L’opération de cellules solaires sous un flux de lumière concentrée permet d’accroître leur efficacité. Les densités élevées de courant généré limitent toutefois ce gain et font chuter l’efficacité par effet Joule. L’aire métallisée des contacts en face avant des cellules solaires doit alors être augmentée avec le facteur de concentration. Cela provoque des pertes par ombrage qui deviennent très importantes dans le cas des contacts conventionnels en grille. Dans ce mémoire, une nouvelle architecture de contact se basant sur la technologie des vias traversants est étudiée et comparée aux contacts conventionnels. Celle-ci pourrait permettre une réduction simultanée des pertes par effet Joule et par ombrage pour un faible coût. Un modèle de simulations combinant l’évaluation de résistance série par éléments finis 3D et le calcul des performances avec un circuit équivalent 1D a été développé. Cela a permis d’optimiser des cellules solaires InGaP/(In)GaAs/Ge avec les différentes géométries de contacts sous lumière hautement concentrée. Un gain d’efficacité allant jusqu’à 3%abs et une augmentation de la densité de puissance générée de l’ordre de 20% ont ainsi été obtenus avec les cellules à vias traversants. Un modèle de circuit distribué 3D a également été développé pour simuler l’illumination non-uniforme des cellules solaires. Il a alors été montré que la dégradation des performances associée à ce phénomène est égale ou inférieure dans les cellules à vias traversants par rapport aux cellules conventionnelles. Enfin, des simulations par éléments finis ont été réalisées pour estimer l’impact de la qualité des parois des vias sur les recombinaisons non-radiatives. Il a alors pu être déterminé que ce mécanisme de pertes ne devrait pas constituer un frein au développement de la technologie des vias traversants.

Le dopage du silicium par implantation ionique pour le photovoltaïque est une application relativement récente dont l'essor se heurte encore aujourd'hui aux coûts élevés d'intégration au sein des lignes de fabrication des cellules solaires. L'implantation ionique par immersion plasma promet de répondre aux futures exigences du secteur en termes de coûts et de productivité.Ces travaux de thèse ont permis le développement de procédés d'implantation ionique par immersion plasma de l'équipement PULSION®, conçu par IBS, dédiés à la fabrication de cellules solaires en silicium monocristallin. Dans un premier temps, nous montrons qu'il permet la réalisation de profils de dopage d'émetteur de type n variés, répondant aux exigences des cellules solaires à haut rendement. Les émetteurs fabriqués sont caractérisés de manière chimique, physique et électrique afin de démontrer leur excellente qualité. L'intégration de l'implantation ionique des émetteurs au sein d'un processus de fabrication industriel et peu coûteux, développé par l'INES sur silicium monocristallin de type p, permet d'atteindre des rendements de conversion supérieurs à 19,3%, soit un gain de plus de 0,5% par rapport aux rendements obtenus avec des cellules usuelles à émetteurs dopés par diffusion POCl3.La réalisation d'émetteurs de type p est également étudiée dans ce mémoire afin de préparer la transition technologique vers les cellules solaires sur silicium monocristallin de type n. Confirmant les atouts et le potentiel de la technologie d'implantation ionique par immersion plasma, les travaux menés au cours de cette thèse débouchent sur la conception d'un prototype industriel PULSION® dédié au photovoltaïque. / Ion implantation is a major process technology for manufacturing integrated circuits. However, silicon doping by ion implantation for photovoltaics is a relatively recent application, and its growth still faces high costs of integration into solar cell production lines. Plasma-immersion ion implantation (PIII) promises to meet the future industry requirements in terms of costs and productivity.This thesis work has led to the development of processes dedicated to silicon-based solar cell manufacturing using the plasma-immersion ion implanter – PULSION® – designed by IBS. First, we show that PIII enables the realization of various doping profiles for phosphorus-doped emitters which fit the requirements of high-efficiency solar cells. Emitters thus fabricated are chemically, physically and electrically characterized to demonstrate their excellent quality. Those emitters, implanted through plasma immersion and integrated into a low cost solar cell manufacturing line from INES on monocrystalline silicon, enable to raise the conversion efficiency, obtained with conventional POCl3-diffused solar cells, by more than 0.5% absolute to reach efficiencies above 19.3%.Fabrication of p-type boron implanted emitters is also studied in order to improve conversion efficiencies of p-type silicon based solar cells, but also in order to anticipate the technological shift from p-type to n-type silicon material. Thanks to this thesis work, the strength and potential of PIII for photovoltaic applications have been proven and this has convinced IBS to design a PULSION® equipment dedicated to solar cell manufacturing.

