Les systèmes photovoltaïques (PV) peuvent être exploités dans différents lieux. L'exposition extérieure des panneaux PV mets en jeu une combinaison complexe de facteurs (le vent, la pluie, la neige, la chaleur, la foudre, ombrage, …) qui provoquent leurs dégradations au cours du temps et réduit leurs rendement. Le diagnostic est parmi les solutions intéressantes en vue de faire fonctionner des panneaux PV à leur puissance optimale et afin de maximiser l'efficacité de la conversion PV dans le but de réduire les coûts de maintenance. Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons uniquement au diagnostic des générateurs PV. L'objectif de cette thèse est de proposer des outils de traitement de signal permettant de détecter et de localiser des défauts conduisant à une baisse de rendement. Pour mener ce travail, nous faisons tout d'abord un état de l'art sur les panneaux photovoltaïques de l'aspect microscopique (cellule) à l'aspect macroscopique (champs). Pour commencer, nous présentons le principe de fonctionnement d'une cellule photovoltaïque. Parallèlement à cela, nous décrivons les différents types de défauts et présentons un panorama des méthodes de leur détection. La seconde partie, consacrée aux outils théoriques. On rappelle la définition de la cyclostationnarité et des outils associés à la cyclostationnarité à l'ordre 1 (moyenne synchrone) et l'ordre 2 (corrélation spectrale). Les performances des panneaux PV dépendant principalement des conditions météorologiques (irradiance, température), ces conditions présentent des propriétés cyclostationnaires (CS) et permettent de décomposer les signaux en un motif cyclique (CSI) et un motif aléatoire cyclostationnaire à l'ordre 2 (CS2). La CS2 est associée à des phénomènes météorologiques comme les passages nuageux. À l'aide d'exemples, nous montrons que les outils classiques (Moyenne Synchrone,Cepstre) utilisés dans le domaine de la CS ne permettent pas une bonne séparation de la composante cyclique et la partie aléatoire pour le signal d'ensoleillement à cause de la variation d'amplitude d'un cycle à un autre engendré par l'effet de la saisonnalité. C'est pourquoi nous introduisons dans ce travail une méthode originale appelée ATSA adapté à ce type de signaux. Une troisième partie traitant de la modélisation de défauts indique comment construire une base de données de signaux électriques par simulation. De nombreux modèles électriques sont utilisés dans la littérature pour comprendre le fonctionnement des panneaux PV. Le modèle de Bishop a été retenu dans cette étude, car il représente bien la caractéristique courant tension (1-V) du fonctionnement des cellules PV dans régime direct ainsi que dans le régime inverse dans le cas où une cellule est occultée. Les signaux électriques des indicateurs (puissance maximale, courant court circuit et tension circuit ouvert) sont ensuite calculés à partir de la caractéristique I-V du panneau PV obtenue pour des conditions spécifiques (irradiance, température, défaut de mismatch, défaut de diode de bypass) L'originalité de notre travail est de simuler les signaux en utilisant des caractéristiques d'ensoleillement réelles obtenu par mesure satellite. Nous introduisons ainsi la notion de saisonnalité dans la caractéristique I-V qui dépend alors du temps. La fonction d'autocorrélation cyclique est appliquée sur les parties aléatoires des signaux afin de travailler sur la CS à l'ordre2 (CS2). Dans la quatrième partie, on montre comment combiner les outils tels que l'ATSA pour faire du diagnostic sur les signaux que nous avons simulés. Dans cette étude, la CS2 des signaux a donné de bons résultats pour faire du diagnostic en comparant par l'analyse temporelle et fréquentielle / Photovoltaic (PV) systems can be operated in different locations. The exhibition (Wind, rain, snow, heat, lightning, shading, etc.) which cause their degradation over time and reduc their efficiency. Diagnosis is one of the interesting solutions to make PV panels work at their optimum power and in order to maximize the efficiency of PV conversion in order to reduce maintenance costs. In this thesis work, we are interested only in the diagnosis of PV generators. The aim of this thesis is to propose signal processing tools to detect and locate faults leading to a drop in efficiency. To carry out this work, we first make a stateof the art on the panels. Photovoltaic cells of microscopic appearance (cell) with macroscopic appearance (fields). To begin, we present the principle of operation of a photovoltaic cell as well as the various parameters affecting its performance. The combination of cells to create a photovoltaic panel, panels to create fields, are the studied. It is then shown how to connect these elements to a Load and network. At the same time, we describe the different types of defects and present an overview of the methods of their detection. A third part dealing with the modeling of defects shows how to build a database of electrical signals by simulation. Many electrical models are used in the literature to understand the functioning of PV panels. The Bishop model has been chosen in this study because it represents the current voltage characteristic (I-V) of the functioning of the PV cells in direct regime as well as in the inverse regime in the case where a cell is occulted. We explain how the different types of defects affect the I-V characteristic of solar panels. The electrical signals of the indicators (maximum power, short circuit current and open circuit voltage) are then calculated from the characteristic [V of the PV panel obtained for specific conditions (irradiance, temperature, mismatch defect, bypass diode fault). .). The originality of our work is to simulate the signals using real sunlight characteristics obtained by satellite measurements. We introduce the notion of seasonality into the characteristic I-V which then depends on time. We then analyze the first signals obtained by simulation. The time evolution of these indicators shows a CS aspect and the ATSA method is applied for these signals to have a good separation of the cyclic pattern and the random pattern of the time signals. The separation of these two components. To work on different CS commands. The cyclic autocorrelation function is applied to the random parts of the signals to work on the CS to order2 (CS2). In the fourth part, we show how to combine tools such as ATSA to diagnose the signals we simulated. We first present our choice of types of defects and severity used to build our database. Next, we describe and illustrate the various indicator in detail for a shading defect. A larger study is then carried out on all the simulated defects. In this study, the CS2 of the signals gave good results to make the diagnosis by comparing by the time and frequency analysis

