Les concentrateurs photovoltaïques sont parmi les technologies d'énergies solaires les plus prometteuses. Ils ont une efficacité allant jusqu'à deux fois celle des panneaux photovoltaïques conventionnels. Malgré les avancements en recherche et développement, les concentrateurs photovoltaïques demeurent des systèmes relativement complexes. Cette même complexité laisse place à l'innovation et à la possibilité de réduire considérablement les coûts de fabrication. Dans le cadre de cette thèse, deux sites de tests sont développés et déployés pour faire l'analyse des performances des concentrateurs photovoltaïques plats. Quatre designs de cellules solaires sont caractérisés en laboratoire et incorporés dans les panneaux prototypes pour ensuite être individuellement étudiés. Les quatre designs sont ensuite comparés l'un à l'autre, et selon leurs emplacements, pour comprendre comment le design de la cellule affecte la performance des panneaux.

Dans les nombreuses études actuelles sur le photovoltaïque, on assiste à de grands progrès tant dans le domaine des cellules à haut rendement énergétique, que sur les structures liées à l'exploitation. Afin de tirer parti de toute l'énergie produite, il a paru de tout premier ordre d'orienter les recherches sur les architectures parallèles en bus haute tension. Pour la génération de hautes tensions il est impératif d'utiliser des convertisseurs spécialement adaptés. En effet, si on utilise des convertisseurs classiques on se heurte à la problématique des pertes dans les composants de puissance, et notamment le transistor MOSFET de commutation utilisé pour le découpage. Une première étude a permis de vérifier que les contraintes de tension entraînent pour le transistor des pertes importantes aux tensions élevées. Cette première étude montre que seuls les transistors de faible tension inférieure à 100V ont des caractéristiques intéressantes pour notre application. Une recherche systématique a abouti à l'élaboration d'un convertisseur Boost à couplage magnétique. Grâce au recyclage des énergies parasites, les essais montrent que ce montage est bien adapté à notre application permettant d'obtenir des rendements de plus de 90%. Parmi les différentes stratégies d'extraction de puissance, le MPPT à incrément de conductance a été choisi pour ses qualités de précision et de facilité de mise en œuvre. Chaque panneau équipé d'un convertisseur envoie la puissance recueillie sur le bus haute tension, lui même relié à un onduleur de type SMA / In various studies on photovoltaic, major progresses have been observed, both concerning the cells and also in the field of their use. In order to take advantage of the energy it has been paramount to focus on parallel High Voltage bus. This High Voltage generation requires dedicated converters. In fact, using classical converters implicates important losses in the MOSFET used for switching. In a prior study we could ascertain important losses on transistors when submitted to high voltages as we assumed. It was shown then that only the transistors supporting a voltage less than 100V can be used for our application. A systematic investigation led to the Magnetically Coupled Boost converters. Thanks to the recycling of parasitic losses, our tests show an efficiency superior than 90%. Among the different power extraction strategies, the incremental conductance MPPT was used because of its top of the arts performances and convenience. Every DC/DC implemented panel converter supplies the HVDC bus which, itself, is connected to the SMA inverter

Dans le domaine du photovoltaïque, les cellules hybrides organiques sont une des voies les plus prometteuses, notamment grâce aux propriétés de collection de lumière des molécules de type chromophore. Les nanotubes de carbone, quant à eux, sont des nano-objets quasi unidimensionnels qui présentent des propriétés de transport exceptionnelles. La réalisation d’un couplage important entre une molécule collectrice de lumière et un nanotube de carbone représente donc une voie importante à explorer. Ce travail de recherche est consacré à l’étude du transfert d’énergie dans les composés nanotubes de carbone/chromophore. Une nouvelle méthode de fonctionnalisation non covalente des nanotubes de carbone est présentée. Basée sur une suspension micellaire de nanotubes, cette méthode permet d’obtenir un fort taux de fonctionnalisation tout en préservant les propriétés intrinsèques des nanotubes. Le transfert d’énergie est mis en évidence sur les composés nanotube/porphyrine par des mesures d’excitation de la photoluminescence sur ensemble de nanotubes ainsi que sur objets uniques. L’évaluation du rendement quantique de transfert par trois méthodes indépendantes montre un couplage de l’ordre de 100% entre la molécule et le nanotube- et ce malgré la