L'autonomie énergétique des systèmes embarqués est un frein majeur au développement de l'intelligence ambiante et de l'internet des objets. Cette thèse présente un système générique de gestion de micro-puissance capable d'alimenter un nœud de réseau de capteurs autonomes et communicant sans fil (WSN). L'architecture proposée est basée sur un convertisseur DC/DC abaisseur simple inductance multi-entrées multi-sorties (SI MIMO) associé à un circuit de recherche du point de puissance maximal (MPPT) très basse consommation. Nous montrons dans ce travail que cette famille de convertisseurs permet d'hybrider efficacement plusieurs sources et plusieurs éléments de stockage pour fournir les tensions régulées nécessaires à l'alimentation électrique d'un nœud de WSN. Pour ce faire, et dans le cadre du projet PCB², nous avons réalisé un convertisseur SI MIMO à base de composants discrets ultra basse consommation sur carte PCB. Ce convertisseur interface un récupérateur piézoélectrique, une cellule photovoltaïque et une batterie fine au LIPON (Lithium Phosphorous Oxynitride) enterrée dans le circuit imprimé, pour alimenter un capteur de température enregistreur. Le développement de modèles pour chacun de ces dispositifs et leur implémentation dans un environnement de simulation système en VHDL-AMS a permis, dans un premier temps, de valider le concept présenté, puis, a guidé le travail de conception et d'optimisation du circuit du démonstrateur. Le rendement ainsi obtenu avoisine 55% dans les conditions normales d'utilisation et tend vers 70% lorsque le niveau de puissance qui transite dans le convertisseur dépasse 500 µW. / Energy supply of embedded systems is limiting the development of the internet of things and more generally of the ambient intelligence paradigm. This thesis presents a generic micro-power management system able supply a wireless sensor node. The proposed architecture is based on a Single Inductor Multi Inputs Multi Outputs (SI MIMO) DC/DC converter coupled to an ultra low power Maximum Power Point Tracking circuit. In this work, we show that this family of converter allows to efficiently hybridizing several power sources with power storage elements in order to provide different DC regulated voltages that can supply a sensor node. In this end, and in the framework of the PCB² project, we realized a SI MIMO converter made of discrete components on a printed circuit board. This converter interfaces a piezoelectric generator, a photovoltaic cell, and a thin-film LIPON Lithium Phosphorous Oxynitride) battery buried in the PCB, in order to power a temperature data-logger. The concept validation and the design of the demonstrator have been done thanks to devices modeling and system simulations in a VHD-AMS environment. The efficiency of the circuit is about 55% in standard usage conditions and reaches 70% when the power passing through the converter exceeds 500µW.

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

Cette thèse a pour but d'étudier le transport de charges pho- togénérées dans des matériaux hybrides composés de polymères π-conjugués et de nanocristaux de semi- conducteurs, conçus pour des applications en opto-électronique. La synthèse chimique permet d'obtenir des nanocristaux de CdSe à l'échelle du gramme ayant une faible polydispersité et des formes contrôlées (sphériques, branchées). Les ligands de surface des nanocristaux de CdSe sont échangés par de petites molécules (pyridine, éthanedithiol, phénylènediamine, butylamine, benzènedithiol) afin d'augmenter leur conductivité. L'échange de ligands modifie les niveaux énergétiques des nanocristaux, comme le montrent des études optiques et électrochimiques. Le poly(3-hexylthiophène) déposé sous forme de couches minces présente différents degrés de couplage intermoléculaire et de désordre énergétique selon la méthode de dépôt et le solvant utilisé. Dans les films hybrides, des mesures de diffraction de rayons X en incidence rasante montrent que la structuration cristalline de la matrice organique est modifiée par la présence des nanocristaux. Les mesures de Temps-de-Vol dans les couches hybrides montrent que les mobilités des trous et des électrons varient avec le contenu en nanocristaux, ainsi qu'avec leur forme et leurs ligands. De faibles fractions de nanocristaux provoquent une amélioration de la mobilité des trous, tandis que de plus grandes fractions la détériorent. Les mobilités électroniques sont soumises à une fraction-seuil, as- similable à un seuil de percolation. La fraction optimale de nanocristaux, du point de vue des mobilités des trous et des électrons, est de 36% en volume pour les nanocristaux sphériques avec les ligands de synthèse. Enfin, les simulations Monte-Carlo des courants transitoires photo-générés, dans un échantillon de poly(3-hexylthiophène) et dans un hybride, montrent d'une part que la distribution énergétique du poly(3-hexylthiophène) domine l'allure des courants simulés et d'autre part que les nanocristaux peuvent être assimilés à des sites difficilement accessibles du réseau cubique. / The aim of this work is the study of photogenerated charge transport in hybrid films composed of π-conjugated polymers and of semiconductor nanocrystals, designed for applications in optoelectronics. Chemical synthesis provides gram-scale samples of CdSe nanocrystals, of low polydispersity and con- trolled shapes (spherical, branched). In order to enhance their conductivity, the surface ligands of CdSe nanocrystals (stearic acid, oleylamine) are exchanged by smaller molecules, namely pyridine, ethanedithiol, phenylenediamine, butylamine and benzenedithiol. Optical and electrochemical studies show that the lig- and exchange modifies the nanocrystals' energy levels. Poly(3-hexylthiophene) thin films exhibit varying degrees of energetical disorder and of intermolecular coupling, depending on the processing method and on the solvent used. In hybrid films, the crystallinity of P3HT, probed by grazing incidence X-ray diffraction, is modified by the presence of nanocrystals. Time-of-Flight measurements of hybrid films show that elec- tron and hole mobilities vary with the content of nanocrystals, with their shape, and with their ligands. Small volume fractions of nanocrystals enhance the hole mobility, and large fractions degrade it. Electron mobilities are percolation-limited: they reach a stable value for a threshold fraction of nanocrystals. The optimal fraction of nanocrystals for electron and hole mobilities is 36 vol% in hybrids made of spherical nanocrystals with their synthesis synthesis ligands. Finally, Monte Carlo simulations of photogenerated current transients in pristine poly(3-hexylthiophene) and in a hybrid sample show on one hand that the energy distribution of poly(3-hexylthiophene) rules the shape of the simulated transients, and on the other hand that nanocrystals can be described as little accessible sites of the hopping lattice.