Cette thèse présente l’étude de nanocristaux semi-conducteurs pour leur intégration dans des dispositifs de conversion thermoélectrique. Ce phénomène permet de générer un courant à partir d’une différence de température entre deux faces, reliées par deux pieds conducteurs de charges. Les matériaux les plus efficaces à température ambiante sont basés sur le tellurure de bismuth Bi2Te3, qui est toxique et coûteux. Une étude théorique et bibliographique, portant sur les grandeurs caractéristiques de la conversion thermoélectrique, est réalisée. Elle permet de déterminer les matériaux d’intérêt en fonction de leur coût et de leur efficacité, que l’on peut optimiser à travers différents paramètres d’influence. La chalcopyrite, CuFeS2, présente des propriétés intéressantes en thermoélectricité, et offre une alternative intéressante aux matériaux classiques, car composée d’éléments abondants et non-toxiques. La synthèse par voie chimique choisie permet de contrôler la composition du matériau, et d’obtenir des nanocristaux de taille contrôlée entre 30 et 50 nm, pour diffuser les phonons dans le matériau et diminuer sa conductivité thermique. La thèse s’oriente autour de l’étude de ces nanocristaux semi-conducteurs de CuFeS2, organisée en deux parties principales.La première partie décrit la synthèse par voie chimique des nanocristaux et leur étude structurale. Deux méthodes de synthèse sont optimisées et permettent de contrôler finement la stœchiométrie du matériau, et d’accéder à des cristaux de différentes tailles et morphologies. Une étude complète de la composition des nanocristaux est réalisée par XPS, EDX et thermogravimétrie. L’étude du matériau par diffraction des rayons X met en évidence l’influence de la composition chimique des nanocristaux, et des conditions de température et de pression sur la phase cristalline du matériau. Une transition de phase de la wurtzite vers la chalcopyrite est décrite.Dans la seconde partie sont étudiées les propriétés thermoélectriques des nanocristaux synthétisés. Leur mise en forme en pieds thermoélectriques monolithiques est décrite, ainsi que l’optimisation de leurs propriétés thermoélectriques à travers trois stratégies. Le matériau obtenu est un conducteur de type n, qui permet la conduction des électrons. Sa conductivité thermique est réduite par nanostructuration. La première stratégie consiste à faire varier la composition des nanocristaux, et plus particulièrement le rapport entre charges cationiques et anioniques, pour modifier le taux de dopage du matériau, et ainsi modifier sa conductivité électrique et son coefficient Seebeck. La seconde voie d’amélioration consiste à remplacer les ligands isolants présents après la synthèse des nanocristaux par des ligands courts et conducteurs, pour augmenter la conductivité électrique du matériau. Enfin, des nanoparticules métalliques d’argent, d’étain et de cuivre sont introduites en mélange avec les nanocristaux afin d’augmenter la conductivité électrique du matériau nanocomposite ainsi créé.Cette thèse apporte des éléments de compréhension entre la structure et la composition de matériaux ternaires et leurs propriétés thermoélectriques, et permet d’envisager une amélioration de leurs performances. Les matériaux optimisés présentent des efficacités comparables aux résultats de la littérature pour cette famille de matériaux, notamment autour de la température ambiante. A travers une combinaison efficace des facteurs d’influence étudiés, ces efficacités pourront être dépassées lors de futurs travaux, et le matériau intégré à un dispositif de conversion thermoélectrique couplé à une cellule photovoltaïque, pour la conversion de l’énergie solaire par les deux phénomènes. / This thesis presents the studies made on semiconducting nanocrystals, to be integrated in thermoelectric generators. Thermoelectricity generates a current through a temperature difference between two faces, connected by thermoelectric legs which conduct the charges. Nowadays, the most efficient materials at room temperature contains tellurium, which is toxic and expansive due to its scarcity. A study on theory and literature is carried to understand the underlying phenomena which help us explain the thermoelectric conversion. The potentially interesting materials are selected for their cost and efficiency, tunable by varying different parameters. Chalcopyrite, of formula CuFeS2, presents promising properties for thermoelectricity, and offers an interesting way to replace classic materials as a non-toxic earth-abundant substitute. The chemical synthesis allows to control the composition of the material and to obtain 30 to 50 nm sized nanocrystals, able to scatter phonons and diminish the thermal conductivity of the material as a consequence. The thesis is describing the study of these semiconducting CuFeS2 nanocrystals, and is divided in two main parts.The first part describes the chemical synthesis of the nanocrystals and the characterization of their structure. Two ways of synthesis are developed and optimized, allowing to control the stoichiometry of the material, and to obtain crystals of different sizes and shapes. A complete study of the composition of the nanocrystals is made by XPS, EDX and thermogravimetric analysis. The study of the material by X-ray diffraction shows that the chemical composition of the nanocrystals, as well as the temperature and the pressure, have an influence on their crystalline phase. A phase transition from the wurtzite phase to the chalcopyrite phase is described.In the second part, are studied the thermoelectric properties of the nanocrystals. Their preparation as solid materials is described. The improvement made on their efficiency is following three main paths. The obtained material is a n type conductor, which means it carries electrons. Its thermal conductivity is reduced due to the nanostructuration. The first strategy consists in varying the composition of the nanocrystals, and especially the ratio between positive and negative charges, carried by ions, to modify the electrical conductivity and Seebeck coefficient of the material through doping. The second way of improvement is by replacing the native insulating ligands of the nanocrystals by short inorganic conducting ones, to increase the electrical properties of the material. Finally, metallic nanoparticles, of silver, tin and copper, are blended with the nanocrystals to improve the electrical conductivity of the resulting nanocomposite material.This thesis helps one to understand the relation between structure, composition and thermoelectrical properties of ternary semiconducting materials. It is possible to think of ways of improvement for the studied materials. Our best results are state of the art for this family of materials, especially around room temperature. There is room for improvement, with a proper combination of the studied parameters. During a future work, the optimized material could be integrated to a thermoelectric - photovoltaic device, for conversion of the solar energy through the two phenomena.