faiblesse des interactions entre orbitales «Pi» mises en jeu dans la fonctionnalisation non covalente. Le dernier volet de ce travail est consacré à des mesures d’anisotropie à l’échelle de l’objet unique permettant d’obtenir des informations quant à l’arrangement des molécules à la surface des nanotubes. / In the field of photovoltaic, hybrid organic solar cells are one of the most promising ways, especially due to the light collection properties of chromophore molecules. On the other hand, carbon nanotubes are quasi one-dimensional nano-objects showing exceptional transport properties. The achievement of a significant coupling between a light harvesting molecule and a carbon nanotube is an important route to explore. This research is dedicated to the study of energy transfer in carbon nanotube/chromophore compounds. A new method of non-covalent functionalization of carbon nanotubes is presented. Based on a micellar suspension of nanotubes, this method provides a high degree of functionalization while preserving the intrinsic properties of nanotubes. The energy transfer is shown in nanotube/porphyrin compounds by photoluminescence excitation spectroscopy on ensembles as well as at the single molecule scale. The evaluation of the quantum efficiency of the transfer by three independent methods shows a coupling of the order of 100% between the molecule and the nanotube, despite the weak interactions between “Pi” orbitals involved in the non-covalent functionalization. The final part of this work is dedicated to anisotropy measurements on single compounds to gain information on molecular arrangement on the surface of nanotubes.

Cette thèse se focalise sur les propriétés passivantes octroyées par des couches minces d’Al2O3 déposées par Atomic Layer Deposition (ALD) à partir de TMA et H2O pour les cellules photovoltaïques en silicium ayant des températures de fabrication inférieures à 400 °C. La première partie de ce travail de doctorat vise à identifier les mécanismes de formation des charges électrostatiques négatives présentes dans l’oxyde d’aluminium. Pour ce faire, les effets de l’illumination post-dépôt (à savoir le flux et l’énergie des photons), ainsi que la température du substrat ont été étudiés. Il a été constaté qu’au moins 70 % de ce qu’on appelle généralement les « charges fixes » sont en fait des charges piégées résultant de l’injection d’électrons du substrat de silicium dans l’oxyde d’aluminium. Par la suite, nous avons étudié l’influence des paramètres de dépôt de l’Al2O3 ainsi que l’impact des traitements post-dépôt sur le piégeage des charges et donc sur les performances passivantes qui en résulte au sein d’un empilement Al2O3/a-SiNX:H déposé sur du silicium cristallin de type p. Les liens entre l’épaisseur de l’Al2O3, la qualité et la durabilité de la passivation ont pu être établis. Le meilleur compromis s’est avéré être aux alentours 60 cycles ALD (~ 6 nm), permettant une durée de vie des porteurs de charges minoritaires allant jusqu’à 4500 μs. La deuxième partie de ce travail doctoral porte sur les mécanismes de dégradation de la passivation. La formation de cloques à l’interface c-Si/Al2O3 est le premier mécanisme de dégradation étudié. Grâce à la microscopie acoustique colorée, la dégradation de l’interface Al2O3/c-Si lors de l’épaississement de l’Al2O3 a été confirmée, mais également lors la réduction de sa température de dépôt, c’est-à-dire en augmentant sa teneur en hydrogène. Une dérive thermique pendant l’ALD (TD-ALD) a été utilisée pour résoudre ce problème de cloquage. L’augmentation continue de la température du substrat pendant le dépôt favorise la libération de l’hydrogène à partir de l’interface c-Si/Al2O3. Pour 60 cycles ALD, le TD-ALD a permis d’augmenter la durée de vie des porteurs de charges jusqu’à 5500 μs. Enfin, l’affaiblissement de la passivation par effet de champ résultant des charges positives dans la couche de protection a-SiNX:H a été mis en évidence par simulation numérique. Les propriétés du a-SiNX:H ont été expérimentalement optimisée grâce à une approche par plan d’expérience. Une nouvelle couche mince d’a-SiNX: H contenant 50 % de charges fixes positives en moins a permis d’obtenir une durée de vie des porteurs de charges de 8800 μs pour 60 cycles de TD-ALD, c’est-à-dire une vitesse de recombinaison de surface exceptionnelle basse de 0,8 cm.s-1. / This thesis focuses on the passivation properties provided by thin Al2O3 films grown by atomic layer deposition (ALD) from TMA and H2O for silicon solar cells having process temperatures lower than 400 °C. The first part of this doctoral work aims at identifying the formation mechanisms of negative electrostatic charges in aluminium oxide. Thus, the effects of post-deposition illumination (namely photon flux and photon energy), as well as