Dans les années à venir, les secteurs du transport et du résidentiel-tertiaire vont faire l'objet de contraintes de plus en plus sévères, que ce soit au niveau de leur consommation d'énergie ou de leur émission de polluants. Dans le domaine du transport, la hausse régulière du trafic et l'augmentation du poids et de la puissance des véhicules thermiques ont été plus significatives que la baisse de consommation unitaire des moteurs, contribuant à accroître un peu plus l'empreinte énergétique et environnementale des véhicules. Dans l'habitat, la consommation d'énergie et les émissions liées se sont accru fortement du fait de la croissance des besoins en électricité spécifique, le confort et la technologie exigeant là encore davantage d'énergie que par le passé, et ce malgré une baisse des usages liés à la cuisson et au chauffage. Avec cette thèse sur le stockage de l'électricité, une pierre se voit ajoutée à l'édifice naissant des alternatives durables à un modèle énergétique en disgrâce. Plus précisément, sont étudiés dans ce mémoire les différents usages de batteries lithium-ion utilisées comme fonction de stockage d'énergie à la convergence des besoins de l'habitat solaire et du transport électrique. Derrière le terme "habitat solaire", on entend une maison particulière équipée en toiture d'une installation de panneaux photovoltaïques. Derrière le terme "transport électrique", on entend à la fois la mobilité électrique de véhicules électriques et le transport d'électricité sur le réseau. Après une présentation du cadre contextuel et des champs d'étude de la thèse, un balayage du sujet permet de dégager certains axes de recherche directement exploitables et valorisables. Concrètement, l'hypothèse de départ d'un travail centré sur le véhicule électrique est validée. L'inventaire systématique des interactions de convergence entre les pôles de l'habitat solaire et ceux du transport électrique permet ensuite d'isoler des cas concrets d'usages convergents du stockage de l'électricité qui, à moyen terme, feront référence dans le domaine énergétique. Typiquement, le cœur de thèse se focalise sur l'amélioration de l'autoconsommation de la production photovoltaïque pour les besoins des charges domestiques et du véhicule électrique. Tout au long de cette démarche, des applications concrètes au cas de la Corse sont présentées.

L'objectif de cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de cellules solaires à jonction radiale à base d'assemblée de nanofils de silicium cristallin. Une étude sur la croissance des nanofils à partir de deux catalyseurs métalliques (cuivre et aluminium) dans une machine de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à pression réduite est présentée. L'inflžuence des conditions de croissance sur la morphologie, le dopage et la contamination des nanols par le catalyseur est analysée par des mesures électriques, chimiques (SIMS, Auger) et structurales (SEM, TEM, Raman). Le cuivre est utilisé pour la fabrication d'une cellule solaire avec des nanofils de type p et une jonction radiale créée avec du silicium amorphe de type n. Les performances photovoltaïques de la cellule solaire sont ensuite mesurées et interprétées. Un rendement de conversion de 5% est mesuré sur une cellule avec des nanofils de hauteur 1,5 µm.

L'interface entre le silicium amorphe (a-Si:H) et le silicium cristallin (c-Si) est un constituent clés de cellules solaires à haut rendement reposant sur des procédés à basse température. Trois propriétés de l'interface déterminent le rendement des cellules solaires à hétérojonction de silicium: les décalages de bandes entre a-Si:H et c-Si, les défauts d'interface et la courbure de bande dans c-Si. Ces trois aspects sont traités dans ces travaux de thèse.Dans un premier un temps, un calcul analytique de la courbure de bande dans c-Si est développé. Il repose sur l'approximation d'une densité d'état (DE) constante dans la bande interdite de a-Si:H. L'influence des principaux paramètres de la structure sur la courbure de bande est étudiée : décalage de bande, densité d'état dans a-Si:H, défaut d'interface, etc. La présence d'un effet de confinement quantique est discutée. Grâce à une comparaison entre ces calculs et des mesures de conductance planaire en fonction de la température sur des structures (p)a-Si:H/(n)c-Si et (n)a-Si:H/(p)c-Si, les décalages de bande de valence et de conduction ont pu être estimés à 0.36 eV et 0.15 eV respectivement. En outre, il est montré que le décalage de la bande de valence est indépendant de la température, alors que le décalage de la bande de conduction suit les évolutions des bandes interdites de c-Si et a-Si:H. Ces mesures tendent à prouver que le 'branch point' dans a-Si:H