Compte tenu de l'utilisation envisagée du graphite comme matériau de creuset à la place de la silice frittée pour la cristallisation dirigée des lingots de silicium multcristallin de qualité photovoltaïque, un objectif majeur de la thèse était de développer un revêtement spécifique au matériau de moule sélectionné. Une première tâche de ce travail a consisté à définir très précisément les conditions de fonctionnement du couple revêtement anti-adhérent / matériau de creuset et les modifications à apporter au procédé afin d'utiliser le revêtement standard à base de poudre de Si3N4 sur graphite, La deuxième tâche de la thèse a consisté à mettre en place le procédé de moulage à partir d'une étude préliminaire basée sur une configuration simplifiée de moulage par écrasement où un morceau de silicium s'étale à l'intérieur du moule au cours de sa fusion. Le but recherché est de mettre en évidence les conséquences de la configuration « moulage » (caractérisée par un rapport élevé surface de contact / volume de Si a priori très défavorable) et des conditions thermiques (gradient et vitesse de solidification) sur l'adhérence (collage), la pollution par le revêtement et la structure cristalline du silicium. / Considering the use of graphite as a crucible material instead of sintered silica for the directional crystallisation process of multicrystalline solar grade silicon, one of the main goals of this PhD program was to develop a dedicated releasing coating to be used with the identified mould material. A first task of this work consisted in a precise definition of the operating conditions for the releasing coating / crucible material couple and consequently modifying the process in order to be able to use the standard silicon nitride powder-based releasing coating on graphite. The second task was to design the moulding process based on a preliminary study of a simplified configuration of squeezing moulding experiments where the silicon piece spreads into the inner space of the mould when melting. The aim of these experiments was to enlighten the consequences of the “moulding” configuration (characterised by a high contact surface / Si volume ratio, a priori very detrimental) and of the thermal conditions (gradient and solidification speed) on adhesion (sticking), pollution coming from the coating, and on the crystalline structure of moulded silicon.

Doués d'excellentes propriétés électroniques et optiques, les matériaux polymères π-conjugués ont connu un important développement ces dernières décennies. Ce mémoire porte sur la conception, l'élaboration et la caractérisation de polymères π-conjugués à base de poly(3-hexylthiophène) (P3HT). Ainsi, des homopolymères et des copolymères statistiques et à blocs ont été obtenus par la méthode dite de polycondensation à transfert de catalyseur de Kumada (KCTP). Des groupements cationiques tels que N-méthylimidazolium, triméthylammonium, triméthylphosphonium et pyridinium ont été introduits sur les chaînes latérales de ces polymères leur permettant d'être parfaitement solubles dans l'eau. Les propriétés physico-chimiques (comportement en solution, stabilité thermique…) des polyélectrolytes -conjugués (CPEs) ainsi obtenus ont été étudiés par SANS, DLS, flash DSC, ATG... L'interaction avec l'ADN et l'utilisation de ces CPEs en tant que couche interfaciale cathodique dans des cellules solaires ont été décrites. Enfin, un autre aspect de ce travail a consisté à insérer dans la chaîne de copolymères à base de P3HT des porphyrines afin d'étendre le spectre d'absorption de ces polymères. La stabilité thermique, les propriétés optiques et morphologiques et le comportement électrochimique de ces copolymères polythiophène-porphyrines ont été également étudiées. / Π-conjugated polymers have attracted a great attention during the past decades due to their fascinating electronic and optical properties. This work deals with the design, the synthesis and the characterization of -conjugated polymers based on poly(3-hexylthiophene) (P3HT). Homopolymers, random and block copolymers have been synthesized by using the Kumada Catalyst-Transfer Polycondensation (KCTP) method. Cationic groups such as N-methylimidazolium, trimethylammonium, trimethylphosphonium and pyridinium were successfully introduced into the polymers side chains leading to water soluble polymers. The physicochemical properties (behavior in solution, thermal stability…) of these -conjugated polyelectrolytes (CPEs) were studied by SANS, DLS, flash DSC, TGA… The interaction of CPEs with DNA as well as their use as cathodic interfacial layer in solar cells was described. Finally, another aspect of work consists of introducing in P3HT-based copolymers side chains porphyrins aiming at broadening the absorption spectrum of these polymers. The thermal stability, the optical and morphological properties and the electrochemical behavior of these polythiophene-porphyrine copolymers were studied.