substrate temperature were investigated. It was found that at least 70 % of what are generally named “fixed charges” are in fact trapped charges resulting from the injection of carriers from the silicon substrate into the aluminium oxide. From this result, we studied the influence of Al2O3 deposition parameters and post-deposition treatments on charge trapping and resulting passivation performances within an Al2O3/a-SiNX:H stack on p-type c-Si. The dependence of passivation performance (and stability) on Al2O3 thickness has been highlighted. Best compromise has been found to be around 60 ALD cycles (~6 nm), providing a lifetime up to 4500 µs. The second part of this PhD deals with the degradation mechanisms of passivation. Blistering at the c-Si/Al2O3 interface is the first studied degradation mechanism. Thanks to coloured picosecond acoustic microscopy, the Al2O3/c-Si adhesion has been confirmed to be reduced by Al2O3 thickening but also by the reduction of its deposition temperature, i.e. an increase of hydrogen content. A thermal drift during ALD (TD-ALD) has been used to solve this blistering issue. Gradual increase of the substrate temperature during the growth favours the release of hydrogen from the wafer/Al2O3 interface. For 60 ALD cycles, TD-ALD increased the lifetime up 5500 µs. Finally, the weakening of the electrostatic passivation arising from the positive charges in a-SiNX:H capping layer has been underlined by finite element simulations. The a-SiNX:H properties have been experimentally tuned thanks to a design of experiment approach. New a-SiNX:H capping containing 50 % less positive fixed charges resulted in a lifetime of 8800 µs for 60 TD-ALD cycles, i.e. an outstanding surface recombination velocity of 0.8 cm.s-1.

Le sujet de cette thèse porte sur l’élaboration du nouveau nanomatériau par la gravure électrochimique bipolaire (BEE) — le Ge mésoporeux et sur l’analyse de ses propriétés physico-chimiques en vue de son utilisation dans des applications photovoltaïques. La formation du Ge mésoporeux par gravure électrochimique a été précédemment rapportée dans la littérature. Cependant, le verrou technologique important des procédés de fabrication existants consistait à obtenir des couches épaisses (supérieure à 500 nm) du Ge mésoporeux à la morphologie parfaitement contrôlée. En effet, la caractérisation physico-chimique des couches minces est beaucoup plus compliquée et le nombre de leurs applications possibles est fortement limité. Nous avons développé un modèle électrochimique qui décrit les mécanismes principaux de formation des pores ce qui nous a permis de réaliser des structures épaisses du Ge mésoporeux (jusqu’au 10 um) ayant la porosité ajustable dans une large gamme de 15% à 60%. En plus, la formation des nanostructures poreuses aux morphologies variables et bien contrôlées est désormais devenue possible. Enfin, la maitrise de tous ces paramètres a ouvert la voie extrêmement prometteuse vers la réalisation des structures poreuses à multi-couches à base de Ge pour des nombreuses applications innovantes et multidisciplinaires grâce à la flexibilité technologique actuelle atteinte. En particulier, dans le cadre de cette thèse, les couches du Ge mesoporeux ont été optimisées dans le but de réaliser le procédé de transfert de couches minces d’une cellule solaire à triple jonctions via une couche sacrificielle en Ge poreux. / The subject of this thesis is the development of the new nanomaterial by bipolar electrochemical etching (BEE) - the mesoporous Ge and analysis of its physico-chemical properties for use in photovoltaic applications. The formation of mesoporous Ge by electrochemical etching has been previously reported in the literature. However, the important technological barrier of existing manufacturing processes was to obtain thick layers (above 500 nm) of the mesoporous Ge with perfectly controlled morphology. Indeed, the physico-chemical characterization of thin layers is much more complicated and the number of possible applications is very limited. We have developed an electrochemical model that describes the main mechanisms of formation of pores which allowed us to produce thick mesoporous structures of Ge (up to 10 um) with adjustable porosity in a range of 15% to 60% . In addition, the formation of porous nanostructures with well-controlled variable morphologies has now become possible. Finally, the mastery of these parametres has opened the extremely promising path towards the realization of porous multilayer structures based on Ge for many innovative and multidisciplinary applications. In particular, in the context of this thesis, the mesoporous layers of Ge were optimized for the purpose of performing a layer transfer process of a triple-junction solar cell via a sacrificial layer of porous Ge.