Il a été montré récemment (Mazur et al, Harvard University) qu'un moyen simple d'améliorer le rendement des cellules solaires photovoltaïques actuelles pouvait être obtenu en irradiant la structure du silicium avec des impulsions laser femtoseconde en présence d'un gaz sulfuré (SF6). Cette irradiation entraîne la formation de micro-structures érigées (spikes) sur la surface. Celle ci devient ainsi fortement absorbante au rayonnement solaire (black silicon). Le travail effectué durant cette thèse a porté sur plusieurs points. Dans un premier temps une étude complète a été menée sur les différents paramètres expérimentaux permettant la création de ces micro-structures à la surface du silicium. Parallèlement, des séries d'expériences ont été menées pour permettre la compréhension des mécanismes physiques entraînant leur formation. Par la suite, les surfaces de silicium micro-structurées ont été caractérisées optiquement. Les résultats obtenus permettent d'avoir une absorption de 96 % du silicium dans les spectre UV et visible. Des cellules solaires complètes ont été réalisées afin d'en caractériser électriquement les performances. / It was shown recently (Mazur et al, Harvard University) a simple way to improve the performance of photovoltaic solar cells could be obtained by irradiating the surface of silicon with femtosecond laser pulses in a sulfide gas atmoshere (SF6). This irradiation causes the formation of micro-structures (spikes) on the surface becomes highly absorbent to solar radiation (black silicon). The work done during this thesis focused on several points. Initially a comprehensive study has been conducted on different experimental setting allowing the creation of these micro-structure on the surface of silicon. Parallel series of experiments were conducted to help understand the physical mechanism leading to their formation. Subsequently, the surfaces of silicon micro-structured were characterized optically. The results obtained allow to have an absorption of 96% silicon in the UV and visible. Complete solar cells were made in order to electrically characterized perform.

Dans un contexte de fort déploiement du Photovoltaïque (PV), de plus en plus de recherches sont menées pour assurer une certaine fiabilité et prédictibilité de la production provenant du PV. Les investisseurs se plaignent d’un manque de visibilité dans cette filière et hésitent à investir dans le PV (surtout avec les baisses régulières des tarifs de rachats). Il est donc nécessaire pour le développement de la filière PV de faire des efforts pour étudier, comprendre les systèmes PV en fonctionnement et ainsi donner plus de visibilité pour l’amélioration des systèmes, leur monitoring, une plus grande fiabilité et pouvoir prédire plus précisément le productible PV en améliorant les modèles de prédiction du productible PV déjà existants.C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse qui a pour but de caractériser les modules PV en conditions réelles d’utilisation en fonction des différentes technologies. Nous étudions, dans cette thèse, les facteurs extérieurs qui influent sur le comportement des modules de différentes filières, pour tenter de rendre le PV plus fiable et prédictible. C’est donc un axe de recherche qui vient en complément de la caractérisation en laboratoire qui a pour objectif l’amélioration des rendements des cellules.Pour y parvenir il est nécessaire, dans un premier temps, de connaitre les paramètres extérieurs qui influent sur le fonctionnement du module et savoir comment les étudier. Une partie de la thèse est par conséquent consacrée à l'étude des facteurs météorologiques et atmosphériques ayant un impact sur le comportement électrique du module ainsi que la mise en place d'instruments et méthodes pour les mesurer. On présente également les avantages et inconvénients de la caractérisation en extérieur.Après avoir exposé tous les paramètres à prendre en compte, on décrit l'installation de plusieurs plateformes de caractérisation de modules PV entièrement automatisées que l'on a monté au cours de cette thèse au LGEP ainsi qu'à l'École Polytechnique et qui ont toutes un objectif particulier.Ce manuscrit montre par la suite les différentes applications et utilités que peuvent avoir de telles plateformes en analysant les données enregistrées régulièrement (toutes les minutes en moyenne) sur des périodes allant de quelques jours à plusieurs mois. On compare, par la même occasion, les données constructeur prises en conditions standard de test et les performances mesurées dans de nombreuses conditions de modules PV. Les résultats obtenus peuvent servir à la fois pour la recherche, l'aide à la compréhension du comportement des modules, par conséquent aide à la prévision du productible d'installation PV et peuvent avoir un rôle pédagogique dans l'enseignement du PV.Enfin, une dernière partie est dédiée à la description et à la démonstration de faisabilité d'une carte qui permet d'obtenir les caractéristiques principales de n'importe quel module PV en les extrayant de la courbe I(V) mesurée. Cette carte, développée au LGEP, a d'autres utilités telles que la recherche du point de