Cette thèse, financée par le laboratoire SIMaP-EPM à Grenoble et l'INES à Chambéry, porte sur l'effet des contraintes thermomécaniques sur la qualité cristalline lors de l'élaboration de lingots de silicium pour applications photovoltaïques. Ainsi, ce travail commence par exposer comment l'industrie photovoltaïque construit les panneaux solaires et l'impact des dislocations, défauts issus des contraintes, sur leur rendement. Une revue bibliographique est également faite afin de présenter les modèles physiques et numériques traitant des dislocations dans le silicium, de leur mouvement et de leur multiplication. Différentes techniques de caractérisation de la densité de dislocations sont également décrites dans la première partie de ce travail.Dans le second chapitre du manuscrit, une étude comparative de différentes méthodes de caractérisation rapide est réalisée afin de montrer leurs forces et leurs faiblesses. Pour cela, un échantillon sert de référence pour la comparaison. Celui-ci a l'avantage d'être large, de ne pas être perturbé par des joints de grains et d'avoir des zones de forte et de faible densité de dislocations. La première technique de caractérisation étudiée dans ce manuscrit est la « méthode précise » consistant à dénombrer manuellement les dislocations à la surface de l'échantillon afin d'avoir une caractérisation fine de la densité de dislocations. Ensuite, la « méthode INES » utilise un traitement informatique d'images prise avec un microscope électronique à balayage afin de compter les dislocations. La « méthode Ganapati » relie les niveaux de gris d'une image de l'échantillon prise avec un scanner et la densité de dislocations. Enfin, la « méthode PVScan » utilisant l'appareil du même nom et qui se sert de la diffusion d'un faisceau laser à la surface de l'échantillon afin de réaliser la caractérisation. Cette étude comparative montre quelles sont les applications privilégiées pour chaque technique et surtout quels questions il est nécessaire de se poser avant de réaliser une caractérisation.La troisième partie de ce travail est dévolue à la mise en place de deux simulations numériques utilisant le code commercial Comsol afin de prédire la densité de dislocations dans un lingot de silicium à la fin de son élaboration. Pour cela, le modèle d'Alexander et Haasen, décrivant l'évolution de la densité de dislocations et de la relaxation plastique, est implémenté au logiciel et couplé avec le calcul des contraintes thermomécaniques. Le premier modèle, nommé « évolution continue », traite le lingot dans son ensemble, partie solide et liquide, et fait évoluer la température de façon continue durant la résolution. Dans le second modèle, nommée « pas à pas », seule la partie solide du lingot est prise en compte en modifiant la géométrie et la température à chaque pas de temps. Ces deux modèles sont comparés avec des simulations numériques réalisées par des équipes japonaise et norvégienne et le premier modèle est également comparé avec la caractérisation d'un échantillon. Ainsi, cette partie montre la pertinence de l'utilisation d'un code commercial pour l'estimation de la densité de dislocation dans un lingot à la fin de l'élaboration, de par sa simplicité d'utilisation et son adaptabilité à différentes géométries de fours.Dans un dernier chapitre, le problème de l'attachement entre le lingot et le creuset lors de la cristallisation est étudié car il est à l'origine de fortes contraintes et donc de dislocations dans le cristal. Ce problème est également traité par simulation numérique en utilisant le logiciel Comsol. Pour cela, un modèle physique est défini : l'intégrale J est utilisé pour évaluer l'énergie élastique exercée sur l'attachement et cette valeur est ensuite comparée à l'énergie d'adhésion entre le creuset et le lingot. Ce model est implémenté au logiciel et les résultats sont comparés avec une expérience réalisée au cours d'une thèse précédente (...) / SIMaP-EPM laboratory of Grenoble and INES institute of Chambery have both financed this thesis which investigates the effect of thermo-mechanical stresses on the crystal quality during production of silicon ingots for photovoltaic applications. This work begins by showing how photovoltaic industry makes solar panels and the influence of dislocations (defects induced by stresses) on the conversion efficiency. Bibliographic review is also performed in order to describe physical and numerical models of dislocation motion and their multiplication in silicon. Several characterization methods of the dislocation density at the surface of a sample are also presented in the first part of this work.In the second part of this manuscript, comparative study of different quick characterization methods is done in order to show their strength and weaknesses. Therefore, a sample, which is wide, not containing grain boundaries, and having areas of high and low dislocation density, is used as reference sample for the comparison. The first characterization technique studied in this work is the “accurate method” consisting in manually counting the dislocations at the surface of the sample in order to have a precise characterization of dislocation density. The “INES method” uses numerical treatment of SEM pictures to count dislocations. The “Ganapati method” links the grey scale of a sample picture taken with a scanner and the dislocation density. Finally, the “PVScan method”, using the eponymous device, uses diffusion of a laser beam on the surface of the sample for characterization. This comparative study underlines the best applications for each method and which questions should be thought about before performing dislocation characterization.The third part of this work is intended to build two numerical simulations using Comsol commercial software in order to predict dislocation density in silicon ingot at the end of its production. Therefore, Alexander and Haasen model, describing dislocation density and plastic relaxation rate, is implemented into the software and coupled with the thermo-mechanical stress calculation. In the first model, named “continuous evolution”, the entire ingot is taken into account (liquid and solid parts) and, during solving of this numerical simulation, temperature changes continuously. In the second model, named “step by step” only the solid part of the ingot is taken into account with new geometry and new temperature at each step. Both of these models are compared to numerical simulations performed by Japanese and Norwegian teams. Results of the first one are also compared to the experimental characterization of a sample. Thus, this part shows the pertinence of using commercial software for the prediction of dislocation density in a silicon ingot at the end of its production. Its use is simple and shows good adaptability to different furnace geometries and thermal fields.In the last part, ingot/crucible attachment is studied because it creates high stresses and then dislocations in the crystal. This problem is also solved by numerical simulation using Comsol software. Therefore, a physical model is created: the J-integral is used to estimate elastic energy at the attachment area and then this value is compared to ingot/crucible adhesion energy. This model is implemented into the software and the results are compared to an experiment realized during a previous thesis. This numerical simulation is also applied to two attachment configurations of a silicon ingot in order to study the attachment duration, the localization and the size of crystal area impacted by plasticity.

