Les matériaux les plus répandus dans le domaine du photovoltaïque (PV) organique à base de polymères sont le poly(3-hexylthiophène) régiorégulier (rr-P3HT) et le [6,6]-phenyl-C61-butyric acide methyl ester (PCBM). La couche active est une hétérojonction en volume (BHJ) de nanodomaines interpénétrés accepteur d'électron (le PCBM) et donneur d'électron (le P3HT). Le contrôle de la morphologie de la couche active et de sa stabilité est un défi majeur pour le développement des cellules organiques et est au centre de ce travail de thèse.Dans un premier temps, nous avons cherché à contrôler la morphologie du mélange P3HT:PCBM via l'utilisation de compatibilisants. Deux familles de copolymères à blocs rigide et souple ont été étudiées. Elles ont en commun leur bloc rigide à base de P3HT et diffèrent par leur bloc souple. Pourla première famille, le bloc souple poly-butylacrylate est greffé de C60, ce qui lui confère une affinité chimique avec les domaines de PCBM, et la seconde famille a un bloc souple poly(4-vinylpiridine) (P4VP) non greffé en C60. De par son affinité chimique avec le C60, le PCBM se localisera préférentiellement au voisinage des domaines P4VP.Dans un deuxième temps, nous avons exploité les propriétés d'auto-assemblages des copolymères à blocs afin de les étudier en tant que matériaux photo-actifs. Nous avons cherché à appréhender l'influence de la nature du bloc flexible let de a taille des blocs souple et rigide sur l'organisation des copolymères ainsi que sur les propriétés de transport de charge et sur les performances PV.

Ce travail est consacré à l'étude du comportement photochimique d'un encapsulant multifonctionnel de cellules photovoltaïques organiques (CPO) dont la finalité est d'augmenter à la fois la durée de vie et le rendement de conversion des cellules. L'étude rapportée dans ce manuscrit porte sur le développement d'un revêtement permettant la conversion lumineuse du rayonnement UV solaire, ce dernier étant un facteur important de dégradation des CPO à base de P3HT et ne contribuant que faiblement à la conversion photovoltaïque. Dans un premier temps cette étude a porté sur l'élaboration d'une couche de conversion à partir d'une matrice polymère en EVA et d'une charge luminescente inorganique (SrAl2O4 : Eu2+, Dy3+). Dans un second temps, l'évolution des propriétés physiques et chimiques de cette couche de conversion sous irradiation à des longueurs d'onde supérieures à 300 nm a été étudiée. La présence des charges s'est révélée être un facteur pro-dégradant des films composites, sans pour autant que le mécanisme de dégradation du polymère ne soit affecté. L'étude des conditions de propagation de la lumière dans les films diffusants par l'application de la théorie de Mie a mis en évidence une possible augmentation du trajet optique des photons dans certains films composites. Ce phénomène pourrait contribuer à expliquer l'origine du comportement photochimique particulier des films étudiés. C'est finalement une preuve de concept qui a été recherchée pour l'utilisation d'un revêtement multifonctionnel pour l'amélioration et la conservation des propriétés de conversion d'une CPO à base de P3HT.

Ce travail porte sur l'élaboration et la caractérisation de cellules solaires organiques à base de nouvelles classes de matériaux donneurs dérivés de petites molécules solubles. Une première phase de ce travail a été consacrée à l'étude des cellules de type hétérojonction volumique à base de poly(3-hexylthiophène) et d'un dérivé soluble du fullerène C60, le PCBM. Le nombre considérable de travaux déjà publiés sur ces dispositifs en ont fait un système modèle particulièrement approprié à l'étude des différents paramètres expérimentaux impliqués dans la fabrication de ce type de cellules et à leur optimisation. Les protocoles expérimentaux définis sur la base de ces études ont été ensuite appliquées à l'évaluation de deux nouvelles classes de donneurs moléculaires à base du dicétopyrrolopyrrole (DPP) et de dipyrrométhène de bore (BODIPY). Les travaux sur les donneurs dérivés du DPP ont porté sur la réalisation de différentes séries de cellules solaires à hétérojonction planaire et volumique et les résultats obtenus ont permis à la fois d'atteindre des performances intéressantes et de progresser dans la compréhension des relations structure-propriétés dans cette famille de donneurs moléculaires. La dernière partie de ce travail concerne la réalisation et l'étude de cellules solaires à partir d'une classe originale de donneurs moléculaires dérivés du BODIPY. La caractérisation des propriétés électroniques de différentes familles de bodipys ainsi que la fabrication et l'étude de plusieurs séries de cellules solaires ont conduit à des avancées importantes et des rendements parmi les plus élevés obtenus jusqu'à présent sur des BHJ moléculaires à base d'accepteur dérivé du C60 ont été obtenus. Par ailleurs ces travaux ont permis de mettre pour la première fois en évidence des effets coopératifs dans des BHJ moléculaires utilisant des donneurs multiples.