La mise en forme de matériaux fonctionnels et leur texturation contrôlée à toutes les échelles sont des conditions sine qua non pour l’amélioration des systèmes existants. Ce projet de thèse consiste en la création de structures solides complexes en utilisant des méthodes interdisciplinaires telles que la chimie sol-gel et la physique des fluides complexes. Ainsi, il est possible d’obtenir des fibres ou des films de dioxyde de Titane poreux présentant des pores de différentes tailles organisés hiérarchiquement. Cette organisation texturale optimise le transport de matière (gaz / liquides) pour des applications telles que la dépollution d’air (photocatalyse) ou les cellules solaires à colorant. Par ailleurs, nous avons contrôlé l’alignement de nano-bâtonnets d’oxyde de Zinc au sein d’une fibre macroscopique générant ainsi des propriétés collectives d’émission de lumière (photoluminescence)anisotrope, spécificité d’utilité pour l’électronique à permutation. Enfin, nous avons synthétisé des nano objets anisotropiques et des nano-lamelles de polypyrrole afin de générer des films minces lisses avec des propriétés électriques permettant leur utilisation comme électrode ou électrolyte solide dans des cellules solaires à colorant. / The shaping of functional materials and the control of their texture at all length scales are sine qua non conditions for the improvement of current systems. This PhD project consists in creating complex solid architectures using interdisciplinary methods such as sol-gel chemistry or complex fluids physics. Therefore, it is possible to synthesize Titanium Dioxide macroscopic fibers orfilms which possess a hierarchical porosity. This organization allows the optimization of the matter transport (liquid/gaz) for air depollution application (photocatalysis) or dye-sensitizedsolar cells. In another project, we were able to control the alignment of zinc oxide nanorods within a macroscopic fiber. This alignment provides to the fiber an anisotropic photoluminescence behavior which can be useful for switching devices application. Finally, we synthesized anisotropic particles and nano-sheets of polypyrrole (conducting polymer) in order to obtain smooth thin films presenting interesting electrical properties. The objective was to use them as electrolyte and/or electrode in dye-sensitized solar cells.

Ce travail a pour but de comprendre l’effet de la compensation du dopage sur les performances des cellules photovoltaïques à base de silicium de qualité solaire purifié par voie métallurgique. Après avoir développé la physique des matériaux compensés, l’influence de la compensation a été étudiée à l’échelle de la plaquette. Nous avons mis en évidence une forte réduction non prédite de la mobilité des porteurs. Au contraire, la compensation du dopage s’est avérée bénéfique à la durée de vie volumique. Nous avons précisé les propriétés recombinantes des dopants. L’étude a été transposée à l’échelle de la cellule. Des rendements de 16% ont été obtenus sur des cellules fortement dopées et compensées. La présence de nombreuses associations entre impuretés dopantes et défauts nous a conduits à l’élaboration d’un algorithme permettant de simuler la cinétique de ce type d’association. Enfin, deux techniques innovantes de mesure des teneurs en dopants et en oxygène interstitiel ont été présentées. / This study aims at understanding the influence of the dopant compensation on the performances of solar cells based on solar-grade silicon purified via metallurgical routes. We first detailed the physics of compensated semiconductors. The compensation effects were then studied at the wafer level. We found a sharp unpredicted reduction in carrier mobility at high compensation level. Conversely, the dopant compensation was shown to be very beneficial to the carrier lifetime. We specified the recombination properties of dopants. We then focused on the compensation effects at the solar cell level. We obtained conversion efficiencies of 16% on highly doped and compensated solar cells, revealing the photovoltaic potential of solar-grade silicon. Since numerous association reactions occur between dopants and defects, we built an algorithm in order to simulate the association kinetics of such reactions. Eventually, we presented two innovative characterisation techniques that allow the concentrations of dopants and light elements to be measured.