L'énergie photovoltaïque connaît actuellement un fort développement. Après être restée pendant de longues années un moyen de production anecdotique (site isolé) le photovoltaïque devient aujourd'hui une source d'énergie connectée au réseau, en compétition avec les sources conventionnelles. Ce développement concerne principalement les installations de moins de 3kWc (90% des installations françaises). L'augmentation du nombre de ces centrales de petites puissances au coeur des bâtiments (intégré au bâti) met en exergue les problèmes d'ombrages et peu fortement limiter la production. C'est dans ce contexte de maximisation de la production PV et de changement des fonctionnalités que cette thèse explore les topologies de champs PV (générateurs PV + électronique de puissance) pouvant répondre à ces nouvelles exigences.

Le photovoltaïque organique est une technologie pleine de promesses tant ses avantages sont nombreux : flexibilité, légèreté, conformabilité, faible coût de fabrication, etc. Seulement, les rendements modérés et la durée de vie limitée des dispositifs ralentissent encore son déploiement. L’une des stratégies envisagée à l’augmentation des rendements est l’utilisation d’une architecture tandem qui consiste en la superposition de deux sous-cellules ayant des spectres d’absorption complémentaires. Seulement, aucune étude n’a été faite sur la stabilité de ces dispositifs dans le temps. Ce travail de thèse a donc pour objectif de concevoir des cellules tandems à haut rendement et d’étudier leur durée de vie sous une illumination AM1.5G 1000 W/m².Dans un premier temps, un travail d’optimisation en cellule simple a permis d’atteindre des rendements compris entre 2,7% et 5,6% en moyenne. Ces dispositifs ont été ensuite intégrés en cellule tandem avec l’appui d’un outil de simulation optique permettant d’atteindre des rendements proches des 7% et affichant un gain de 1% en moyenne par rapport aux meilleures dispositifs simple jonction.L’étude de la stabilité a été ensuite faite suivant une approche systémique des propriétés optiques (UV-Visible), optoélectroniques (EQE et J(V)) et électroniques (Spectroscopie d’impédance et SKP) des dispositifs simple et double jonction et des matériaux seuls. Les diminutions de performances observées sont liées à une dégradation principalement causées par les molécules acceptrices utilisées. Une amélioration de la durée de vie des sous-cellules en architecture tandems a également été observée probablement due à un effet filtre.Enfin, une première étude de la spectroscopie d’impédance appliquée aux cellules tandems est présentée ; technique permettant potentiellement de suivre l’évolution de chaque sous-cellule indépendamment dans le temps.Mots-clés : cellule solaire photovoltaïque organique tandem, simulation optique, vieillissement, spectroscopie d’impédance, dimérisation, dégradation, PC71BM. / Organic photovoltaics is a promising technology with many advantages: flexibility, lightness, conformability, and low manufacturing costs. The only limiting factors to its commercialization are the moderate efficiency and the limited lifetime of the devices. One strategy that can increase its efficiency is the use of a tandem architecture which consists of a stack of two subcells with complementary absorption spectra. However, no study has been done on the stability of these devices. The objective of this thesis is to design high-performance tandem cells and study their stability under illumination AM1.5 1000 W/m². As a first step, the optimization of single cells allowed us to achieve efficiencies from 2.7% to 5.6% on average. These devices were then combined to form a tandem cell with the support of an optical simulation tool. This resulted in efficiency close to 7% and a gain of 1% on average compared to the best simple junction devices. A stability study was then carried out using a systemic approach to the optical (UV-Visible), optoelectronic (EQE and J (V)) and electronic (Impedance Spectroscopy and SKP) properties of single and double junction devices and of the materials themselves. Decreases in performance were observed, which are related to a degradation mainly caused by the acceptor molecules. Any prolongation in the lifetime of sub-cells in tandem architecture can be explained by a filter effect. Finally, a preliminary study of impedance spectroscopy applied to tandem cells is presented. This technique would allow us to follow the degradation of each sub-cell independently directly in the tandem architecture.Keywords : organic tandem solar cell, optical simulation, ageing, impedance spectroscopy, dimerization, degradation, PC71BM.