Le contexte énergétique actuel est un enjeu sociétal. L'utilisation de l'énergie solaire au travers de cellules solaires photovoltaïques à bas-coût et à haut rendement, est une des voies envisagées pour répondre aux besoins énergétiques. Ce travail de thèse a permis de démontrer la faisabilité de cellules solaires hybrides, basées sur une jonction de type " cœur/coquille " entre des nanofils de silicium obtenus par gravure chimique et du PEDOT polymérisé par voie électrochimique. Les principaux avantages d'une telle structure sont à la fois la simplicité et le faible coût des méthodes utilisées pour la réalisation de la cellule. Les nanofils de silicium, grâce à leur capacité à piéger la lumière, conduisent à des propriétés d'anti-reflet très intéressantes avec notamment des valeurs de réflexion inférieures à 3% sur toute la gamme spectrale du visible. La réalisation de telles jonctions a fait l'objet d'une étude poussée sur les différentes caractéristiques de dépôt du polymère, tels que l'intensité lumineuse, le potentiel appliqué et la durée du procédé. L'influence de ces paramètres sur la mesure I(V) de la cellule solaire hybride complète a également été étudiée. On peut noter en particulier que l'on obtient ainsi une densité de courant de fuite très faible et une résistance de fuite très élevée, permettant d'émettre l'hypothèse d'une bonne passivation des états de surface. Ceci constitue une voie prometteuse pour obtenir un bon transport de charges en polarisation inverse.

Cette thèse explore le vieillissement des modules photovoltaïques (PV) à base de silicium cristallin via une approche multi-matériaux. L’objectif premier est de déterminer les mécanismes de dégradation mis en jeu durant l’exploitation des modules PV et ainsi d’être à même de proposer des solutions technologiques améliorant leur durabilité. Pour cela, des tests de vieillissement accéléré ont été réalisés sur le verre, la cellule PV au silicium cristallin et le mini-module PV composé du verre, d’un polymère encapsulant et de la cellule silicium.Leurs propriétés fonctionnelles sont systématiquement évaluées et le suivi dans le temps de ces indicateurs permet de définir des lois de vieillissement. En parallèle, des caractérisations physico-chimiques sont réalisées pour définir les mécanismes de dégradations des différents constituants du module. L‘étude de la chaleur humide sur le verre a permis de mettre en évidence une dégradation de surface via un processus d’hydratation du réseau vitreux et un phénomène de lixiviation du sodium qui engendre une augmentation de la transmittance du verre. La cellule PV présente des performances électriques et une réflectance dégradées suite à l’exposition aux radiations UV dues à un processus de photo-oxydation de la couche antireflet SiNx. Il a également été établit qu’une puissance UV élevée peut aussi favoriser un phénomène de régénération des performances électriques. Le vieillissement du mini-module sous UV a montré du phénomène de dégradation photo-induite (LID) engendrant une légère diminution des performances électriques dès la première exposition alors que l’impact de la chaleur humide sur les performances électriques est nul après 2000 heures d’exposition / This thesis investigates the aging of photovoltaic (PV) modules based on crystalline silicon technology via a multi-material approach. The first objective is to determine the degradation mechanisms involved during the operation of the PV modules and thus to be able to propose technological solutions improving their durability. For this purpose, accelerated aging tests were carried out on the glass, the crystalline silicon PV cell and the PV mini-module composed of glass, a polymeric encapsulant and the silicon cell.Their functional properties are systematically evaluated and the follow-up of these indicators allows to define aging laws. In parallel, physicochemical characterizations are carried out to determine the degradation mechanisms of the different components of the module. The study of damp heat on glass throws into evidence a surface degradation with a hydration process of the silica network and a leaching phenomenon of the sodium which involves an increase of the glass transmittance. The PV cell exhibits a deterioration of the electrical performance and reflectance after UV radiation exposure due to a photo-oxidation process of the SiNx antireflection layer. It has also been established that high UV power can also promote a regeneration phenomenon of electrical performances. The aging of the mini-module under UV shows the phenomenon of photo-induced degradation (LID) generating a slight decrease in the electrical performance from the first exposure whereas the impact of damp heat on the electrical performance is null after 2000 hours