Cette thèse est dédiée à l'étude d'une nouvelle méthode de formation de films ultra-minces de nanomatériaux carbonés sur surface. Basée sur le transfert d'un film d'eau stabilisé par des tensioactifs, elle permet notamment la réalisation et l'étude de films de nanotubes de carbone et d'oxyde de graphène (GO) aux propriétés remarquables. L’efficacité de l’approche développée est prouvée au travers de l’ajustement précis des caractéristiques des films. Pour l’assemblage d’objets bidimensionnels cette approche est particulièrement pertinente puisque la planéité des feuillets de GO est conservée quelle que soit leur taille. Les avantages de l’approche ne se limitent pas à la réalisation de monocouches à morphologie contrôlée mais s’étendent à la réalisation de films multicouches d’épaisseur ajustée et de très faible rugosité. De plus, cette approche est modulable et permet le transfert de films de nano-objets sur des surfaces de différentes mouillabilités et de grandes dimensions (transfert à l’échelle de wafers). L’intérêt du graphène oxydé en tant qu’analogue du graphene ne se justifie que par une désoxygénation (réduction) efficace du matériau idéalement complétée par une réparation de sa structure sp². Cette thèse aborde ces deux aspects. Les électrodes transparentes à base d'oxyde de graphène réduit (rGO) réalisées au cours de cette thèse sont parmi les plus performantes du domaine. Les résultats présentés incluent également un travail important sur les caractérisations électriques des feuillets individuels et des films de GO et de rGO. Ainsi, nous avons prouvé qu’il est possible de mesurer leur conductivité sans contact, par voie électrochimique (Scanning Electrochemical Microscopy). Même si les performances des électrodes en rGO n'atteignent pas celles des électrodes en graphène, les films réalisés peuvent d’ores et déjà être intégrés dans des dispositifs photovoltaïques. Nos travaux permettent de contribuer au domaine émergeant des cellules basées sur l’hétérojonction entre film de nano-objets carbonés et silicium. Dans le cadre de cette thèse nous montrons en particulier que les analyses par Time Resolved Microwave Conductivity sont complémentaires des mesures effectuées à l’échelle des cellules photovoltaïques, chacune permettant de caractériser, sous des angles différents, l’efficacité de séparation des charges photo-induites. Les travaux réalisés au cours de cette thèse contribuent aux problématiques dépendantes d’assemblage et d’intégration des nano-objets carbonés dans des dispositifs en ouvrant de nombreuses perspectives dans ces domaines en rapide évolution. / This thesis concerns the study of a new solution-based deposition method for the formation of ultrathin carbon nano-object films on surfaces. Based on the transfer of a surfactant-stabilized water film, this method enables the formation and the study of carbon nanotubes and graphene oxide (GO) films with remarkable properties. The efficiency of the developed approach is proven through the fine-tuning of the film properties. This method is particularly well-suited for the assembly of bidimensional nano-objects such as GO sheets, the flatness of which is preserved whatever their dimensions. The advantages of the approach are not limited to the morphological control of monolayer assemblies but extend to the realization of multilayer films of adjustable thickness and extremely low roughness. Besides, it enables the transfer of nano-object films on large (wafer-scale) surfaces of various wettability. The use of graphene oxide as an intermediate step toward graphene only makes sense if it is efficiently deoxygenated (reduced) and, ideally, repaired at the level of sp² domains. This thesis addresses these aspects. The realized transparent electrodes made of reduced graphene oxide (rGO) are among the most efficient in this field. The presented results also include an important work on the electrical characterization of graphene oxide sheets and films. We notably prove that conductivity can be measured without contact by an electrochemical way using Scanning Electrochemical Microscopy. While the performances of rGO electrodes are below those of graphene electrodes, the studied films can already be integrated into photovoltaic devices allowing to contribute to the emerging field of solar cells based on carbon/silicon heterojunctions. We particularly demonstrate that Time Resolved Microwave Conductivity analysis and photovoltaic cell measurements are complementary. Each of these techniques allows evaluating the efficiency of the separation of photo-induced charges. This thesis contributes to the dependent problematics of nano-object assembly and nano-object integration into devices, which are central for the development of nanotechnologies based on the bottom-up strategy.