fonctionnement maximale du module (MPPT). / Nowadays, photovoltaic (PV) keeps growing fast and an increasing number of studies is require in order to assure the reliability and predictability of the PV-produced electricity. The lack of visibility concerning this field is a continuous source of complaints from the investors who hesitate to commit to PV projects (especially after the decrease of buying prices in Europe). Therefore, to assure the successful increase of PV energy, it is necessary to provide studies aiming at better understanding PV systems in real operations conditions, that means in outdoor conditions.The goal of this doctoral work has been to characterize different PV module technologies in their real use conditions. The outdoor parameters that influence the behavior of different module technologies have been investigated. The goal was to obtain useful information which could make PV-produced electricity more reliable. Therefore, these studies can efficiently complete standard laboratory characterization tests made under a single condition, the purpose of which is usually to determine the efficiency of the different solar cells technologies.To achieve this goal, first it has been necessary to define the outdoor parameters that mainly influence the modules and the most suitable methods to be used for their investigation. For this reason, part of this doctoral work has been devoted to the study of weather and atmospheric factors affecting the electrical behavior of the modules, as well as setting up instruments and methods to measure them. Additionally, advantages and disadvantages of outdoors characterizations have been addressed.Then, after multiple fully automated PV platforms, mounted at the LGEP and at Ecole Polytechnique, thanks to a collaboration with the Laboratoire de Méteorologie Dynamique (LMD). The different applications and uses of these platforms have been highlighted by analyzing data recorded periodically (every minute on average) over periods ranging from days to several months. Manufacturer data, which are acquired in standard test conditions, and the performance measured in several conditions are compared. These results can be used for both research, understanding the behavior of the modules, help in predicting the energy yield of PV system and also to stress the educational role in teaching PV.Finally, the feasibility of an electric card that provides the main characteristics of any PV module by extracting the measured I(V) curve is described. Such electric card, developed at the LGEP, has other uses such as the determination of the maximum operating point.

Ø / The dissertation is presented on 252 content pages which has been framed in five chapters and two annexures while the title page opens into a list of abbreviations followed by a foreword on the work. The core theme of the research work is to validate the extended photocatalytic properties of porphyrin-POM materials in evolving from UV to visible light range of solar spectrum. Which describing additional modes for synthesis of hybrid materials (i) electrostatic multilayer’s comprising of Dawson , sandwich Dawson type and preyssler,s POM in combination with free base tetracationic porphyrin [H₂TPhN(Me)₃P⁴⁺] (ii) an easy method of synthesis of two dimers with a pyridinium spacer (abbreviated 4-H₂–Zn and 3-H₂–Zn) (iii) Langmuir Schafer approach for hybrid monolayer. The prepared photoactive thin layers have been characterized by UV-visible spectroscopy and fluorescence spectroscopy for optical properties. Cyclic voltammetry for electrochemistry and ionic permeability studies. Atomic force microscopy (AFM) for surface morphology and its role in physical mechanism of reduction process and shape of nanostructures obtained. Transmission electron microscopy (TEM) has been used to interpret size and shape of dendritic silver nanoparticles obtained as photoreduction product. Although ,the ultimate goal is the photoreduction of heavy metals (Cr(VI), Hg(II), Cd(II), Pb(II) ), reduction of a simpler system like Ag⁺ ion has been chosen as a model system due to single electron simpler oxidation reduction process. A novel application of photocurrent generation from these hybrid films has been demonstrated in the fifth chapter of the manuscript as an initial studies which has enhanced the significance of all previously fabricated systems upto by many folds .The foresaid development of photovoltaic application has paved the way for future studies to enhance the photocurrent yield further by tuning the electron donor-acceptor system. Both components porphyrin and POM can be tuned with different axial substituent’s and stereo chemical properties to achieve maximum yield of solar energy as well as diversified metal nanostructure for nanoelectronics, e.g. silver dendrites for sensor applications. At the end of the manuscript, three appendices describe successively the experimental techniques used to carry out this work, the Job method used to determine the stoichiometry and formation constants of complex electrostatic and coordination, and then finally the origin or Protocols for the synthesis of various compounds used.

