Cette thèse porte sur l’étude du comportement thermique des systèmes photovoltaïques (PV). La première partie de la thèse rassemble et étend l’état de l’art sur la dépendance en température des rendements de conversion PV. L’analyse détaille l’ensemble des phénomènes physiques mis en jeu afin d’améliorer la compréhension des coefficients de température des différentes technologies de cellules PV. La seconde partie de la thèse recense les travaux de recherches effectués pour mitiger l’impact négatif de la température sur les performances des systèmes PV et propose une approche originale qui consiste à prendre en compte les conditions de fonctionnement du système dans le processus d’optimisation de ses caractéristiques. Afin de réaliser de telles optimisations, un modèle thermique complet et général pour les systèmes de conversion photovoltaïque est développé. Enfin, des applications à des systèmes photovoltaïque et thermophotovoltaïque démontrent la pertinence de l'approche proposée. / This Ph.D. thesis manuscript reports on a study about the physics of the thermal behavior of photovoltaic (PV) systems. While it is long known that the conversion efficiency of PV devices deteriorates when their temperature increases, a detailed analysis of all the mechanisms involved was not available to date in the literature. Part I of this manuscript gathers and extends the existing works on the topic in order to offer a comprehensive view of the physics involved in the temperature sensitivities of PV systems. First, temperature coefficients, which quantify the temperature dependences, are analyzed in the radiative limit (which is the fundamental limit for PV conversion). Then, the additional loss mechanisms of real PV devices are introduced and their impacts on the temperature coefficients are assessed. The existing theoretical expressions of the temperature coefficients of important solar cell parameters (namely open-circuit voltage, short-circuit current and fill factor) are reviewed. A new formulation of the temperature coefficient of the open-circuit voltage that incorporates the concept of External Radiative Efficiency (ERE) is proposed. The theoretical expressions are compared to experimental results on crystalline silicon cells from measurements made at the University of New South Wales (UNSW, Australia) and from the literature. Using the understanding of the relation between the temperature coefficients and device physics, the special cases of silicon heterojunction cells and cells made from compensated silicon are examined. Because temperature has a critical impact on the performances of PV devices, several studies aimed on the one hand at predicting the temperature of PV modules from their operating conditions and on the other hand at designing inexpensive cooling solutions. The goal of Part II of this manuscript is to propose an original approach to minimize the temperature-induced losses in PV systems. The idea is to include the operating conditions in the optimization of the system parameters in order to maximize the power produced in these conditions rather than in the Standard Test Conditions (STC). These original optimizations are based on a comprehensive thermal model of PV cells that captures all of the physical mechanisms involved in the generation of heat within the cell. Following the presentation of this thermal model, several examples of global optimization (i.e. a thermal criterion is added to the usual optical and electrical ones) are presented. Some of these examples apply to standard solar cells while others demonstrate that this kind of optimization can be applied to other PV systems such as thermophotovoltaic (TPV) converters (solar or near-field TPV). The recent trend of the PV industry towards the creation of products specifically adapted to a given use suggests that these original optimizations that take into account the system operating conditions could be implemented in the near future.