Le travail de thèse effectué a pour objectif le développement d’un concept innovant de module photovoltaïque à faible concentration ultra-intégré, nommé HIRL pour Highly Integrated ReceiverLess module.Un premier Chapitre est consacré à la présentation du photovoltaïque à concentration (CPV) afin de positionner ce développement d’un concept original innovant. Le module développé est basé sur des concentrateurs réflectifs cylindro-paraboliques et il intègre des cellules multi-jonctions haut rendement. L’ambition est de travailler sur la simplification de la mise en module des cellules, en proposant d’une part, une architecture ultra-intégrée. L’optique de concentration en aluminium est multifonction puisqu’elle combine les fonctions de concentrateur, de support des cellules et de dissipateur thermique. D’autre part nous souhaitons appliquer pour ce concept des procédés de fabrication simples et éprouvés issus de l’industrie du photovoltaïque, tels que l’encapsulation par lamination. Enfin le module doit offrir une acceptance angulaire suffisante (> ±1°) pour utiliser un tracker un axe bas coût.Dans un second Chapitre, après avoir défini l’architecture de module envisagée, la modélisation thermique du système est présentée. Une étude a permis de définir les dimensions optimisées du concentrateur vis-à-vis de son rôle de dissipateur thermique. Ensuite, nous avons pu explorer les procédés de mise en forme des optiques mais également les méthodes d’interconnexion des cellules. Nous avons également mis en œuvre le procédé de lamination pour l’encapsulation des cellules multi-jonctions et démontrer la faisabilité de ce procédé pour le concept HIRL. Les procédés de fabrication identifiés ont été mis en œuvre pour la fabrication d’un prototype atteignant une efficacité électrique de 28%. La mesure de l’acceptance angulaire, de ±0.55°, a cependant montré les limites de ce premier design.Le troisième Chapitre est donc consacré à l’optimisation de l’architecture et des procédés au regard des résultats du Chapitre 2. Nous avons pu montrer comment modifier le design pour augmenter l’acceptance angulaire du module en conservant une bonne dissipation thermique. Enfin, de nouveaux procédés ont été mis en œuvre pour la réalisation d’un nouveau prototype fabriqué selon ce nouveau design et intégrant des cellules multi-jonctions optimisées pour la faible concentration. Ce nouveau prototype V3 présente un rendement de 30,5% et un angle d’acceptance de +/-1.4°.Dans le quatrième Chapitre, nous nous sommes attachés à caractériser les performances optiques des concentrateurs réalisés. Un banc de caractérisation optique a spécialement été développé pour ce type de module. Il a permis la comparaison des rendements optiques des différents concentrateurs, associés à leur procédé de mise en forme, ainsi que la comparaison de leur acceptance angulaire. Enfin, nous avons pu constater les effets de l’échauffement du concentrateur - du fait de son rôle de dissipateur thermique – sur les performances optiques.Enfin, dans un dernier Chapitre, une analyse de la chaine de pertes de la cellule au module est présentée. La caractérisation optiques du revêtement réflectif mais également des matériaux d’encapsulation des cellules ont été réalisés. En combinant ces résultats avec la mesure de réponse spectrale des cellules, nous avons pu calculer les performances optiques théoriques maximales atteignables par le module avec ces matériaux. Les moyens de caractérisations en simulateur solaire ont été adaptés afin de permettre la mesure de rendement de la cellule au module. Ces caractérisations ont permis de dresser un bilan de la distribution des pertes de puissance de la cellule au module. Ainsi, nous avons pu identifier les voies d’optimisation de ce module HIRL qui pourrait atteindre une efficacité électrique de 33%. / The aim of the work presented in this thesis is to develop an innovative low-concentration photovoltaic (PV) module with a high level of integration, a “Highly Integrated ReceiverLess” module named “HIRL”.The concentrated photovoltaic (CPV) technology is presented in the first Chapter with the aim to position the development of this novel concept. The developed module is based on a parabolic-trough concentrator and on the integration of high-efficiency multi-junction solar cells. The idea is to simplify the cell integration in the module via an optimized architecture. The innovation is the multi-functionality of the concentrator mirror acting as primary optical element (POE), which, in addition to having an optical function, becomes both the mechanical support of the cell arrays and the heat sink responsible of the cell cooling. Moreover, this concept relies on well-known, high-throughput, reliable and cost-effective flat-plate PV manufacturing techniques, such as lamination, for the cell array assembly into the rear of the POE. Finally the module is developed to reach an angular acceptance compatible with low cost one axis trackers (> ±1°).The thermal modeling of the module is presented in the second Chapter. This model is used to define the mirror dimensions that guarantee an optimized thermal cooling within the mirror element. Then, we have studied and tested different fabrication processes for the optics forming and cells interconnection. Moreover the feasibility of the lamination process for multi-junction cells encapsulation has been demonstrated for the HIRL concept. The application of the identified processes for prototype fabrication has allowed to fabricate a module reaching an electrical efficiency of 28%. However, the measured acceptance angle is of ±0.55°. It has shown that this design cannot reach the expected acceptance angle value.Based on Chapter 2 results, the architecture and fabrication processes are optimized in the third Chapter. The design has been modified with the aim to increase the angular acceptance while maintaining a sufficient thermal cooling. Moreover, new fabrication processes have been applied on a new prototype which integrates multi-junction cells optimized for low concentration. This new prototype reached 30.5% electrical efficiency and a ±1.4° acceptance angle compatible with low cost one axis tracker.In the Chapter 4, an optical characterization bench has been developed to compare the optical performances of the different optical concentrators fabricated. It allowed to compare the optical efficiency and the angular acceptance of these optical elements, related to different mirror forming techniques. Moreover, the capability of controlling the mirror temperature is also implemented to study thermal effects on the optical performances. It is shown that the mirror heating decreases significantly the acceptance angle of the module.Finally, in the fifth Chapter, an advanced characterization of the power loss mechanisms is presented, from the cell to the module. We calculated the maximum theoretical reachable cell to module ratio for the considered cell and materials based on experimental spectral response and mirror reflectivity measurements. Furthermore a solar simulator has been adapted for cell and module IV measurements to quantify total cell-to-module losses. These characterizations allowed to define the different power loss sources from the cell to the module. The optimization of mirror reflectivity and concentrator forming could increase the electrical efficiency to 33%.