Le rendement de conversion photoélectrique des cellules photovoltaïques organiques est encore trop faible pour envisager leur production à l'échelle industrielle. La solution proposée dans le cadre de ce travail est l'amélioration du rendement d'absorption des photons dans les couches photoactives. La première partie de ce travail à concerné le développement d'un logiciel de modélisation et d'optimisation des cellules photovoltaïques organiques. Basé sur le calcul de la répartition du champ électromagnétique dans l'épaisseur de la cellule, cet outil permet d'optimiser l'ensemble des épaisseurs des couches d'une cellule classique (bicouche ou mélange) ou des cellules plus complexes (cellules tandem).<br />Puis nous avons relié les propriétés optiques des cellules organiques à leurs propriétés électriques en calculant les densités de courant de court circuit. La validation de nos modélisations a ensuite été réalisée par comparaison avec les résultats expérimentaux sur des cellules composées d'hétérojonctions bicouches ou de volume et pour différents couples donneur-accepteur (P3HT:PCBM, CuPc/C60 ou pentacène:pérylène). Dans la dernière partie de ce travail nous avons abordé l'étude de l'exaltation locale du champ électromagnétique via des effets de plasmons de surface. Pour cela, nous avons modélisé, réalisé et caractérisé des empilements de couches organiques, contenant des nanoparticules métalliques (or et argent), dans le but d'exalter localement le champ électromagnétique.

Dans le domaine du photovoltaïque organique, il y a un effort continu pour améliorer l'efficacité des dispositifs. Afin d'atteindre cet objectif, il est nécessaire d'évaluer les caractéristiques qui influencent leur performance. Bien que les films minces de polymères conjugués (dérivés de polythiophène et polymères à faible bande interdite) aient été largementétudiés pour des applications dans des cellules photovoltaïques, peu d'études concernent l'influence de la nanostructuration des films dans de tels dispositifs. Dans ce contexte, l'objectif général de ce travail était d'analyser l'influence de la technique de dépôt de couches minces de dérivés de polythiophène dans des dispositifs photovoltaïques organiques. Le technique de dépôt de Langmuir-Schaefer (LS) a été comparée à celle de spin-coating, plus fréquente. Les films de polythiophène ont été caractérisés par des mesures de transport électrique (courant-tension, photoconductivité, voltampérométrie cyclique et spectroscopied'impédance), spectroscopies optique (UV-visible et fluorescence) et des techniquesmorphologiques (à force atomique et techniques de microscopie à angle de Brewster, etprofilométrie). A partir des mesures électriques à courant continu, il peut être observé que lesfilms LS sont plus conducteurs que ceux obtenus par spin-coating. D’un point de vuemorphologique, il s’avère que la technique de dépôt influence la performance du dispositifphotovoltaïque, en raison de l'organisation et de la nanostructuration fournies par la techniquede la LS. Une étude préliminaire a également été réalisée sur des films de polymères à faiblebande interdite à base de cyclopentadithiophène, réalisés par la technique de Langmuir-Blodgett. / In the area of organic photovoltaics, there is a continuous effort to improve the efficiency of the devices. In order to reach this goal, it is necessary to evaluate the characteristics that influence their performance. Although thin films of conjugated polymers (polythiophene derivatives and low bandgap polymers) have been widely investigated for applications in photovoltaic devices, few studies relate the influence of the nanostructuring of the films in such devices. In this context, the general objective of this work was to analyze the influence of deposition technique of thin films of polythiophene derivatives in organic photovoltaic devices. The Langmuir-Schaefer (LS) technique was compared to the more common spin-coating. The polythiophene films were characterized by electrical transport measurements (current vs. voltage, photoconductivity, cyclic voltammetry and impedance spectroscopy), optical spectroscopy (UV-visible and fluorescence) and morphologicaltechniques (atomic force and Brewster angle microscopies, and perfilometry). From the direct current electrical measurements, it could be observed that the LS films are more conducting than the spin-coating ones. From the morphologic point of view, the deposition technique revealed itself to influence on the photovoltaic device’s performance, due to the