est indépendant du dopage.Ensuite, les calculs analytiques sont approfondis pour prendre en compte différents aspects de la structure complète incorporée dans les cellules : contact avec un oxyde transparent conducteur, présence d'une couche de a-Si:H non-dopée à l'interface. A l'aide de simulations numériques et à la lumière de mesures de conductance planaire conjuguées à des mesures de la qualité de passivation de l'interface, des pistes pour optimiser les cellules à hétérojonction sont commentées. En particulier, il est montré qu'un optimum doit être trouvé entre une bonne passivation et une courbure de bande suffisante. Ceci peut être accompli par un réglage fin des propriétés de la couche tampon (épaisseur, dopage), du contact (travail de sortie élevé) et de l'émetteur (p)a-Si:H (densité de défauts et épaisseur). En particulier, un émetteur avec une DE importante conduit paradoxalement à de meilleures performances.Enfin, un nouveau type d'interface a été développé. La surface de c-Si a été oxydée volontairement dans de l'eau pure dé-ionisée à 80 °C avant le dépôt de (p)a-Si:H afin d'obtenir une structure (p)a-Si:H/SiO2/(n)c-Si. A l'aide d'un modèle de courant par effet tunnel implémenté dans le logiciel de simulation numérique AFORS-HET, l'effet d'une couche à grande bande interdite (comme c'est le cas pour SiO2) sur les performances de cellules est étudié : le facteur de forme et le courant de court-circuit sont extrêmement réduits. En revanche, une couche de SiO2 n'a que peu d'impact sur les propriétés optiques de la structure. Expérimentalement, les échantillons réalisés montrent une qualité de passivation à mi-chemin entre le cas sans couche tampon et le cas avec (i)a-Si:H : ceci est expliqué par la présence d'une charge fixe négative dans l'oxyde. La courbure de bande dans c-Si est moins affectée par la présence d'une couche d'oxyde que d'une couche de (i)a-Si:H. Les cellules solaires réalisées démontrent que le concept a le potentiel d'aboutir à de hauts rendements : sur des structures non-optimisées, une tension de court-circuit supérieure à 650 mV a été démontrée, alors que l'oxyde ne semble pas limiter le transport de charge.

Depuis des années, le silicium est le semiconducteur principalement utilisé dansl’industrie électronique et photovoltaïque. Intensivement étudié depuis plusieursdécennies, ses propriétés sont essentiellement connues, mais de nouvelles questionsviennent se poser. En particulier, une meilleure connaissance des nombreux défauts etimpuretés ainsi que leurs propriétés et leur impact sur les performances des dispositifsà base de Si est souhaitable.Ce travail couvre un éventail de problèmes liés aux défauts ponctuels en interactionau moyen de calculs dits de premiers principes (Density Functional Theory).Une première partie est dédiée à l’impact du dopage sur la diffusivité de l’oxygèneinterstitiel. Les coefficients de diffusion obtenus en fonction de la température sonten très bon accord avec les résultats expérimentaux ce qui démontre la validité dela méthodologie appliquée. Nous avons montré que l’augmentation de la diffusivitédans le silicium dopé bore se produit par un mécanisme de transfert de charge depuisle dopant de type p.Une deuxième partie se rapporte aux différents complexes de défauts ponctuels etleur thermodynamique, leur cinétique, et leurs propriétés optiques. La formation de cescomplexes peut être induite expérimentalement par une irradiation par des électrons.Plus généralement, ils apparaissent aussi dans des environnements opérationnelsparticuliers comme le spatial. Ici, nous avons réalisé une étude expérimentale etthéorique combinée pour identifier l’impact du dopage isovalent (C, Ge) et du codopage(C-Ge, C-Sn, C-Pb) sur la production de différents complexes (VOi, CiOi,CiCs), qui sont électriquement et optiquement actifs.Enfin, une attention particulière a été portée à la paire de défaut carbone-carboneet ses propriétés. Récemment, il a été établi que le silicium fortement dopé en carboneprésente des propriétés d’émission laser. Ici nous avons cherché à étudier les formespossibles du complexe et leurs propriétés, afin de comprendre lequel est présentexpérimentalement. / Since many years, silicon is the primary semiconductor material in electronic andphotovoltaic industry. Intensively studied through decades, its properties are essentiallyknown, however new questions keep arising. We need to achieve deep insightinto the numerous possible defects and impurities properties as well as their impacton the performances of the Si based devices. This work covers a range of problemsrelated with point defects interaction of both types long range and short range bymeans of parameter free first principles