Tout au long de cette thèse, de nouveaux colorants organométalliques ont été élaborés dont le but est de les utiliser en tant que photosensibilisateurs au sein des cellules solaires DSSC dont la simplicité de mise en œuvre, le faible coût de production et un design attractif en sont les atouts majeurs. Des analogues du black dye ont dans un premier temps été élaborés, une étude approfondie par des calculs DFT a permis une approche plus constructive sur le choix des designs moléculaires. Des aldéhydes dérivés de la biomasse comme la vanilline, le syringaldéhyde ou le 5-hydroxyméthylfurfural ont permis de substitués le ligand terpyridine par différents groupes (hétéro)aromatiques en position 4’ pour moduler les transferts de charges. Dans un second temps, une chaîne hexyloxyméthyle est introduite en position 4’’ pour diminuer les recombinaisons de charges lors du fonctionnement de la cellule solaire et par la même occasion placer la LUMO plus proche des points d’ancrages pour de meilleures injections de charges vers le semi-conducteur. L’utilisation de groupes cyanoacrylates a aussi été envisagé à la place des acides carboxyliques afin d’obtenir des absorptions plus panchromatiques. Des complexes du type [Ru(tpy)2] et [Ru(tpy)(bpy)NCS] ont également été synthétisés et étudiés pour leur stabilités plus accrues au cours du temps au sein de la cellule solaire par rapport aux complexes à ligands NCS. Certains colorants ont été testés en cellules solaires en combinaison du dioxyde de titane comme semi-conducteur et du couple I3-/I- en tant que médiateur rédox. / Throughout this thesis, new organometallic dyes have been developed to use them as photosensitizers in dye-sensitized solar cells (DSSCs), whose simplicity of implementation, low cost production and attractive design are major assets. Black dye analogues were first developed, a thorough study of DFT calculations allowed a more constructive approach to the choice of molecular designs. Biomass-derived aldehydes such as vanillin, syringaldehyde or 5-hydroxymethylfurfural have been used to substitute the terpyridine ligand by different (hetero)aromatic groups in the 4’ position in order to modulate charge transfers. In a second step, a hexyloxymethyl chain was introduced in the 4'' position with the aim of reduce charge recombination during the solar cell operation and in the same time to place the LUMO closer to the anchoring groups for better charge injections to the semiconductor. The use of cyanoacrylate groups was also considered in place of the carboxylic acids in order to obtain more panchromatic absorptions. [Ru(tpy)2] and [Ru(tpy)(bpy)NCS] complexes have also been synthesized and studied for their increased stability over time in the solar cell compared to the NCS ligand complexes. Some dyes have been tested in solar cells in combination of titanium dioxide as the semiconductor and the I3-/I- couple as the redox mediator.