Le contrôle de la morphologie de la couche active en optoélectronique organique représente un objectif majeur du fait de son impact sur la stabilité et les performances des dispositifs. En particulier, le degré d'autoorganisation d'un mélange de deux composés à caractère donneur (D) et accepteur (A) d’électrons, ainsi que leurs orientations sont déterminants pour obtenir à la fois un de transfert de charges efficace et des chemins de percolation continus jusqu'aux électrodes. Durant ce travail de thèse, nous avons synthétisé plusieurs séries de co-oligomères à blocs donneur-accepteur capables de s’auto-organiser pour former des lamelles alternées D/A à longue distance. Les co-oligomères présentent une architecture moléculaire de type diade (DA) ou triade (DAD ou ADA), et sont constitués d’une longueur de bloc D variable. Les molécules sont toutes composées d'un bloc A à base de perylène diimide et d'un bloc D contenant les motifs thiophène, fluorène et benzothiadiazole. Une attention particulière a été portée sur l'étude des propriétés optiques, électrochimiques, photophysiques, structurales ou encore opto-électroniques de nos matériaux. En particulier, nous nous avons montré que l’organisation lamellaire était très fortement dépendante de l’architecture moléculaire, puisque seuls les systèmes AD et ADA conduisent à une structuration à longue distance. Par ailleurs, en ajustant la densité électronique au sein du bloc D, nous avons montré qu’il était possible de contrôler à la fois le temps de formation et la durée de vie des états à transfert de charges. Enfin,les premiers résultats de caractérisation du transport de charges et des propriétés photovoltaïques démontrent l’intérêt de ces matériaux dans la réalisation de dispositifs photovoltaïques organiques mono-composants. / In the field of organic opto-electronics, the good control of the active layer morphology in devices represents a major objective to improve the stability and the photovoltaic performances. Especially when blends of selforganizing electron donor (D) and acceptor (A) moieties are combined, their mutual orientation and the degree of supramolecular ordering are determinant in controlling the fundamental energy, the electron transfer processes and the existence of continuous percolation pathways for charge carriers. In this work, we have designed and synthesized different series of donor-acceptor block co-oligomers able toself-assemble in a lamellar structure at very long range. The co-oligomers are made of a dyad (AD) or triad (DAD, or ADA) molecular architecture, and have a variable length of the D block. The A block is constituted of a perylene diimide unit, and the D block of benzothiadiazole, thiophene and fluorene segments. A particular attention was paid on the studies of optical, electrochemical, photophysical, structural and opto-electronical properties. In particular, we showed that the lamellar organization was strongly dependent on the molecular architecture, since only the AD and ADA systems lead to long-range organization. Moreover, by tuning the electronic density along the D block, it has been possible to control both the formation and lifetime of the charge transfer states. Finally, the first results on charge transport and photovoltaic properties demonstrate the high interest of these materials for the elaboration of single component organic photovoltaic devices.