calculations.The former refers to the impact of heavy doping on diffusivity of interstitialoxygen species. The obtained diffusion coefficients as a function of temperature arein a very good agreement with experimental results that demonstrates the validityof the applied methodology. We showed that the enhanced diffusivity in B-dopedsilicon occurs through a charge transfer mechanism from the p-type dopantThe latter accounts for the various point defect complexes and their thermodynamic,kinetic, and optical properties. Formation of these complexes can beinduced by electron irradiation of Czochralski silicon. This aspect is of extremeimportance for particular operational environment. Here, we performed a combinedexperimental-theoretical investigation to identify the impact of isovalent doping (C,Ge) and co-doping (C-Ge, C-Sn, C-Pb) on the production of different complexes(VOi, CiOi, CiCs, etc.), which are electrically and optically active.Finally, particular attention is addressed to the carbon-carbon defect pair and itsproperties. Recently, it was established that heavily carbon doped silicon elucidateslasing properties. Here we aimed to revisit the possible forms of the complex andtheir properties, in order to associate one of them with light emitting G-centre,observed in experiments.v

Les cellules photovoltaïques en couches minces de silicium cristallin sont des candidates prometteuses pour réduire le prix du watt-crête de l'énergie photovoltaïque, grâce à une très faible utilisation de silicium de haute pureté. Dans notre cas, les couches actives de silicium sont supportées par des substrats, de bas coût et compatibles avec les conditions de haute température nécessaires à une croissance cristalline rapide et de bonne qualité des couches. La société S'TILE développe ces substrats, par frittage à partir de poudres de silicium, et en recristallisant les plaquettes ainsi obtenues. Le but de cette thèse est de valoriser ce substrat pour l'industrie photovoltaïque et de démontrer qu'il est adapté à la fabrication de cellules solaires à bas coût et rendement élevé. Ces travaux utilisent le procédé d'épitaxie de silicium, qui est central pour fabriquer des cellules minces. Ils s'articulent autour de deux axes principaux. Le premier est la fabrication de cellules solaires et leur optimisation sur des substrats de référence monocristallins. Dans ce cadre, de nombreuses voies ont été explorées : l'utilisation de réflecteurs de Bragg en silicium poreux, l'optimisation du dopage de l'émetteur, la formation de gradients de dopage dans la base et l'utilisation de structures à émetteur en face arrière. Ces études ont permis d'évaluer le potentiel de ces différentes voies ; des résultats prometteurs pour l'amélioration du rendement de conversion des cellules sur couches minces ont été obtenus. Le second axe de la thèse est la fabrication de cellules sur les substrats frittés préparés par S'TILE et l'application des moyens développés dans le cadre du premier axe pour améliorer ces cellules. Les rendements encoura-geants obtenus ont ainsi démontré la faisabilité de cellules solaires sur les substrats réalisés par le procédé de frittage à bas coût développé par la société S'TILE.

Dans une configuration optimale, la couche photo-active d'une cellule solaire organique forme une hétérojonction volumique entre un matériau donneur et un matériau accepteur d'électrons. Cette morphologie optimale se trouve dans un état thermodynamique métastable. En cours de fonctionnement, l'absorption incidente provoque une élévation de la tempéra- ture des dispositifs. L'apport d'énergie thermique au système le fait évoluer vers un état thermodynamique stable correspondant à une micro-séparation de phase entre les deux matériaux nuisible aux performances photovoltaïques du dispositif. La solution à cette problématique envisagée dans cette thèse est de figer la morphologie optimale de la couche photo-active par réticulation chimique. Dans le but de prévenir la diffusion et la cristallisation des dérivés du fullerène, plusieurs approches ont été étudiées : la formation d'une maille de polymères réticulés, l'accroche des dérivés du fullerène aux chaînes du polymères ou la liaison entre plusieurs dérivés du fullerène. Les différentes fonctions réticulantes utilisées dans ces approches sont l'allyle, le cinnamate, l'anthracène et l'azoture. Au cours de ces travaux, des résultats satisfaisants ont été obtenus avec la fonction azoture. Basé sur cette fonction, nous avons développé un additif qui permet d'augmenter notablement la stabilité thermique des cellules solaires réticulées. Cette approche a été validée sur plusieurs couples de matériaux polymères/dérivés du fullerène à l'état de l'art.

