor material will be fully compatible with a graphite electrode, thanks to its columnar structuration.

Avec la demande toujours croissante d'énergie à laquelle l’homme fait face, le photovoltaïque (PV), qui convertit le rayonnement solaire en électricité, a connu ces dernières décennies un développement important. Bien que le marché PV actuel soit principalement dominé par les technologies à base de Si cristallin, la technologie PV à base de couches minces porte toujours l'espoir de contribuer efficacement à l'avenir vis-à-vis de la crise énergétique en raison de son coût beaucoup plus faible et d'une efficacité raisonnable.Les matériaux transparents conducteurs (TCM), principalement des oxydes conducteurs transparents (TCO), sont une composante essentielle dans la plupart des types de cellules solaires à couches minces car ils servent d'électrode de collecte des porteurs photo-générés sur la face avant de la cellule, c’est-à-dire celle face au soleil. Afin d'améliorer l'absorption optique (limitée par l'épaisseur de l'absorbeur) dans des cellules solaires à couches minces, on souhaite souvent que les TCO soient texturés (avec une rugosité de surface significative) de manière à bien diffuser la lumière, et ainsi de présenter des valeurs élevées de facteur de diffusion de la lumière. Ce dernier, que l’on peut appeler facteur de haze, est défini comme le rapport entre la transmittance (respectivement réflectance) diffuse et la transmittance (respectivement réflectance) totale. Plus ce facteur est élevé plus le TCO diffuse la lumière. Par voie de conséquence, la longueur du trajet optique est augmentée et ainsi le piégeage de la lumière dans la cellule solaire est amélioré, donnant lieu à une absorption de lumière plus importante dans les couches actives et augmentant potentiellement le rendement de conversion photovoltaïque des cellules solaires.Dans ce travail, des nano-composites innovants à base de SnO2 dopé au fluor (FTO) en combinaison avec les nanoparticules ZnO, S:TiO2 et Al2O3 ont été développés en utilisant un processus économique et facile constitué de deux étapes. Ces nano-composites à base de FTO présentent une transmittance totale de 70-80% et une résistance de 10-15 Ohm/sq, satisfaisant ainsi aux exigences requises pour des oxydes transparents conducteurs utilisés au sein de dispositifs photovoltaïques. En modifiant la concentration de la suspension de nanoparticules le facteur de haze de ces nano-composites peut être varié, de manière contrôlée, de presque 0% à 80%. Les propriétés morphologiques, structurales, électriques et optiques de ces nano-composites à base de FTO sont étudiées en détail et elles apparaissent étroitement dépendantes des nanoparticules sous-jacentes. Avant de discuter de l'intégration des nano-composites FTO au sein de cellules solaires, des efforts ont également été consacrés à une bonne compréhension de l'interface FTO/TiO2 qui est couramment présente au sein de divers types de cellules solaires à couches minces émergentes telles que les cellules solaires sensibilisées au colorant (DSSCs). Enfin, les nano-composites FTO diffusants ont été intégrés comme électrodes transparentes au sein de différents types de cellules solaires à couches minces et l'effet du facteur de haze sur la performance du dispositif a été étudié.En ajustant correctement le type et la concentration des nanoparticules sous-jacentes, les propriétés des nano-composites à base de FTO peuvent être variées de manière à répondre aux exigences d'électrodes pour une technologie photovoltaïque spécifique. Notre concept de préparation du TCO nano-composite en combinant les TCO et les nanoparticules propose une ligne directrice générale qui conduit à l’élaboration d’électrodes à caractère diffusant variable; permettant ainsi une bonne absorption des photons pour le photovoltaïque en couches minces. / With the increasing demand for energy that human beings are faced with, the photovoltaics (PV) technology which converts solar radiation into electricity has undergone increasingly development. Although the current PV market is mainly dominated by the crystalline Si based technologies, thin film PV still bears the hope to become the solution to the energy crisis in the future due to its much lower cost and reasonable efficiency.Transparent conductive materials (TCMs), mostly transparent conductive oxides (TCOs), are an essential component in most types of thin film solar cells as the current-collecting electrode on the sun-facing side of the cell. In order to improve the optical absorption (which is restricted by the limited absorber thickness) in thin film solar cells, the TCOs are often desired to be textured (with significant surface roughness) to show high values of haze factor. Haze factor is defined as the ratio of the diffuse transmittance/reflectance to the total transmittance/reflectance. The hazier a TCO is (i.e. with higher haze factor), the more light it scatters. As a consequence, the optical path length is increased and thus the light trapping in the solar cell is improved, giving rise to higher light absorption in the active layers and photon-to-current conversion efficiency of the solar cells.In this work, innovative nanocomposites of fluorine doped SnO2 (FTO) in combination with ZnO, S:TiO2 and Al2O3 nanoparticles have been developed using an economic and facile 2-step process. These FTO nanocomposites exhibit 70-80% total transmittance and 10-15 Ohm/sq sheet resistance, satisfying the basic requirements as transparent conductive oxides used in photovoltaics devices. By changing the nanoparticle suspension concentration, the haze factor of these nanocomposites can be varied, in a controlled way, from almost 0% up to 80%. The morphological, structural, electrical, and optical properties of these FTO nanocomposites are investigated in great details and are found to be closely related to the underlying nanoparticles. Before discussing the integration of the FTO nanocomposites into real solar cell devices, efforts have also been made to shed some light on the understanding of FTO/TiO2 interface commonly adopted in various types of emerging thin film solar cells such as dye sensitized solar cells (DSSCs). Finally, the hazy FTO nanocomposites have been used as transparent electrodes in different types of thin film solar cells and the effect of haze factor on the device performance has been examined.By properly tuning the type and concentration of the underlying nanoparticles, the properties of the FTO nanocomposites can be tuned to meet the electrode requirement for specific photovoltaic technology. Our concept of preparing TCO nanocomposite by combining TCOs and nanoparticles provides a general guideline to design hazy electrodes as light management structures in thin film photovoltaics.