L’évolution du contexte énergétique mondial et la lutte contre le changement climatique ont conduit à l’accroissement des capacités de production d’énergie renouvelable. Les énergies renouvelables sont caractérisées par une forte variabilité due à leur dépendance aux conditions météorologiques. La maîtrise de cette variabilité constitue un enjeu important pour les opérateurs du système électrique, mais aussi pour l’atteinte des objectifs européens de réduction des émissions de gaz à effet de serre, d’amélioration de l’efficacité énergétique et de l’augmentation de la part des énergies renouvelables. Dans le cas du photovoltaïque(PV), la maîtrise de la variabilité de la production passe par la mise en place d’outils qui permettent de prévoir la production future des centrales. Ces prévisions contribuent entre autres à l’augmentation du niveau de pénétration du PV,à l’intégration optimale dans le réseau électrique, à l’amélioration de la gestion des centrales PV et à la participation aux marchés de l’électricité. L’objectif de cette thèse est de contribuer à l’amélioration de la prédictibilité à court-terme (moins de 6 heures) de la production PV. Dans un premier temps, nous analysons la variabilité spatio-temporelle de la production PV et proposons une méthode de réduction de la non-stationnarité des séries de production. Nous proposons ensuite un modèle spatio-temporel de prévision déterministe qui exploite les corrélations spatio-temporelles entre les centrales réparties sur une région. Les centrales sont utilisées comme un réseau de capteurs qui permettent d’anticiper les sources de variabilité. Nous proposons aussi une méthode automatique de sélection des variables qui permet de résoudre les problèmes de dimension et de parcimonie du modèle spatio-temporel. Un modèle spatio-temporel probabiliste a aussi été développé aux fins de produire des prévisions performantes non seulement du niveau moyen de la production future mais de toute sa distribution. Enfin nous proposons, un modèle qui exploite les observations d’images satellites pour améliorer la prévision court-terme de la production et une comparaison de l’apport de différentes sources de données sur les performances de prévision. / The evolution of the global energy context and the challenges of climate change have led to anincrease in the production capacity of renewable energy. Renewable energies are characterized byhigh variability due to their dependence on meteorological conditions. Controlling this variabilityis an important challenge for the operators of the electricity systems, but also for achieving the Europeanobjectives of reducing greenhouse gas emissions, improving energy efficiency and increasing the share of renewable energies in EU energy consumption. In the case of photovoltaics (PV), the control of the variability of the production requires to predict with minimum errors the future production of the power stations. These forecasts contribute to increasing the level of PV penetration and optimal integration in the power grid, improving PV plant management and participating in electricity markets. The objective of this thesis is to contribute to the improvement of the short-term predictability (less than 6 hours) of PV production. First, we analyze the spatio-temporal variability of PV production and propose a method to reduce the nonstationarity of the production series. We then propose a deterministic prediction model that exploits the spatio-temporal correlations between the power plants of a spatial grid. The power stationsare used as a network of sensors to anticipate sources of variability. We also propose an automaticmethod for selecting variables to solve the dimensionality and sparsity problems of the space-time model. A probabilistic spatio-temporal model has also been developed to produce efficient forecasts not only of the average level of future production but of its entire distribution. Finally, we propose a model that exploits observations of satellite images to improve short-term forecasting of PV production.