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.

La consommation d'énergie augmente d'année en année en raison de la croissance de la population et des conditions économiques. Afin de répondre aux besoins de la population et de la société d'utiliser l'électricité, le Gouvernement Cambodgien a mis en place la politique de promotion et d'encouragement du développement de l’électrification ; tous les villages auront de l'électricité d'ici 2020 et au moins 70% des domiciles auront accès à la bonne qualité du réseau électrique d'ici 2030. Pour réussir ces objectifs, l'étude et le développement de la méthodologie du réseau de distribution basse tension (BT) sont étudiés. Cette thèse étudie la planification du réseau de distribution BT avec intégration de Photovoltaïque (PV) et de stockage d’énergie de batterie (BES). La première partie est développée la méthode de planification à long terme pour tacler le défi de l'incertitude sur la charge en zone urbaine ;le nouvel algorithme a été développé pour rechercher l'architecture optimale de minimisation du coût d’investissement (CAPEX) et d’exploitation (OPEX) qui respecte l'ensemble de contraintes topologies et électriques (courant et tension) grâce à la programmation linéaire mixte en nombres entiers à contraintes quadratiques (PLMNECQ), le plus court chemin , first-fit bin-packing, et la méthode de Monte-Carlo. La deuxième partie est traité de l'extension de la zone de couverture de l'électricité avec deux solutions possibles, sont le renforcement du réseau et l'intégration de PV-BES pour le village rural ; l'algorithme génétique (GA) et la technique itérative ont été codés pour rechercher l’emplacement et la capacité. La dernière partie du travail est concentrée sur la planification du réseau de distribution résidentielle BT pour les zones non électrifiées aux rural et urbain grâce à l'architecture optimale et l'intégration de PV-BES sur l'horizon de planification. / The energy consumption is increasing year by year due to the growth of population and the economic conditions. In order to meet the need of population and society to use electricity, the Cambodian government has established the policy to promote and encourage the development of electrification; all the villages will have electricity by the year 2020, and at least 70% of households will have access to grid quality by the year 2030. To achieve these goals, the study and development of methodology on the Low-Voltage (LV) distribution system are investigated. This thesis studies the planning of LV distribution system with integration of Photovoltaic (PV) and Battery Energy Storage (BES). The first part is developed the long-term planning method to tackle the challenge of load demand uncertainty in urban area; the novel algorithm was developed to search for the optimal architecture of minimizing the capital expenditure (CAPEX) and the operation expenditure (OPEX) which respects to the set of topology and electrical (current and voltage) thank to mixed integer quadratically constrained programming (MIQCP), shortest-path, first-fit bin-packing, and Monte-Carlo method. The second part is dealt with the extension of electricity coverage area with two possible solutions which are grid reinforcement and integration of PV-BES for rural village; the Genetic algorithm (GA) and iterative technique were coded to search for location and sizing. The last part is concentrated on the planning of residential low-voltage distribution system in both rural and urban for non-electrified area thanks to the optimal architecture and PV-BES integration over the planning horizon.