organization and nanostructuring provided by the LS technique. Preliminary studies were also undertaken on thin films made of low bandgap polymers based on cyclopentadithiophene by using the Langmuir-Blodgett technique. / Na área de fotovoltaicos orgânicos há um esforço contínuo no aumento da eficiência dos dispositivos. Para alcançar esse objetivo, é necessária a avaliação das características que influenciam seu desempenho. Embora filmes finos de polímeros conjugados (derivados do politiofeno e polímeros de baixo bandgap) tenham sido amplamente estudados para aplicação em dispositivos fotovoltaicos, são encontrados poucos estudos investigando a influência da nanoestruturação dos filmes nestes dispositivos. Dentro deste contexto, o objetivo geral deste trabalho foi analisar a influencia da técnica de deposição de filmes finos de derivados do politiofeno em um dispositivo fotovoltaico orgânico. Para isto utilizamos a técnica de Langmuir-Schaefer (LS) em comparação à técnica spin-coating comumente utilizada. Os filmes de politiofeno foram caracterizados por medidas de transporte elétrico (corrente vs. tensão, fotocondutividade, voltametria cíclica e espectroscopia de impedância), espectroscopia óptica (UV-visível e fluorescência) e técnicas morfológicas (microscopias de força atômica e de ângulo de Brewster, e perfilometria). Através das medidas elétricas em corrente contínua observou-se que os filmes LS apresentam maior condutividade elétrica quando comparados com filmes spin-coating. Do ponto de vista morfológico, a técnica de deposição utilizada mostrou ter influencia no desempenho do dispositivo fotovoltaico, devido à organização e nanoestruturação provida pela técnica LS. Estudos preliminares foram também realizados em filmes finos de polímeros de baixo bandgap baseados em ciclopentaditiofeno usando a técnica de Langmuir-Blodgett.

L'énergie solaire est une source d'énergie renouvenable, peu polluante, disponible universellement et abondante. Elle est donc une solution de choix pour résoudre les problèmes énergétiques et environnementaux de l'humanité. Cependant, les panneaux solaires couramment utilisés pour transformer l'énergie solaire en électricité sont encore trop dispendieux pour une utilisation répandue. L'utilisation de lumière concentrée se veut une méthode de réduire les coûts de l'électricité produite, mais cette réduction n'est pas encore atteinte. Ce projet propose d'explorer des matériaux et des structures semiconductrices fabriqués par épitaxie par jets chimiques qui pourraient être utilisés dans des cellules solaires optimisées pour la très haute concentration. En premier lieu, plusieurs designs de cellules solaires sont simulés avec une approche multiphysique pour identifier des structures permettant de minimiser les coûts de l'électricité à travers une maximisation du facteur de concentration. Basé sur ces structures de cellules solaires, plusieurs designs de jonctions tunnels sont simulés et une jonction tunnel standard (GaAs:Te/AlGaAs:C) est choisie. Le GaAs dopé au Te présente un problème de morphologie de surface à haut dopage. Ce problème est étudié et éliminé à travers l'optimisation des conditions de croissance. Dans le cas de l'AlGaAs dopé au C, le niveau de dopage est maximisé à travers l'utilisation d'un précurseur chimique qui n'est pas utilisé en CBE, le TMA. Suite à l'optimisation de ces deux matériaux, des jonctions tunnels avec d'excellentes performances sont crûes. Par la suite, une tentative de croissance de jonction tunnel GaInP/AlGaAs avec des boîtes quantiques en InAs permet d'améliorer le courant tunnel par rapport à une jonction tunnel sans boîtes, mais sans atteindre des performances satisfaisantes pour l'inclusion dans une cellule solaire. Ensuite, un matériau alternatif pouvant servir de jonction p-n dans les structures de cellules solaires, le GaInAsP, est caractérisé par photoluminescence pour explorer l'effet des paramètres de croissance sur la séparation de phase et l'influence de cette séparation sur les propriétés du matériau. On en découvre qu'une forte séparation de phase induit la présence d'états localisés sous le bandgap qui affecterait les performances d'une cellule solaire. Ensuite, il est démontré que le dopage de type n idéal est le Te alors que celui de type p est au Zn. Cependant, les temps de vie obtenus pour le GaInAsP dopé n ou p sont très bas et donneraient de mauvaises performances de cellules solaires. Ces temps de vie sont néamoins meilleurs que ceux obtenus pour l'AlGaAs, l'alternative au GaInAsP.