Les performances électriques des cellules photovoltaïques à base de silicium sont fortement dégradées lorsque leur température augmente. Cette problématique, pourtant bien connue, n’est pas suffisamment prise en considération dans l’industrie du photovoltaïque. Pour parer à cette dégradation, deux voies d’améliorations peuvent être explorées : diminuer la température de fonctionnement des cellules ou réduire leurs coefficients de dégradation en température. Cette étude est d’autant plus importante pour les applications sous concentrations, un éclairement élevé favorisant l’échauffement des cellules. Pour les facteurs de concentration élevés, l’utilisation de systèmes de refroidissement actifs réduit drastiquement la température de fonctionnement. Pour les faibles éclairements, le refroidissement passif est préféré, bien moins coûteux en énergie. Ce travail de thèse est focalisé sur l’étude du comportement thermo-électrique des cellules sous faible concentration du rayonnement incident. Un banc de caractérisation innovant développé dans cette thèse a rendu possible la quantification des variations de la température de la cellule avec la tension de polarisation sous différents facteurs de concentration. Avec l’augmentation de la polarisation, une évolution du facteur d’émission thermique est observée du fait des variations de la concentration de porteurs de charge minoritaires. Le refroidissement radiatif est minimal au courant de court-circuit et est maximal à la tension de circuit ouvert : la température atteinte au point de court-circuit est supérieure à celle atteinte en circuit ouvert. Pour une cellule donnée, sous un éclairement de 3 soleils, un écart de température de 6.2 °C a pu être mesuré entre ces deux points. La fabrication de cellules avec des propriétés différentes nous a permis de confirmer l’importance du dopage de la base et de l’architecture sur l’augmentation du refroidissement radiatif avec la polarisation. De plus, la comparaison du comportement thermo-électrique des cellules de type de dopages différents a mis en avant de plus faibles coefficients de dégradation en température de la tension en circuit ouvert pour les cellules ayant un substrat de type n. Par exemple, pour une température de et sous un éclairement de 1 soleil, un coefficient de dégradation en température du Voc de −0.45% %·°C-1 a été mesuré sur une cellule de type n contre −0.49%·°C-1 pour une cellule de type p. / The electrical performances of silicon based solar cells strongly degrade when increasing their temperature. However, such a well-known issue is too scarcely considered in the phovoltaic industry. To prevent the degradation of silicon based solar cells, two ways of improvement can be explored : one can either decrease the cells’ functionning temperature or either reduce the temperature degradation coefficient. As light intensity tends to favor cell heating, the study is even more important under concentrated sunlight. Regarding high light intensities, active cooling systems can be used to drastically reduce the cell temperature. For low light intensities, passive cooling systems, such as radiative cooling, are more energetically savy. The thesis aims at studying the electro-thermal behavior of cells under low light intensities. An innovative experimental set-up has been developped during this thesis to quantify the variation of the cell temperature with the applied bias voltage. When increasing the bias, an evolution of the cell emissivity is observed because of a variation of the minorities carrier concentration. The radiative cooling is at its lowest at the short circuit current and peaks its highest value at the open circuit voltage : as a result, the reached temperature is higher at the short circuit current than at the open circuit voltage. For a given solar cell, under 3 suns, a temperature shift of 6.2 °C was measured between these two points. The control of the fabrication process gives the opportunity to analyse the influence of the base doping and cell architecture on the evolution of the radiative cooling with the applied bias. Furthermore, the comparison between the electro-thermal behaviors of solar cells, which are related to their type of doping, has shown a lower thermal degradation coefficient of the open circuit voltage for n-type based dope solar cells. For example, at 60°C and under 1 sun, we measured a thermal degradation coefficient BVoc = −0.45% %·°C-1 for a n type solar cell whereas the p type solar cell recorded BVoc = −0.49% %·°C-1.