Au cours des dernières années, le développement des cellules organiques à réseaux interpénétrés a permis d’améliorer les rendements de conversion photovoltaïque (PV). Ces dispositifs incorporent une couche active constituée d’un mélange d’un matériau donneur d’électron (D) et d’un matériau accepteur d’électron (A). La réalisation de ces cellules requiert une optimisation minutieuse de ce mélange et de la morphologie de cette couche photo-active qui en résulte. Cette dernière peut cependant évoluer spontanément vers une ségrégation de phase, généralement délétère pour les performances PV. Une solution possible, et relativement peu étudiée, consiste à lier chimiquement le donneur D et l’accepteur A par un espaceur non-conjugué. Les travaux décrits dans ce manuscrit portent sur la synthèse et la caractérisation d’assemblages moléculaires de type D-σ-A ainsi que leur utilisation comme matériau dit « unique » pour la fabrication de cellules solaires organiques mono composant. Une première famille de dyades et triades à base d’un bloc donneur de type quaterthiophène a été étudiée. Cette partie décrit la méthodologie générale d’assemblage des blocs D et A via une réaction de cycloaddition de type Huisgen. Au cours des chapitres suivant, plusieurs dyades basées sur un bloc donneur « push-pull » ont été synthétisées puis caractérisées. Les performances PV de ces composés ont été évaluées au sein de cellules solaires mono-composant et les meilleurs rendements de conversion, atteignant 1.4 %, rivalisent avec l’état de l’art. / Over the last few years, the development of bulk heterojunction organic solar cells (BHJ OSCs) led to significant increase in photovoltaic (PV) efficiency. Such devices are based on interpenetrated networks of an electron-donor material (D) and an electron-acceptor material (A) constituting the active layer. Nevertheless a careful optimization of the morphology is required to reach high power conversion efficiency. Furthermore, this optimized morphology can evolve towards spontaneous phase segregation which can be detrimental for the PV performances. To circumvent these limitations, a relatively unexplored approach relies on the use of a material where the donor and the acceptor moieties are covalently linked to each other through a nonconjugated π-connector. In this context, the work reported herein describes the synthesis and characterization of various molecular D-σ-A assemblies, as well as their preliminary evaluation as “unique” material for the realisation of single component organic solar cells (SC-OSCs). A first family of dyads and triads, based on quaterthiophene moieties as donor block, was studied. A general methodology to assemble the two D and A blocks via a Huisgen-type click-chemistry is described. Then, in the next chapters, several dyads based on a “push-pull” donor block have been synthesized and characterized. The PV performances of these compounds have been evaluated in SC-OSCs leading to power conversion efficiency up to 1.4 %, a value close to the state of the art.

Au cours de ces travaux de thèse, deux axes d’études ont été développés. Ils consistent d’une part à la synthèse et la caractérisation de nouveaux complexes de bore, visant à être utilisés dans des cellules solaires organiques, ainsi qu’au développement de plateformes d’empilement π, permettant la modulation des propriétés structurales de semi-conducteurs organiques. Ainsi, le rendement de conversion énergétique de cellules solaires utilisant un BODIPY a été amélioré par l’addition de triazatruxènes sur ses positions β-pyrroliques. Le motif BOPHY, complexe di-nucléaire de bore, a été fonctionnalisé puis étudié optoélectroniquement. Le premier exemple d’utilisation d’un BOPHY dans une cellule solaire organique a également été effectué. Deux familles de BODIPYs ont été préparées en vue d’une utilisation dans des cellules solaires à colorant. Leur utilisation au sein d’une même structure a permis d’établir un nouveau record de conversion pour une telle utilisation d’un BODIPY. / During this thesis, boron complexes and π-stacking mediator planar moieties have been synthetized for photovoltaic applications. Thanks to the use of triazatruxene units on β-pyrrolic positions of a BODIPY core, the solar cells photoconversion efficiency has been increased. The BOPHY moiety, a di-nuclear boron complex, has been functionalized and optoelectronically studied. The first example of the use of BOPHY in organic solar cells has been performed. Two families of BODIPYs have also been prepared to be used in dye-sensitized solar cells. A new record of photoconversion efficiency for BODIPY based solar cells has been reached using a co-adsorption of two dyes having complementary absorptions within a unique solar cell.