L’objet de cette thèse est l’intégration des parcs photovoltaïques intelligents au marché de l’électricité dans un environnement de libre concurrence. Les centrales photovoltaïques intelligentes sont celles qu’incluent systèmes de stockage pour réduire sa variabilité et en plus fournir à l’ensemble une plus grande contrôlabilité. Ces objectives techniques sont obtenues grâce à la capacité bidirectionnelle d’échange et stockage d’énergie qu’apportent les systèmes de stockage, dans ce cas, les batteries. Pour obtenir la rentabilité maximale des systèmes de stockage, le dimensionnement doit être optimisé en même temps que la stratégie de gestion avec laquelle le système de stockage est commandé. Dans cette thèse, une fois la technologie de stockage plus adapté à l’application photovoltaïque est sélectionnée, à savoir la technologie de lithium-ion, une participation innovatrice de part des parcs photovoltaïques intelligents dans le marché de l’électricité est proposée qui optimise à la fois le dimensionnement et la stratégie de gestion d’une manière simultanée. Ce processus d'optimisation ainsi que la participation au marché de l'électricité a été appliquée dans un cas d’étude réel, ce qui confirme que cette procédure permet de maximiser la rentabilité économique de ce type de production. / The present PhD deals with the integration of intelligent photovoltaic (IPV) power plants in the electricity markets in an environment subject to free competition. The IPV power plants are those that include energy storage systems to reduce the variability and to provide the entire group a controllability increase. These technical objectives are obtained thanks to the bidirectional exchanging and storing capability that the storage system contributes to, in this case, battery energy storage system (BESS). In order to obtain the maximum profitability of the BESS, the sizing must be optimized together with the control strategy that the BESS will be operated with. In the present PhD, once the most performing battery energy storage technology has been selected, the lithium-ion technology, an innovative IPV power plant electricity market participation process is proposed which optimizes both the sizing and the energy management strategy in the same optimization step. This optimization process together with the electricity market participation has been applied in a real case study, confirming that this procedure permits to maximize the economic profitability of this type of generation.

L’ouverture des marchés de l’énergie et les nouveaux usages ont induit à des changements significatifs sur les réseaux de distribution (le réseau basse tension – BT – notamment), comme : l’augmentation des interconnections de production à partir de sources d’énergies renouvelables (EnR), l’accroissement de la pointe de consommation, entre autres. Ces derniers créent des contraintes électriques. Dans l’optique d’une gestion pragmatique des réseaux électriques intelligents, des gisements de flexibilité comme le pilotage des charges/sources ou le stockage sont recherchés pour offrir des nouvelles solutions à ces contraintes. Cette thèse étudie ainsi les enjeux de la gestion du stockage et son impact dans les méthodes de planification des réseaux BT. Ainsi, dans un premier temps, les impacts du stockage et de la production photovoltaïque sur des grandeurs utilisées dans la planification des réseaux de distribution sont étudiés. Dans un second temps, une méthode de calcul des coûts des pertes est adaptée à la présence du stockage et/ou de la production PV. Dans une dernière partie, des algorithmes de fonctions avancées de conduite sont développés afin d’illustrer la valeur économique du stockage dans la planification des réseaux BT, et comparés à une planification classique plus couteuse. / The opening up of energy markets and new uses have led to significant changes in distribution grids, in particular low-voltage grids. Notably, it has led to an augmentation in the integration of renewable energy production, an increase in the peak consumption, among others. This is accompanied by the appearance of the electrical constraints with which power systems must cope. This has resulted in the development multiple flexibility capabilities such as load/source management or energy storage, providing new solutions, now to be considered in planning methods. This thesis studies the issue of energy storage in the low-voltage grid planning. The first part of this thesis studies the impact of storage and photovoltaic production on variables involved in distribution grid planning. In the second part, a method for calculating the cost of losses is adapted to the presence of energy storage and/or PV production. Finally, advanced d operation algorithms are developed to illustrate the economic value of energy storage in LV distribution grid planning, compared to a more expensive conventional planning method.