L'énergie photovoltaïque est promise à une forte croissance dans les prochaines années. Propre et renouvelable, elle possède en effet de sérieux atouts pour répondre aux grands enjeux posés par le réchauffement climatique et l'appauvrissement des ressources en énergie fossile. Elle reste néanmoins une énergie chère en comparaison des autres formes de production électrique. D'importants efforts de R&D doivent être mis en œuvre pour abaisser son coût et la rendre plus compétitive. Il existe d'ores et déjà dans les laboratoires des technologies permettant d'augmenter significativement le rendement des cellules solaires en silicium (qui représentent aujourd'hui l'essentiel du marché). Mais elles font appel le plus souvent à des procédés, comme la photolithographie, qui restent chères pour l'industrie photovoltaïque. Les technologies laser sont une voie envisagée pour répondre à ce problème. Sélectifs, sans contact et autorisant de hautes cadences, les procédés laser permettent de réaliser des structures avancées de cellules à moindre coût. Il existe ainsi une forte dynamique de recherche autour de ces procédés. Les traitements laser permettent d'usiner ou de modifier la matière, de façon rapide et fiable. Il est ainsi possible d'ablater sélectivement certains matériaux, de réaliser des tranchées ou des trous, ou encore de modifier des profils de dopage. Des architectures complexes deviennent ainsi accessibles sans recourir aux couteuses technologies de la microélectronique. C'est dans ce contexte que se déroule ce travail de thèse, financé par l'ADEME et la société SEMCO Eng., et s'inscrivant également dans le projet de l'Agence National pour la Recherche PROTERRA. Deux objectifs principaux ont motivé sa mise en place : développer un savoir-faire au laboratoire INL sur les technologies laser avec l'ambition de rejoindre les instituts leaders sur ces thématiques et transférer les procédés développés à l'équipementier SEMCO Eng. pour lui donner accès à une technologie aujourd'hui inédite dans l'industrie photovoltaïque française. Ces recherches ont porté sur les cellules photovoltaïques en silicium, dites de première génération, et se sont articulées autour de trois axes principaux : la modélisation de l'interaction laser matière, l'ablation sélective de diélectriques (notamment de la couche antireflet afin de permettre de nouvelles techniques de métallisation) et la réalisation de dopages localisés. Des cellules de grandes dimensions fabriquées en collaboration avec SEMCO Eng. et tirant parti de ces procédés ont permis d'obtenir des rendements en accord avec l'état de l'art (proche de 18 %).

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La conversion photovoltaïque est un procédé très attractif pour la fourniture d’énergie propre et renouvelable. Cette filière est en plein essor grâce à une réduction constante des coûts de revient et des politiques incitatives de nombreux pays. Pourtant, l’ensemble des panneaux photovoltaïques installés ne produit qu’une faible part de la consommation mondiale en électricité. Les récents développements technologiques dans l’industrie photovoltaïque se sont surtout concentrés sur les cellules dites de seconde génération, à savoir les couches minces à base de CIGS, CdTe, a-Si, a-SiGe. Cette filière permet la fourniture d’électricité à coût inférieur à la technologie standard silicium, mais les rendements de conversion demeurent encore faibles, ce qui nécessite de larges surfaces disponibles. Il est à noter notamment que les cellules couches minces à base de matériaux semiconducteurs à gap direct comme le CIGS et le CdTe sont en plein essor puisqu’ils profitent en particulier d’une absorption accrue par rapport au silicium ; toutefois, ces matériaux sont présents en quantité limitée à la surface de la planète (In, Te). Dans ce contexte, les cellules à base de nanofils constituent une solution intéressante aux problèmes de l’absorption de la lumière, du transport et de la séparation des porteurs de charge photo-générés mais aussi de la quantité de matière utilisée. En effet, en utilisant une jonction radiale (i.e. entourant le nanofil), il est possible de séparer l’absorption de la lumière ( liée notamment à la longueur du nanofil) de la collecte des porteurs de charge (qui dépend du diamètre des nanofils). L’intérêt de ces structures réside également dans les propriétés de base des nanofils : la relaxation élastique favorable sur leur surface latérale ouvre le champ au dépôt de nanofils par hétéro-épitaxie sur tout type de substrat alors que la faible densité de défauts étendus en leur sein est propice à