Le sujet de cette thèse porte sur l'élaboration du nouveau nanomatériau par la gravure électrochimique bipolaire (BEE) -- le Ge mésoporeux et sur l'analyse de ses propriétés physico-chimiques en vue de son utilisation dans des applications photovoltaïques. La formation du Ge mésoporeux par gravure électrochimique a été précédemment rapportée dans la littérature. Cependant, le verrou technologique important des procédés de fabrication existants consistait à obtenir des couches épaisses (supérieure à 500 nm ) du Ge mésoporeux à la morphologie parfaitement contrôlée. En effet, la caractérisation physico-chimique des couches minces est beaucoup plus compliquée et le nombre de leurs applications possibles est fortement limité. Nous avons développé un modèle électrochimique qui décrit les mécanismes principaux de formation des pores ce qui nous a permis de réaliser des structures épaisses du Ge mésoporeux (jusqu'au 10 ?m ) ayant la porosité ajustable dans une large gamme de 15% à 60%. En plus, la formation des nanostructures poreuses aux morphologies variables et bien contrôlées est désormais devenue possible. Enfin, la maîtrise de tous ces paramètres a ouvert la voie extrêmement prometteuse vers la réalisation des structures poreuses à multi-couches à base de Ge pour des nombreuses applications innovantes et multidisciplinaires grâce à la flexibilité technologique actuelle atteinte. En particulier, dans le cadre de cette thèse, les couches du Ge mesoporeux ont été optimisées dans le but de réaliser le procédé de transfert de couches minces d'une cellule solaire à triple jonctions via une couche sacrificielle en Ge poreux.

Un système électrique isolé du réseau, uniquement alimenté par un générateur photovoltaïque nécessite un stockage d'énergie pour être autonome. La batterie au plomb est couramment utilisée à cet effet, en raison de son faible coût, malgré certaines contraintes de fonctionnement. On peut la remplacer par une unité de stockage (USEH) incluant un électrolyseur, une pile à combustible et un réservoir d'hydrogène. Mais il reste d'importants efforts à fournir avant de voir l'essor industriel de cette technologie dont les débouchés doivent être identifiés. Les applications stationnaires de quelques kW sont évaluées par simulation numérique. Un simulateur est développé dans l'environnement Matlab/Simulink, comprenant principalement: le champ photovoltaïque et le système de stockage (batteries au plomb, USEH, ou stockage hybride USEH/batteries). La taille des composants est calculée pour satisfaire l'autonomie du système sur une année de fonctionnement. Il est testé pour 160 profils de charge (1kW en moyenne annuelle) et trois situations géographiques (Algérie, France et Norvège). Deux coefficients sont mis en place pour traduire la corrélation entre la consommation de l'usager et la disponibilité de la ressource renouvelable, à l'échelle journalière et saisonnière. Parmi les cas testés, le coefficient de corrélation saisonnier montre une valeur limite permettant de préconiser le stockage le plus adapté au cas étudié. L'emploi de l'USEH au lieu de batteries au plomb peut conduire à accroître le rendement du système, à réduire la taille du champ photovoltaïque et à optimiser l'exploitation de la ressource renouvelable. Dans tous les cas testés, l'hybridation de l'USEH avec des batteries permet d'améliorer le dimensionnement et les performances du système, avec un gain sur le rendement de 10 à 40 % selon le lieu testé. La confrontation des résultats de simulation à des données de systèmes réels a permis de valider les modèles utilisés.