Cette thèse est axée sur la fabrication et l’optimisation d’une nouvelle structure permettant théoriquement d’améliorer les performances des cellules à base de silicium cristallin. Cette nouvelle architecture de cellule utilise la technologie des hétérojonctions de silicium a-Si:H/ c-Si (Si-HJ) appliquée sur des structures à contacts interdigités en face arrière (IBC). Le potentiel de rendement des cellules IBC Si-HJ est supérieur à 25%, mais leur fabrication nécessite une localisation des couches de a-Si:H de dopage différent et de leurs métallisations. L’intégration de ces étapes dans un procédé simplifié utilisant des techniques industrielles (PECVD, pulvérisation, sérigraphie et laser) a été étudiée. De plus, une structure obtenue sans séparation entre le BSF et l’émetteur est présentée, permettant de réduire le nombre d’étapes de fabrication. Les avantages ainsi que les limites liés à cette architecture simplifiée ont été illustrés du point de vue expérimental et par simulation. Dans le cadre de ces travaux, le rendement maximum atteint sur les dispositifs IBC Si-HJ simplifiés de 25cm² est de 19% (substrats de type n), ce qui constitue le 3e meilleur résultat au niveau mondial. Les performances des cellules restent encore limitées par l’absorption des couches de a-Si:H utilisées pour la passivation de la face avant, et par la conductivité des couches dopées en face arrière. De nombreuses pistes d’amélioration sont explorées dans cette étude. Un procédé de métallisation innovant a également été élaboré pour le passage sur des substrats de grande taille (150cm²). Il permet de limiter les pertes résistives tout en offrant de la flexibilité au niveau de la géométrie des contacts. La mise en module de cellules ayant ce design de métallisation a ensuite été étudiée, et un module de 4 cellules IBC Si-HJ a pu être fabriqué. / This thesis studies the fabrication and the optimization of a new structure to enhance the efficiency of crystalline silicon based solar cells. This new cell design uses a-Si:H/c-Si heterojunction (Si-HJ) technology applied on interdigitated back contact structures (IBC). With IBC Si-HJ solar cells, the efficiency potential is theoretically higher than 25%. Their fabrication requires to pattern doped a-Si:H and the associated metallization on the same side. The implementation of those process steps has been carefully studied. All processes used in this study are potentially industrial (PECVD, sputtering, screen-printing, and laser) and the obtained structure without buffer layer between the BSF and the emitter allows to reduce fabrication steps. Issues linked to this design have been investigated. Within the frame of this work, the maximum efficiency reached on reduced size devices (25cm²) with n-type substrate and is 19% which is the 3rd best result worldwide. The cell performances are still limited by the absorption of front surface passivating layer (a-Si:H) and by the low doped layer conductivity. Several optimization ways are explored in this study. An innovative metallization process is then elaborated to allow large area solar cell fabrication while limiting resistive losses and offering more flexibility on metallized pattern. The interconnection and the encapsulation of cells with this metallization design have been illustrated and a module with 4 cells has been fabricated.

L'objectif de ce travail a été de proposer une méthode permettant d'augmenter la résistance à l'oxydation et à la corrosion par Si liquide des creusets de graphite utilisés dans la purification de Si métallurgique pour obtenir Si de qualité photovoltaïque. La Thèse est constituée de deux parties. Dans la première partie, nous étudions les interactions capillaires (mouillage, infiltration, réactivité) Si/graphite, et l'effet de ces interactions sur la pollution de Si et sur l'intégrité mécanique du graphite. Dans la deuxième partie nous mettons au point un traitement de siliciuration du graphite et nous montrons que ce traitement confère au graphite une résistance remarquable à l'oxydation à haute température

Une chaîne de conversion photovoltaïque signifie aujourd'hui un générateur photovoltaïque (GPV) connecté à une charge par l'intermédiaire d'un convertisseur. Selon l'application visée, l'énergie photovoltaïque est soit utilisée telle quelle par la charge, soit stockée ou bien injectée directement au réseau électrique. L'optimisation de la production de cette énergie reste encore du domaine de la recherche et beaucoup d'innovations sont encore nécessaires pour en faire une énergie fiable. De nos jours, les axes de recherche pour augmenter la production de cette énergie sont principalement focalisés sur l'extraction de la puissance maximale, mais très peu de solutions sont proposées pour améliorer l'efficacité énergétique de la chaîne de conversion dans son ensemble. Cette thèse est focalisée sur l'optimisation des performances des étages d'adaptation. Ainsi, des améliorations sont proposées sur les différentes parties constituant la chaîne de conversion. Le haut degré d'intégration et la flexibilité apportés par le domaine digital nous ont poussés vers la numérisation de commandes MPPT élaborées sur le principe de commande extrémale. L'amélioration de l'étage de conversion est illustrée au travers de deux structures, inspirées de méthodes couramment utilisées dans les applications de fortes puissances comme la mise en parallèle de convertisseurs DC-DC fonctionnant en mode interleaving. De nouvelles propriétés, intrinsèques à des structures semigiratrices de puissance, renforcent l'étude. Une nouvelle architecture basée sur la discrétisation de chaque générateur photovoltaïque est ainsi proposée comme pouvant être le meilleur compromis en termes de transfert d'énergie solaire.