Les perovskites hybrides organique-halogénure de plomb représentent une classe de matériaux émergents, proposés en tant qu'absorbeur de lumière dans le cadre d'une nouvelle génération de cellules solaires. La formule chimique de ces composés est APbX3, où A est un cation organique, X représente un anion halogénure (normalement Cl-, Br-, ou l-, ou alors un alliage composé par ces éléments). Les perovskite hybrides combinent d'excellentes propriétés d'absorption avec une grande longueur de diffusion et de longues durées de vie des porteurs de charge, ce qui permet d'atteindre des efficacités de conversion de photons de 22%. Un autre avantage réside dans leur bas coût de fabrication. Par conséquent, avec le développement de cette classe de matériaux, le photovoltaïque basé sur les perovskites sera potentiellement capable de fortement améliorer les performances de la technologie photovoltaïque actuelle, basée sur le silicium. Dans cette thèse, nous utilisons des méthodes optiques afin d'étudier les propriétés électroniques de base et la morphologie de couches minces de plusieurs représentants des perovskites. Nous étudions notamment des composés ayant le methylammonium et le formamidinium en tant que cations organiques ainsi que les iodures et les bromures à large bande interdite et nous montrons de quelle manière la composition chimique influence les paramètres étudiés. Par magnéto-transmission, nous déterminons directement l'énergie de liaison de l'exciton et sa masse réduite. Nous avons trouvé que les énergies de liaison à T = 2K sont comprises de 14 à 25 meV, plus petites ou comparables à l'énergie thermique moyenne à la température ambiante (25meV). De plus, ces valeurs diminuent à T=160K jusqu'à 10-24meV. Suite à ces résultats, nous concluons que les porteurs photocréés dans les perovksites peuvent être considérés ionisés thermiquement à la température ambiante. Les valeurs de masse effective sont comprises entre 0.09-0.13 fois la masse de l'électron libre. Nous montrons également que l'énergie de liaison de l'exciton ainsi que la masse effective dépendent linéairement de la valeur de la bande interdite. Nos résultats permettent donc d'estimer la valeur des paramètres de ces nouveaux composés perovksites. Nous avons étudié la morphologie de couches minces de perovskite par photoluminescence résolue spatialement avec une résolution micrométrique. Cette technique nous a permis d'observer des grains cristallins uniques. Nous démontrons que la transition de la phase tétragonale à orthorhombique à basse température est incomplète dans tous les matériaux étudiés, comme montré par les résidus de phase tétragonale trouvés à T =4K. En étudiant structurellement certaines régions endommagées et photo-recuites, nous montrons que la présence de la phase tétragonale à basse température augmente, causée par une déplétion de l'halogène. / The hybrid organo-lead halide perovskites are an emerging class of materials, proposed for use as light absorbers in a new generation of photovoltaic solar cells. The chemical formula for these materials is APbX3, where A is an organic cation and X represents halide anions (most commonly Br-, Cl- or I-, or alloyed combination of these). The hybrid perovskies combine excellent absorption properties with large diffusion lengths and long lifetime of the carriers, resulting in photon conversion efficiencies as high as 22%. Another advantage is the inexpensiveness of the fabrication process. Therefore, with the rapid development of this class of materials, the perovskite photovoltaics has perspectives to outperform the well-established silicon technology. Here, we use optical methods to investigate the basic electronic properties and morphology in the thin films of several representatives of the hybrid perovskites. We study the compounds based on Methylammonium and Formamidinium organic cations; the iodides and wide band-gap bromides, showing how the chemical composition influences the investigated parameters. Using magneto-transmission, we directly determine the values of exciton binding energy and reduced mass. We find that the exciton binding energies at T = 2 K, varying from 14 to 25 meV, are smaller or comparable to the average thermal energy at room temperature (˜25 meV). Moreover, these values fall further at T = 160 K, to 10-24 meV. Based on that we conclude that the carriers photocreated in a perovskite material can be considered to be thermally ionized at room temperature. The measured reduced masses are in the range of 0.09-0.13 of the electron rest mass. We also show that both exciton binding energy and reduced mass depend linearly on the band gap energy. Therefore, the values of these parameters can be easily estimated for the synthesis of new perovskite compounds. With the spatially resolved photoluminescence, we probe the morphology of perovskite films with micrometer resolution, which enables us to observe single crystalline grains. The resulting maps show that all investigated thin films are composed from the dark and bright crystalline grains. We demonstrate that the low temperature phase transition from tetragonal to orthorhombic phase is incomplete in all studied materials, as the remains of the tetragonal phase are found even at T = 4 K. By investigating structurally damaged and photo annealed regions, where the occurrence of the tetragonal phase at low temperatures is enhanced, we attribute its presence to the depleted halide content.