Cette thèse a pour cadre la production d'électricité photovoltaïque et éolienne couplée au réseau et disposant d'un stockage à petite échelle (habitat individuel ou collectivité locale). Les principaux intérêts d'un tel système sont la production propre sur le lieu de consommation, la mutualisation des ressources, et la sécurité d'approvisionnement. Dans une première partie, des modèles énergétiques sont mis au point et comparés avec succès à la réalité grâce à un dispositif expérimental complètement instrumenté. Nous obtenons alors une modélisation à la fois suffisamment précise pour rendre compte des transferts énergétiques et suffisamment rapide pour permettre une optimisation du dimensionnement et de la gestion d'énergie. Nous établissons ensuite des modèles économiques complets des éléments de la chaîne afin de traduire en coût l'efficacité énergétique des composants et la performance de la gestion énergétique. Disposant de modèles énergétiques, économiques et d'outils de dimensionnement et de gestion, nous avons effectué une étude d'optimisation fondée sur des cas simples de systèmes multi-production. Pour aborder ce difficile problème, nous nous sommes alors placés dans le cadre d'un producteur-consommateur dont les conditions météo au site de production ainsi que sa propre consommation sont supposées connues, donc déterministes. La problématique était alors la recherche de stratégies de gestion des flux d'énergie et des caractéristiques fondamentales des éléments de l'installation (puissances crêtes photovoltaïque, éolienne, capacité de stockage, ...) optimales permettant la minimisation du coût énergétique.

Les recherches actives sur les matériaux photovoltaïques et sur les systèmes de gestion de cette énergie sont à la base de ces progrès constants. Le LAAS travaille depuis plusieurs années dans cette optique d'amélioration et d'optimisation de l'énergie électrique produite par les systèmes solaires photovoltaïques. L'insertion d'un étage d'adaptation entre un générateur photovoltaïque (PV) et une charge optimise le transfert d'énergie. Ainsi, cet étage, commandé par une MPPT (Maximum Power Point Tracking), permet de rechercher en permanence le point maximum de puissance délivré par le module PV. Afin d'accroître encore les performances énergétiques des systèmes solaires, cette thèse s'est délibérément orientée vers une architecture fortement distribuée. Cette approche, consistant à répartir la gestion du générateur PV, permet de se rapprocher au plus près de la production photovoltaïque et ainsi en optimiser la puissance électrique globalement produite. Pour cela, nous avons développé des prototypes de micro-convertisseurs dédiés aux applications faibles puissances photovoltaïques. Les mesures journalières effectuées nous ont permis d'étudier avec précision l'intérêt de l'architecture distribuée et d'obtenir des résultats de validation montrant les perspectives à venir. Plusieurs solutions d'architectures se dégagent avec différents bilans des gains énergétiques qu'elles apportent.

Cette dernière décennie a montré que les cellules solaires à colorants étaient une technologie photovoltaïque économiquement viable. Malgré les nombreuses études réalisées dans ce domaine, force est de constater que les rendements de photoconversion n'ont toujours pas dépassé 12% avec ce type de cellule. Les travaux réalisés au cours de cette thèse s'inscrivent dans une optique d'optimisation des cellules solaires à colorants. Pour y parvenir, une approche joignant la théorie et l'expérience a été développée. Par des calculs basés sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), une nouvelle famille de colorants, caractérisée par la présence d'un groupement pyridinium, a été étudiée afin d'en choisir les membres les plus aptes à générer un photocourant. En combinant une approche moléculaire et périodique, les calculs ont permis de comprendre différents mécanismes intervenant dans le fonctionnement de la cellule solaire conduisant à une optimisation théorique de certains constituants de la cellule comme la composition de l'électrolyte ou le colorant. Parallèlement aux calculs, une méthodologie de construction et de caractérisation des cellules basée sur l'utilisation de ZnO comme semiconducteur a été mise en place au sein du laboratoire. La synthèse de ces nouveaux colorants a aussi été réalisée au cours de ce travail de doctorat. La conception et la caractérisation expérimentales de cellules utilisant ces colorants a permis de valider le protocole théorique développé ouvrant la voie à une optimisation ab initio des cellules solaires à colorants.

Les cellules à hétérojonctions de silicium fabriquées par croissance de couches minces de silicium amorphe hydrogéné (a-Si :H) à basse température sur des substrats de silicium cristallin (c-Si) peuvent atteindre des rendements de conversion photovoltaïque élevés (η=23 % démontré). Les efforts de recherche ayant principalement été orientés vers le cristallin de type p jusqu'à présent en France, ce travail s'attache à l'étude du type n pour d'une part déterminer les performances auxquelles s'attendre avec cette nouvelle filière et d'autre part les améliorer. Pour cela, nous avons mis en œuvre des techniques de caractérisation des matériaux composant la structure et de l'interface (a-Si :H/c-Si) couplées à des outils de simulations numériques afin mieux comprendre les phénomènes de transport électronique. Nous nous sommes également intéressés aux cellules à hétérojonctions avec substrats de silicium multicristallin de type n, le silicium multicristallin étant le matériau le plus répandu actuellement dans la fabrication des cellules photovoltaïques.