Nous avons étudié dans ce travail l’effet de l’incorporation des nanoparticules semi-conductrices dans une matrice polymère, dans le but d’améliorer les performances des dispositifs optoélectroniques susceptibles d’être réalisés à partir des systèmes hybrides organique/inorganique. Il a été établi, en effet, qu’il est possible d’initier dans ces systèmes un transfert d’excitations du polymère aux nanoparticules qui peut, à cause du confinement des porteurs et des excitons dans ces nanoparticules, contribuer à une augmentation du nombre des porteurs et donc de la conductivité. Cet effet est d’autant plus efficace que les énergies de gap des deux matériaux sont voisines. Après avoir présenté les propriétés générales des polymères et des nanoparticules et l’état de l’art sur les systèmes hybrides , nous avons synthétisé des nanoparticules de séléniure de zinc (ZnSe) et de séléniure de cadmium (CdSe) et élaboré deux systèmes hybrides en couches minces à base de polymères : le PVK/ZnSe et le P3HT/CdSe. L’étude des propriétés optiques, structurales et vibrationnelles de ces systèmes en fonction de la concentration des nanoparticules a montré une nette amélioration de leur caractère semi-conducteur et leurs performances dans la conversion photovoltaïque. / We incorporated semi-conductive nanoparticles in a polymer matrix in order to improve the performance of optoelectronic devices that may be made from the organic/inorganic hybrid systems. It has been established that it is possible to initiate in these systems, a transfer of excitations from the polymer to the nanoparticles, due to the confinement of the carriers and excitons in these nanoparticles, which can contribute to an increase in the number of carriers, and therefore that of the conductivity. This effect is even more efficient than that of the energy gap, as this energy is similar in the two materials.After presenting the general properties of polymers and nanoparticles and the state of art of hybrid systems, we synthesized nanoparticles of zinc selenide (ZnSe) and cadmium selenide (CdSe) and developed two hybrid thin layer systems based on polymers: PVK / ZnSe and P3HT / CdSe.The study of optical, structural and vibrational properties of these systems, depending on the concentration of the nanoparticles, showed a clear improvement of their semi-conductor behavior and their performance in photovoltaic conversion.

L’objectif de cette thèse a consisté à développer des systèmes moléculaires capables de convertir l’énergie solaire en des formes directement utilisables par l’Homme : l’énergie chimique et l’énergie électrique. Les deux premiers chapitres décrivent la conception et la synthèse de systèmes moléculaires artificiels en vue de reproduire la fonction de photoaccumulation de charges de l’appareil photosynthétique naturel. Pour accomplir cela, notre stratégie, inspirée de celle de la Nature, a consisté en la synthèse d’un édifice moléculaire de structure étoilée, composé de plusieurs antennes moléculaires (photosensibilisateurs) liés de façon covalente à un accepteur d’électrons organique capable d’accueillir deux charges négatives sous illumination. A cet accepteur a ensuite été substitué un catalyseur de réduction des protons en hydrogène, dans le but de générer une production d’hydrogène sous un flux lumineux, à l’instar du complexe d’oxydation de l’eau de l’appareil photosynthétique naturel. Les deux derniers chapitres présentent le développement d’une méthode de stabilisation des systèmes moléculaires à la surface des semi-conducteurs, dans la cadre de la conception de cellules photovoltaïques hybrides à colorant. En vue d’améliorer les performances de celles-ci, ces travaux ont consisté en la synthèse de colorants fonctionnalisés faisant l’objet d’un procédé de réticulation après chimisorption sur un semi-conducteur, offrant ainsi de nouvelles perspectives en termes de stabilité et de durée de vie des cellules. / The aim of this thesis concerns the development of new photomolecular systems to convert solar energy into chemical and electrical energy. The first two chapters involve the synthesis of new molecular materials to mimic the charge photoaccumulation function of oxygenic photosynthesis. Our strategy consists in the synthesis of a star-shaped molecular architecture, composed of several molecular antenna (photosensitizers) covalently bound to an organic electron acceptor, which is able to host two negative charges upon illumination. To this acceptor has been substituted a proton reduction catalyst in order to generate a hydrogen production under a light irradiation, as the oxygen-evolving complex in the natural photosynthetic. The last two chapters describe the development of a stabilization approach of molecular systems at a semiconductor surface, in the context of the conception of dye-sensitized solar cells. In order to improve their performances, this work has consisted in the synthesis of functionalized dyes which were subjected to a reticulation process after chemisorption onto a semiconductor, providing new perspectives in terms of interface stability and solar cells lifetime.

La production d’électricité par des sources photovoltaïques joue un grand rôle dans les démarches qui visent à remplacer progressivement les combustibles fossiles par des sources d’énergie alternatives. La production énergétique photovoltaïque est en plein essor depuis l’introduction de systèmes photovoltaïques qui sont abordables pour des particuliers, une évolution à laquelle les subventions de l’Etat ont contribuée. C’est la raison pour l’installation de systèmes photovoltaïques dans des zones urbaines où les topologies conventionnelles de panneaux photovoltaïques en couplage série, qui sont appliquées dans les parc solaires, sont moins efficaces en raison des effets d’ombrage partiel par l’environnement urbain. Ce problème peut être réduit par l’application d’une topologie modulaire où chaque panneau est traité individuellement et indépendamment du reste des panneaux de couplage. Pour parvenir à cette modularité une topologie de convertisseur doit être développée qui peut être intégrée dans chaque module solaire. Dans le cadre de cette thèse un nouveau concept d'une installation solaire hybride modulaire a été étudié. Ce concept englobe le développement d'une topologie de convertisseur associé,qui peut être intégrée dans chaque module solaire du système solaire. Pour améliorer encore l’aspect de miniaturisation pour cette topologie de convertisseur et réduire ainsi le volume global du convertisseur, une augmentation de la fréquence de commutation accompagnée par l'utilisation de transistors à haute mobilité d'électrons (HEMT) a été fixée. Pour cette application,un HEMT sur la base de nitrure de gallium (GaN), qui est disponible dans le commerce auprès de la société EPC a été sélectionné. L'objectif de la thèse est le développement d’un nouveau concept d’un driver intégré avec une séparation galvanique qui est capable de contrôler les HEMT du convertisseur solaire avec une fréquence de commutation de l'ordre mégahertz.