Ces travaux de thèse ont visé à étudier la fonctionnalisation de complexes mono et ditopique de bore(III), BODIPY et BOPHY, en vue d’une application en cellule solaire organique. Les caractérisations préliminaires des nouveaux matériaux synthétisés ont permis d’identifier les matériaux aux propriétés physico-chimiques les plus adaptées à une telle application. Ainsi, il a été possible d’utiliser pour la première fois un dérivé de BOPHY comme matériau de type p prometteur au sein d’une cellule solaire organique, et un rendement de conversion énergétique de 4,2% a été atteint. La fonctionnalisation orthogonale du 1,3,5,7-tétraméthyles BODIPY a permis de faire passer le rendement de conversion de référence de BODIPY comme matériaux de type p de 4,7 à 5,8%. Enfin, une méthodologie synthétique originale et polyvalente d’obtention de BODIPY α-fusionnés, les BOBIM, a été développée. Présentant à la fois une absorption intense dans le visible et une très forte affinité électronique, ils ont été caractérisés comme matériaux de type n. / A study of the functionalization of boron(III) complexes, BODIPY and BOPHY, was carried out in order to characterize new n and p-type materials for bulk heterojunction organic solar cells. The properties of this materials were investigated through spectroscopic, electrochemical and charges transport analysis, and the most promising candidates were characterized in photovoltaic devices. For the first time a BOPHY derivative was used as p-type materials in such organic solar cell, providing a promising PCE of 4.2%. A study of the orthogonal functionalization of the 1,3,5,7-tetramethyls BODIPY allowed the synthesis and characterization of a new BODIPY based p-type material which exhibits the highest PCE of 5.8% for such material to date. The last chapter of this thesis develops an original and versatile synthetic method to obtain α-fused BODIPY. This family of molecules exhibit both intense absorption in the near-IR and low lying LUMO, and has been hence characterized as n-type materials.

L’objectif de cette thèse consiste à développer des matériaux semi-conducteurs organiques efficaces pour le photovoltaïque organique. Le travail est focalisé sur l’optimisation de matériaux à caractère donneur d’électrons pour la préparation de dispositifs à hétérojonction volumique, en association avec un dérivé de fullerène comme matériau à caractère accepteur d’électrons. Plus particulièrement, il s’agit de réaliser une étude d’optimisation systématique de deux familles de référence (respectivement macromoléculaire et moléculaire) issus du laboratoire, qui ont déjà conduit à des performances photovoltaïques intéressantes. Pour cela, nous avons suivi une démarche rigoureuse et systématique en ciblant les paramètres chimiques les plus pertinents à faire varier. Afin de déterminer les propriétés des nouveaux matériaux ainsi synthétisés, des caractérisations spectroscopiques, électrochimiques, structurales, de transport de charge et photovoltaïque ont systématiquement été effectué. / The aim of this thesis is to develop efficient semi-conducting organic materials for organic photovoltaics. This work is focuses on the optimization of electron-donor organic semiconductors for the preparation of bulk heterojunction devices, in blend with a fullerene derivative used as electron-acceptor material. More specifically, it is to perform a systematic optimization study of two reference families (macromolecular and molecular respectively) from the laboratory, which have already led to interesting photovoltaic performances. For this, we followed a structured and systematic approach targeting the most relevant chemical parameters to be varied. To determine the properties of new materials synthesized, spectroscopic, electrochemical, structural, charge transport and photovoltaic characterizations were systematically made.

Les performances des modulateurs de lumières à commande optique (OASLMs) à base de cristaux liquides (CLs) dépendent fortement des propriétés de la couche photosensible. Afin de concilier transparence, résolution latérale et production à bas coûts, les semi-conducteurs organiques apparaissent comme des candidats idéaux. Nous avons choisi d'utiliser un mélange P3HT:PCBM comme couche photosensible. Nos résultats ont montré que les cristaux liquides se réorientaient en fonction de l'intensité lumineuse seule et sans tension appliquée. Des mesures complémentaires indiquent que l'effet photovoltaïque est à l'origine de ce phénomène. Ce type de dispositif nous permet de moduler spatialement l'orientation des CLs et démontre son potentiel dans des applications liées à l'holographie. Un second type de dispositif intégrant des couches d'interfaces de PEIE et de PEDOT:PSS nous permet de contrôler l'orientation des CLs et donne de nouvelles pistes permettant de fabriquer des OASLMs autonomes. / The performances of liquid crystals (LCs) based optically addressed Spatial Light Modulators (OASLMs) strongly depends on the photosensitive layer properties. To accommodate device transparency, lateral resolution and low cost production, organic semiconductors appear as the ideal candidates. We chose to use a P3HT: PCBM blend as the photosensitive layer. Our results showed that the liquid crystals reorient according to the luminous intensity alone and without external power supply. Additional measurements indicate that the photovoltaic effect is at the origin of this phenomenon. This type of device allowed spatial modulation of the LCs orientation and demonstrates its potential in holographic applications. A second type of device integrating interfacial layers of PEIE and PEDOT: PSS allowed us to control the orientation of the LCs and gives promising routes towards the design of self-sustainable OASLMs.