Aujourdhui, les énergies renouvelables deviennent progressivement des énergies à part entière qui rivalisent avec des énergies fossiles du point de vue coût et performance de production. Cependant, souvent leurs systèmes de conversion de lénergie en électricité souffre dun manque doptimisation qui en font encore des systèmes trop chers et présentant des déficiences importantes en rendement et en fiabilité. Pour cela, bien quil existe de plus en plus de travaux de recherches prouvant la viabilité de ce type de sources comme par exemple, lénergie photovoltaïque (PV) ou lénergie éolienne, beaucoup de réticentes existent pour installer ces systèmes à grande échelle autant en production de masse que chez des particuliers. A côté des autres laboratoires français, le LAAS-CNRS a choisi dapporter sa contribution sur la partie «Système» de la chaîne de conversion. En effet, du fait de lexistence de problèmes de non-optimisation électrique des systèmes et du manque déquipes de recherche sintéressant à ces axes, les points à résoudre se situaient alors autant sur la partie conversion électrique que thermique du générateur PV. Les premiers travaux entrepris se sont donc focalisés sur loptimisation de la partie conversion électrique. Pour cela, en sappuyant sur la création, le développement et lévolution constante du site de démonstration de 1kW crête PV entièrement instrumenté au sein même du LAAS, différentes architectures de conversion électriques dédiées au PV, ont été développées, notamment en collaboration avec lUniversité Rovira i Virgili de Tarragone (URV) et lUniversité Polytechnique Catalane de Barcelone (UPC). Très rapidement, nous nous sommes aperçus que, même si les systèmes PV faisaient des progrès considérables, ils ne pourraient à eux seuls représenter une source dénergie fiable. En effet, les variations de production étant fortement couplés aux données météorologiques, la production ne pouvait pas forcément être assurée lorsque lutilisation se n faisait sentir. Nous avons donc pensé à coupler les systèmes PV à dautres sources dénergie ainsi à travers des moyens de stockage. La maturité des études sur le photovoltaïque montre, quant à elle, de nouveaux débouchés, notamment sur les systèmes embarqués et les microsystèmes de très faibles puissances. Nous avons donc développé un nouvel axe de recherche depuis 2000 au sein du LAAS-CNRS sur les micro-sources et micro-convertisseurs intégrés dédiés aux microsystèmes. En effet, aujourdhui, les études menées sur loptimisation de convertisseurs statiques dénergie peuvent se généraliser à un certain nombre dapplications vis à vis de leur alimentation. Les objectifs sont de minimiser la taille et le volume tout en limitant les coûts de développement des nouveaux produits et en réduisant notamment les phases de prototypage réel. En effet, quel que soit le type dapplication visée (militaire, spatial, télécommunications, etc&), les nouvelles alimentations doivent être compactes, semi-intégrées ou bien, dans un futur proche, totalement intégrées. Pour cela, elles doivent être modélisables avec une grande précision, en vue doptimiser, dès leur conception, les contraintes de coût, de montée en fréquence et de puissance massique. En résumé, le but, dans les années futures, est datteindre de forts rendements de conversion sur les nouvelles alimentations devant avoir des tailles compatibles avec leurs applications, dans la droite ligne des travaux accomplis.