À cette fin, une technologie à haute température, fournie par X -Fab Semiconductors AG a été choisie et une bibliothèque de composants contenant toutes les cellules nécessaires à la conception du pilote ASIC a été développée. Pour le driver ASIC un circuit de tension de base a été développé qui génère une tension core stable qui est apte à supporter sans problèmes une large gamme de tensions d'alimentation (5V - 18V) qu’ainsi que les changements de température dans la gamme de température étendue (-40°C -175°C) de la nouvelle technologie ASIC haute température XA035 fourni par X-Fab. Pour réaliser la transmission du signal de commutation à travers l'isolation galvanique, plusieurs circuits ont été évalués et un nouvel algorithme de codage Manchester modifié a été élaboré pour réduire la complexité des éléments de couplage requis.Cela a permis la transmission différentielle de signaux de données et d'horloge sur seulement deux voies de signaux à séparation galvanique. En utilisant ce schéma de codage, une transmission de données à isolation galvanique a été développée, qui permet la transmission d’un signal codé PWM avec une fréquence allant jusqu'à 50 MHz. En outre, le circuit de driver lui même a été intégré ce qui permet de contrôler le nitrure de gallium (GaN) HEMT utilisé avec une fréquence de 5 MHz avec un minimum de retard entre les signaux d'entrée et de sortie.Ceci a permis l'augmentation susmentionnée de la fréquence de commutation du convertisseur et la réduction concomitante du volume global.Comme le concept de driver low-side qui a été développé utilise une isolation galvanique, il peut être utilisé aussi pour commander des transistors high-side, cette technologie n'est pas limitée à l'application dans un convertisseur photovoltaïque et il est envisageable qu’il puisse être réutilisé dans des types de conversion avec une topologie multi-level qui nécessite la commande du HEMT avec une fréquence de commutation élevée. / The generation of electricity through photovoltaic sources plays a great role in the transition from fossil fuel sources to alternate energy sources. It has been on the rise in the especially since the introduction of affordable photovoltaic systems for private customers accompanied by public subsidies. This leads to the application of photovoltaic systems in urban areas where conventional string topologies of photovoltaic arrays that are applied in solar parks are less efficient due to the effects of partial shading by the urban environment. This issue can be reduced by changing the photovoltaic array to a modular topology where each panel is treated individually and independently from the rest of the array. To achieve this modularity a converter topology needs to be developed that can be integrated into each solar module.In the frame of this work a novel concept of a hybrid modular solar array was researched and a converter topology supporting the solar modules was developed. To reinforce the miniaturization aspect of the converter topology the increase of switching frequency and the use of high-electron-mobility-transistors (HEMT) was decided. The focus of the thesis was to develop a novel integrated galvanically-isolated driver concept that is able to drive the HEMTs of the solar converter with a switching frequency in the MHz range. A high-temperature technology provided by X-Fab Semiconductors AG was chosen for this purpose and a component library containing all cells required for the design of the driver ASIC was developed. For the driver ASIC a core voltage circuit was developed that provides a stable core voltage of 3.3V while being able to tolerate a wide range of supply voltages (5V - 18V) as well as temperature changes in the complete extended temperature range (-40°C - 175°C) of the novel high-temperature ASIC technology XA035 provided by X-Fab. To achieve the transmission of the switching signal over the galvanic isolation several coupler circuits were evaluated and a novel modified Manchester coding algorithm was developed to reduce the complexity of the required coupling elements. This modified Manchester code enables the decoding and the rebuilding of the clock signal from just a single transmitted encoded signal and does not require the additional transmission of the original clock signal to for the decoding process usually necessary in a great part of conventional Manchester decoder circuits. Furthermore the driver circuit itself was developed that is able to drive the used GaN HEMT at a frequency of 5MHz with minimal delay between input and output signal of the driver.As the developed galvanically-isolated driver ASIC exhibits a low-side driver topology that can be also be applied for the high-side due to the galvanic isolation its use is not limited to the application in the presented modular photovoltaic system and it can be reused in any kind of multi-level converter topology that requires the driving of HEMTs with a high switching frequency. / Die Erzeugung elektrischer Energie durch Photovoltaik spielt angesichts des angestrebtenEnergiewechsels weg von fossilen Brennstoffen und hin zu erneuerbaren Energien eine bedeutendeRolle. Die photovoltaische Energieerzeugung befindet sich seit der Einführung erschwinglicherSolarmodule gepaart mit staatlichen Subventionen besonders im privaten Bereichim Aufschwung. Dies führte dazu, dass es auch im urbanen Bereich zum Aufbau vonPhotovoltaikanlagen kam, wo sich die herkömmlichen Reihenschaltungs-Topologien, die ingroßen Solarparks zur Anwendung kommen als nicht sehr effektiv erweisen, was besondersauf auftretende Teilverschattung durch die urbane Umgebung zurückzuführen ist. DiesesProblem kann durch die Verwendung von modularer Topologien verringert werden, da hier alleSolarpanels individuell und unabhängig voneinander behandelt werden können. Um diese Modularitätzu ermöglichen muss eine Wandlertopologie entwickelt werden, die in einzelne Solarmoduleintegriert werden kann.Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiges Konzept einer hybriden, modularen Solaranlageuntersucht. Dieses Konzept umfasste die Entwicklung einer zugehörigen Wandlertopologie,die in jedes Solarmodul der Solaranlage integriert werden kann. Um den Miniaturisierungsaspektfür diese Wandlertopologie noch zu verstärken und somit das Bauvolumen des Wandlerszu reduzieren, wurde eine Erhöhung der Schaltfrequenz einhergehend mit dem Einsatzvon Transistoren mit hohen Elektronenbeweglichkeit (high-electron-mobility transistor; HEMT)festgelegt. Für diese Anwendung wurde ein HEMT basierend auf Gallium-Nitrid (GaN), derkommerziell von der Firma EPC angeboten wird, ausgewählt. Der Schwerpunkt der vorliegendenArbeit war nun die Entwicklung eines neuartigen integrierten und galvanisch-isoliertenTreiberkonzepts das ermöglichen sollte, diese HEMTs bei einer Schaltfrequenz im MegahertzBereich zu betreiben. Zu diesem Zweck wurde, für die Erstellung des ASIC und einer zugehörigenBauteilebibliothek, eine hochtemperaturfähige CMOS Technologie ausgewählt, die vonX-Fab Semiconductor AG zur Verfügung gestellt wurde. Für die Verwendung im Treiber-ASICwurde eine Schaltung entwickelt, die eine stabile Core-Spannung zur Verfügung stellen kann,die sowohl Versorgungsspannungsabweichungen in einem weiten Bereich (5V-18V) als auchTemperaturabweichungen über den gesamten erweiterten Temperaturbereich (-40°C - 175°C)der XA035 Technologie von X-Fab problemlos tolerieren kann. Um die Übertragung eines Datensignalüber die im Modul präsente galvanische Trennung zu ermöglichen, wurden sowohlmehrere galvanisch Isolierte Koppelkonzepte ausgewertet als auch die Entwicklung eines neuartigenmodifizierten Manchester Kodierungsverfahren vorangetrieben, das es ermöglicht, denUmfang der benötigten galvanischen Koppelelemente zu reduzieren. Dieser modifizierte ManchesterCode erlaubt das Dekodieren und die Wiedergewinnung des Takts aus nur einemübertragenen Signals und benötigt nicht die zusätzliche Übertragung des ursprünglichen Taktsignalsfür den Dekodierungsprozess, wie dies bei vielen herkömmlichen Manchester Decoder-Schaltungen der Fall ist. Dies ermöglichte die differentielle Übertragung von Datensignalund Takt über nur zwei galvanisch isolierte Signalpfade. Unter Verwendung dieses Kodierungsverfahrenswurde eine galvanisch isolierte Datenübertragung realisiert, die ein kodiertesPWM Signal mit einer Frequenz von bis zu 50MHz überträgt. Weiterhin wurde die Treiberschaltungselbst einwickelt, die es ermöglicht den verwendeten Gallium-Nitrid (GaN) HEMTmit einer Frequenz von 5MHz mit minimaler Verzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangssignaldes Treibers anzusteuern. Damit würde die zuvor erwähnte Erhöhung der Schaltfrequenzdes Wandlers und die damit einhergehende Reduzierung des Bauvolumens erreicht.

La connaissance approfondie sur la luminescence des dispositifs photovoltaïques (PV) en a fait un outil de caractérisation puissant qui capte l'intérêt de la recherche et des industries du PV. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la luminescence des cellules solaires photovoltaïques à base de Cu(In,Ga)Se2. En particulier, nous explorons et revisitons ses dépendances temporelles, spectrales et spatiales. Cela a abouti dans un premier temps à la mise au point de nouvelles méthodes de caractérisation basée sur la luminescence de cette technologie PV en particulier. Nous montrons d’abord que par l’intermédiaire d'une méthode sans contact toute optique, nous sommes en mesure de détecter et de localiser les métastabilités de cette technologie. En utilisant une approche numérique basée sur des résultats expérimentaux de photoluminescence résolue en temps (TRPL) nous avions réussi à quantifier la densité des défauts de piégeage qui sont derrière ces métastabilités. Une fois quantifiée, nous traduisons cette densité en pertes absolues de performance PV de la cellule solaire. Ensuite, en explorant la dépendance spatiale de la luminescence des cellules solaires à base de Cu(In,Ga)Se2, nous avions corrélé avec succès, ses aspects temporels et spectrales en se basant sur la microscopie confocale à balayage et l’imagerie hyperspectrale. Cela nous a permis de généraliser nos résultats précédents à l'échelle globale des cellules solaires. Cette partie de la thèse nous a aidés à mieux comprendre une des origines fondamentales derrière l’inhomogénéité spatiale de la luminescence de ce type de dispositifs photovoltaïques.La dernière partie de la thèse était essentiellement technique et exploratoire. En particulier, nous introduisons une nouvelle technique optique dans le domaine de la caractérisation des dispositifs PV. Cette technique est dédiée à l’imagerie résolue en temps du temps de vie de fluorescence (TR-FLIM). Le principe de cette technique consiste essentiellement en acquisition d'images de luminescence du dispositif PV qui sont résolues temporellement. Avec ce nouveau dispositif expérimental, nous sommes maintenant en mesure de résoudre spatialement, et en temps réel la dynamique des porteurs de charge d'une technologie photovoltaïque donnée et accéder à ses propriétés électroniques clés. Une première démonstration a été faite sur une cellule solaire à base de GaAs, et pour laquelle nous avions extrait optiquement, la longueur de diffusion, la mobilité et le temps de vie de ses porteurs. De plus, nous avions pu estimer le coefficient de diffusion du matériau et son taux de dopage. / The extensive knowledge on the luminescence of photovoltaic (PV) devices has made it a powerful characterization tool that captures the interest of both research and industrial PV communities. In this thesis, we focus on the luminescence of Cu(In,Ga)Se2-based solar PV. In particular, we explore and revisit the luminescence temporal, spectral and spatial dependencies. This resulted in the development of new luminescence-based characterization methods for this particular PV technology. We show initially that by means of an all-optical, contactless methodology, we are able to detect and localize the metastabilities of this technology. Using a numerical approach based on experimental time-resolved photoluminescence (TRPL) we managed to quantify the trapping defects that are behind these metastabilities. Once quantified, we translated it into absolute losses in the PV performance of the solar cell. By exploring the spatial dependence of the luminescence of Cu(In,Ga)Se2 solar cells, we successfully correlated its temporal and spectral aspects based on scanning confocal microscopy and hyperspectral imaging. This allowed us to generalize our previous findings at the global solar cell scale. This part of the thesis helped us better understand one of the fundamental origins behind the spatially inhomogeneous luminescence of Cu(In,Ga)Se2 PV devices. The final part of the thesis was mainly technical and exploratory. In particular, we introduced a new optical technique to the field of PV characterization. It is dedicated to time-resolved fluorescence lifetime imaging (TR-FLIM) which basically consists of acquiring time-resolved luminescence images of the PV device. With this new setup we are now able to spatially resolve, in real-time the charge carrier dynamics of a given PV technology and access its key electronic properties. A first application was made on a GaAs-based solar cell, for which we were able to optically extract the mobility, diffusion length and lifetime of its carriers. Finally, we were also able to estimate the diffusion coefficient of the material and its doping density.