un transport efficace des porteurs de charges. Ainsi, la possibilité de réaliser des nanofils sur substrat souple en réduisant de manière importante la quantité de matière utilisée par rapport à une cellule en silicium cristallin massif peut être envisagée. Plusieurs laboratoires grenoblois ont déjà une expertise dans le domaine de la croissance des nanofils. Cette thèse a pour but de réaliser une analyse expérimentale approfondie des propriétés optoélectroniques des nanofils (par des mesures de réflectivité, de durée de vie des porteurs minoritaires et de recombinaisons en surface et aux interfaces) combinée à des simulations optiques (de type RCWA ou FDTD) et électriques (TCAD). L’objectif ultime étant de concevoir et de développer des cellules à base de nanofils de silicium et de ZnO/CdTe. Des démonstrateurs seront réalisés sur la base des simulations électro-optiques. Pour cela, les moyens d’élaboration, de caractérisation et de technologie des différents laboratoires et entités, ainsi que les compétences associées, seront mis en commun pour accompagner les travaux du doctorant. / Photovoltaic energy is a very attractive way to produce renewable energy. The current increase in the photovoltaic energy production mainly takes advantage of the continuous decrease in the solar cell cost as well as to incentive policy. However, installed photovoltaic panels only contribute to a very small part of the global electricity production. Therefore, important technological developments are dedicated to the second generation of solar cells (i.e. thin film solar cells) in order to reduce more their manufacturing cost despite the resulting lower conversion efficiency owing to a weaker structural and optical material quality. One alternative way to increase the solar cell efficiency is to fabricate nanowire-based solar cells since they may benefit from a higher light absorption and carrier collection efficiency. The light absorption is actually increased thanks to the high surface/volume ratio of nanowires but also to light trapping related to the nanowire length. Furthermore, the collection of minority charge carriers is more efficient in radial structures (i.e. core-shell structures) since the nanowire diameter is very small. This PhD thesis aims at investigating the optoelectronic properties of silicon and ZnO/CdTe nanowires (absorption, lifetime of minority charge carriers, bulk and surface recombination…) in order to design an optimised nanowire-based solar cell structure. Electromagnetic simulations will be first performed to define the best nanowire geometry for the absorbance, and then compared to experimental measurements of the absorption coefficient. Electrical characterisations (lifetime measurements, surface recombination…) will be also achieved to analyse the structural quality and to simulate the solar cell electrical properties. Some prototypes of optimised solar cells will eventually be fabricated.

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse portent sur la synthèse et l'étude des propriétés spectroscopiques et électrochimiques de systèmes donneur-accepteur conçus pour des applications variées telles que l'électrofluorochromisme, l'absorption à deux photons et le photovoltaïque. La s-tétrazine a été choisie comme accepteur pour sa forte affinité électronique, ses propriétés émissives remarquables et sa capacité à s'organiser via des interactions intermoléculaires de type &#61552--stacking. La triphénylamine a été sélectionnée comme donneur pour son faible potentiel d'ionisation, ses propriétés spectroscopiques (fortes absorption et émission) et la modulation facile de ses propriétés par changement de substituants. Sept dérivés de triphénylamine ont été synthétisés ainsi que dix-huit nouveaux composés multichromophoriques à base de tétrazine et de triphénylamine présentant cinq liens différents et des substituants variés. Ils ont été caractérisés par électrochimie et spectroscopie (stationnaire et résolue en temps). L'étude de la modulation de leurs propriétés photophysiques par le changement de l'état rédox a ensuite été réalisée. Dix composés présentant un lien permettant la conjugaison entre la triphénylamine et la tétrazine ont été synthétisés et caractérisés par électrochimie et spectroscopie. Compte-tenu de leurs propriétés, six d'entre eux ont été testés en absorption à deux photons et deux ont étés retenus pour être utilisés comme donneurs dans une cellule photovoltaïque organique. Par ailleurs, deux réactions ont été étudiées en détail pour expliquer la formation des produits obtenus, inattendus à un premier abord.