Ce travail s'inscrit dans une stratégie de développement de matériaux abondants, non toxiques, pour le photovoltaïque. Le Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) est un matériau qui répond à tous ces critères et est de ce fait, un candidat très prometteur. Parmi les techniques utilisées pour synthétiser le CZTSSe, le procédé en deux étapes (dépôt du précurseur + recuit) semble être le plus adapté pour l'obtention de meilleurs rendements. L'objectif de cette thèse est de développer et d'optimiser un procédé de fabrication pour la synthèse d'absorbeurs CZTSSe intégrés à des dispositifs photovoltaïques. Pour atteindre ce but, différentes études ont été réalisées. Premièrement, le mécanisme de formation du matériau a été étudié en fonction des conditions de synthèse ; plus précisément l'intérêt était porté sur les réactions ayant lieu pendant la montée en température. Cela a permis de comprendre que la vitesse de chauffe était un paramètre déterminant lors du recuit, car elle affectait la cinétique de formation des composés binaires, ternaires et quaternaires. Plus intéressant encore, cette étude a mis en lumière une forte affinité chimique entre les vapeurs de sélénium et l'étain qui domine sur l'affinité entre le cuivre et le sélénium gazeux. Ensuite, différents absorbeurs ont été fabriquées en modifiant des paramètres telles que l'épaisseur du précurseur, l'atmosphère de recuit, les traitements chimiques pour optimiser les paramètres électriques. Des rendements de 8% ont été obtenus pour des cellules à base de CZTSe et 7,1% sur celles à base de CZTSSe, avec de très bonnes homogénéités. Un rendement de 2,3% a été obtenu sur une architecture nouvelle intégrant les TCO comme contact arrière. / This work is part of a strategy to develop abundant, non-toxic, for photovoltaics. The Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) is a material that meets all these criteria and is therefore a very promising candidate. Among the techniques used to synthesize the CZTSSe, the two-step process (deposition of precursor + annealing) seems to be the most suitable for obtaining higher efficiencies. The objective of this thesis is to develop and optimize a method for the synthesis of CZTSSe absorbers integrated into photovoltaic devices. To achieve this purpose, various studies have been carried out. First, the formation mechanism of CZTSSe has been studied as a function of the synthesis conditions; more precisely the interest was focused on reactions taking place during the rise in temperature. This helped to understand that the heating rate was a critical parameter during annealing because it affected the formation kinetics of binary, ternary and quaternary compounds. More interestingly, this study has highlighted a strong chemical affinity between selenium vapors and tin which dominates the affinity between copper and selenium gaseous species. Then, different absorbers were synthesized by changing parameters such as the thickness of the precursor, the annealing atmosphere and chemical treatments to optimize the electrical parameters. 8% efficiency was obtained for CZTSe-based solar cells and 7.1% of those based on CZTSSe, with very good homogeneity. A 2.3% efficiency was obtained on a new architecture integrating TCO thin films as back contact.