Ce manuscrit décrit la synthèse et la caractérisation de nouvelles molécules incluant un cœur organophosphoré, le phosphole. Certaines de ces molécules ont été utilisées pour la fabrication de dispositifs OLEDs ou de cellules photovoltaïques organiques. Le premier chapitre fait un état de l'art de la chimie du phosphole dans le domaine des matériaux organiques entre 2010 et 2013. Le second chapitre décrit la synthèse et l'étude physico-chimique de molécules qui permettent de moduler l'angle de torsion dans les systèmes π conjugués pour faire varier les propriétés optiques et rédox. Une de ces molécules a permis la fabrication d'une diode blanche organique. Le troisième chapitre de ce manuscrit présente une structure tridimensionnelle intéressante, le 1,1-biphosphole. En plus de posséder une structure tridimensionnelle, ces structures présentent un mode de conjugaison original, la conjugaison σ-π, qui permet de réduire l'écart HO-BV de nos systèmes. Une de ces molécules a permis la fabrication de la première cellule photovoltaïque organique avec un dérivé du phosphole inséré dans la couche active. Dans une deuxième partie, ce chapitre traite également de la réactivité originale du 1,1'-biphosphole qui permet de fonctionnaliser l'atome de phosphore par une simple substitution nucléophile, permettant d'insérer une grande variété de substituants pour moduler les propriétés des molécules. Pour finir, ce manuscrit présente un quatrième chapitre qui implique le phosphole comme unité coordinante afin de réaliser des nouveaux complexes qui permettent de réaliser une ortho-métallation par activation C-H. De nouveaux complexes ortho-métallés d'Ir(III) et de Rh(III) ont été synthétisés et caractérisés. / This thesis describes the synthesis and the characterization of new molecules including an organophosphorous unit, the phosphole ring. Some molecules have been used to build devices like organic light emitting diodes or organic photovoltaic cells.The first chapter describes the state of the art of the phosphole chemistry in organic materials between 2010 and 2013. The second chapter describes molecules having a tuneable twist angle allowing a fine control of the properties of the molecules like the HOMO-LUMO gap. One of those molecules has been used to build a white organic light emitting diode. The third chapter of this thesis presents an interesting three dimensional structure, the 1,1'-biphosphole. Beside this three dimensional structure, the molecules possess an original conjugation mode, the σ-π conjugation which allows a decrease of the HOMO-LUMO gap. One molecule from this chapter was used as absorber in organic photovoltaic cell. In the second part of this chapter, the 1,1'-biphosphole structure shows an interesting reactivity toward nucleophilic attack in order to functionalize the phosphorus center. This reactivity has been used to make new molecules and offer the opportunity to attach a wide range of substituents to the phosphorus atom in order to tune the properties of the molecules. The fourth chapter deals with the coordination chemistry of the phosphole in order to realize new ortho-metalated complexes. New Ir(III) and Rh(III) complexes have been synthesized and characterized.

Afin de répondre à des besoins croissants en nano-caractérisation, nous avons développé une plateforme multifonctionnelle combinant des techniques de microscopie optique et de microscopies en champ proche.Au coeur de ce dispositif se trouve l'échantillon. Ceux optiquement semi-transparents en exploiteront au mieux la palette des techniques implémentées. Parmi eux des couches minces (100nm), nanostructurées, de matériaux organiques photovoltaïques.La plateforme permet d'utiliser différentes techniques de microscopies à sonde locale (AFM1, KPFM2, SNOM3, ...) couplées à un microscope optique inversé qui autorise illumination ou imagerie. Versatile, elle peut accueillir des portes-échantillons d'autres techniques développées ou présentes au laboratoire (en particulier les microscopies électroniques à projection, à transmission ou à balayage). Elle est également conçue pour faciliter l'intégration d'autres techniques.Outre le développement de la plateforme, ce manuscrit montre la part importante du travail effectuée pour mettre au point et exploiter une microscopie à sonde de Kelvin (KPFM) à haute résolution sous illumination.Des résultats obtenus sur des matériaux organiques photovoltaïques permettent notamment d'illustrer les excellentes performances de notre plateforme de nano-caractérisation et des techniques associées. / To address the increasing demand on nanomaterials investigation, we developed a cross-characterization platform combining scanning probe microscopies (AFM 1, KPFM 2, SNOM 3, ...) and inverted optical microscopy. The inverted optical microscope, allowing both illumination and imaging, is augmented with near field microscopies such as cited above.The heart of our setup is the sample. Optically semi-transparent samples will best benefit the range of implemented complementary technics, among these samples, nanostructured organic photovoltaic thin (100nm) films. However, the flexible platform is thought to be adaptable to other samples and thus sample-holders used for other characterization techniques existing in the Institute, such as scanning or transmission electron or projection microscopies. The platform is also designed to simplify future extension to other experimental technics.Beyond the platform itself, the manuscript shows the important effort devoted to develop, and take benefit of, a Kelvin probe microscopy under illumination.Results obtained on organic photovoltaic materials demonstrate the possibilities of our original setup and prove its performance to be at state of the art.