Cette thèse présente de nouveaux développements en détection de particules chargées et traitement tout-numérique d'impulsions pour application à l'analyse avec des faisceaux d'ions rapides (IBA). Un ensemble de 16 détecteurs gravés sur une puce de Si est mis en œuvre, ce qui fournit un angle solide de détection environ 100 fois plus grande que celle des détecteurs utilisés auparavant pour l'IBA. Seize chaines d'acquisition sont également mises en œuvre avec une approche 'tout-numérique' pour le traitement des signaux issus des détecteurs. Dans son ensemble, le système ainsi développé a une résolution en énergie équivalent à celle des détecteurs standards. La considérable quantité d'information ainsi générée est traitée de manière cohérente en ajustant des spectres en énergie simulé aux spectres mesurés grâce à un algorithme de recuit simulé, avec le NDF DataFurnace. Les grandes angles solides disponibles sont exploitées pour des études par rétrodiffusion de Rutherford (RBS) et canalisation d'ions de l'isolant topologique Bi2Se3 enrichi en fer en vue d'études de l'effet thermoélectrique, de spintronique ou encore la computation quantique, ainsi que pour des études par RBS et analyse par réactions nucléaires (NRA) de matériaux pour la photovoltaïque organique, basés sur tetraphenyldibenzoperiflanthene (DBP) comme photo-absorbant avec oxydes de métaux de transition pour injection de charge. / This thesis presents new developments in charged particle detection and digital pulse processing for application in analysis with fast ion beams - Ion Beam Analysis (IBA). In particular a charged particle detector array, consisting of 16 independent charged particle detectors on a single silicon chip is implemented giving an overall solid angle of detection around two orders of magnitude greater than the standard charged particle detectors used in IBA. Sixteen parallel data acquisition channels are implemented using a fully digital approach for nuclear pulse processing. The overall system has an energy resolution equivalent to that of standard detectors. The large amount of data generated is handled in a self-consistent way by spectrum fitting with a simulated annealing algorithm via the NDF DataFurnace. The large solid angles thus achieved are exploited in Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) and ion channelling studies of the topological insulator Bi2Se3 enriched in Fe, in view of studies of the thermo-electric effect, spintronics and quantum computing, and in RBS and Nuclear Reaction Analysis (NRA) studies of organic photovoltaic materials based on tetraphenyldibenzoperiflanthene (DBP) as the photo-absorber and transition metal oxide charge injectors.

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

Au cours des dernières décennies, les chromophores organiques “push-pull” ont vu leur intérêt grandir en raison de leurs applications potentielles dans les domaines des transistors à effet de champ, de l'optique non linéaire, des OLEDs, et du photovoltaïque. Dans le cadre de la conception de cellules photovoltaïques, ces structures moléculaires correctement organisées sur une surface devraient permettre d’améliorer l’interface donneur/accepteur, l’absorption optique, et d’augmenter le volume de la couche active. Nous avons développé une synthèse en plusieurs étapes de nouvelles molécules “push-pull” comportant une tête réactive thiol autorisant la formation de monocouches moléculaires auto-assemblées (SAM) sur surfaces d’or ou d’ITO. En variant les groupements donneur, accepteur, et l’espaceur il a été possible de moduler les propriétés optiques et électroniques.Les produits obtenus possèdent une forte absorption de lumière et peuvent donc être efficaces pour le photovoltaïque. Les monocouches moléculaires finales des chromophores avec ou sans nanoparticules d’or ont été étudiées principalement par angles de contact, techniques de spectroscopie IR, UV-Vis, XPS, et par microscopie à sonde locale (STM, AFM). Les matériaux ainsi obtenus à base de SAMs de chromophores “push-pull” et de nanoparticules de métaux nobles ont ensuite caractérisés électriquement et optiquement pour évaluer leur utilisation potentielle pour la conversion de l’énergie photovoltaïque. / During the past decades, the synthesis of organic donor-acceptor (D/A) “push-pull” chromophores has been of considerable interest because of their potential use in nonlinear optics, LEDs, field effect transistors, and photovoltaics (PV). As a part of the design of the PV cells, these molecular structures correctly arranged on a surface should improve the donor/acceptor interface, the optical absorption, and increase the volume of the active layer. We have developed a multi-step synthesis of new “push-pull” molecules bearing a thiol reactive group enabling to form self-assembled monolayers (SAM) on gold or ITO surfaces. Combining various donor, acceptor, and spacer moieties we could tune the “push-pull” optical and electronic properties. The obtained “push-pull” products exhibit a high light absorption and can thus be effective in PV applications. Final SAMs with and without nanoparticles were studied mainly by contact angles, UV-vis, IR and XPS spectroscopy, ellipsometry and near-field microscopy (STM and AFM). As-obtained organic layers were then electrically and optically characterized to assess their potential use in the field of PV energy conversion.