La présente thèse porte sur l'utilité de la théorie de la fonctionnelle de la densité dans le design de polymères pour applications photovoltaïques. L'étude porte d'abord sur le rôle des calculs théoriques pour la caractérisation des polymères dans le cadre de collaborations entre la théorie et l'expérience. La stabilité et les niveaux énergétiques de certaines molécules organiques sont étudiés avant et après la sulfuration de leurs groupements carbonyles, un procédé destiné à diminuer le band gap. Les propriétés de dynamique électronique, de séparation des porteurs de charges et de spectres de vibrations Raman sont également explorées dans un polymère à base de polycarbazole. Par la suite, l'utilité des calculs théoriques dans le design de polymères avant leurs synthèses est considérée. La théorie de la fonctionnelle de la densité est étudiée dans le cadre du modèle de Scharber afin de prédire l'efficacité des cellules solaires organiques. Une nouvelle méthode de design de polymères à faible band gaps, basée sur la forme structurale aromatique ou quinoide est également présentée, dont l'efficacité surpasse l'approche actuelle de donneur-accepteur. Ces études sont mises à profit dans l'exploration de l'espace moléculaire et plusieurs candidats de polymères aux propriétés électroniques intéressantes sont présentés. / This thesis focuses on the role of density functional theory in the design of polymers for photovoltaic applications. Theoretical calculations are first studied in the characterization of polymers in the context of collaborations between theory and experiment. The stability and the energy levels of some organic molecules are studied before and after a sulfurization of their carbonyl groups, a process destined to lower the band gaps. The dynamics of the electronic processes and the Raman vibration spectra are also explored in a polycarbazole-based polymer. From then, the usefulness of theoretical calculations in the design of polymers before their syntheses is explored. Density functional theory calculations are studied under the Scharber model in order to predict the efficiency of organic solar cells. Then, a new approach for the design of low band gap polymer based on the aromatic or quinoid structures is established, whose efficiency surpasses the actual donor-acceptor approach. These studies are used in the exploration of the chemical space and several candidate for polymers with interesting electronic properties are presented.

La présente thèse porte sur les calculs utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour simuler des systèmes dans lesquels les effets à longue portée sont importants. Une emphase particulière est mise sur les calculs des énergies d’excitations, tout particulièrement dans le cadre des applications photovoltaïques. Cette thèse aborde ces calculs sous deux angles. Tout d’abord, des outils DFT déjà bien établis seront utilisés pour simuler des systèmes d’intérêt expérimental. Par la suite, la théorie sous-jacente à la DFT sera explorée, ses limites seront identifiées et de nouveaux développements théoriques remédiant à ceux-ci seront proposés. Ainsi, dans la première partie de cette thèse, des calculs numériques utilisant la DFT et la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT) telles qu’implémentées dans le logiciel Gaussian [1] sont faits avec des fonctionnelles courantes sur des molécules et des polymères d’intérêt expérimental. En particulier, le projet présenté dans le chapitre 2 explore l’utilisation de chaînes latérales pour optimiser les propriétés électroniques de polymères déjà couramment utilisés en photovoltaïque organique. Les résultats obtenus montrent qu’un choix judicieux de chaînes latérales permet de contrôler les propriétés électroniques de ces polymères et d’augmenter l’efficacité des cellules photovoltaïques les utilisant. Par la suite, le projet présenté dans le chapitre 3 utilise la TDDFT pour explorer les propriétés optiques de deux polymères, le poly-3-hexyl-thiophène (P3HT) et le poly-3-hexyl- sélénophène (P3HS), ainsi que leur mélange, dans le but d’appuyer les observations expérimentales indiquant la formation d’exciplexe dans ces derniers. Les calculs numériques effectués dans la première partie de cette thèse permettent de tirer plusieurs conclusions intéressantes, mais mettent également en évidence certaines limites de la DFT et de la TDDFT pour le traitement des états excités, dues au traitement approximatif de l’interaction coulombienne à longue portée. Ainsi, la deuxième partie de cette thèse revient aux fondements théoriques de la DFT. Plus précisément, dans le chapitre 4, une série de fonctionnelles modélisant plus précisément l’interaction coulombienne à longue portée grâce à une approche non-locale est élaborée. Ces fonctionnelles sont basées sur la WDA (weighted density approximation), qui est modifiée afin d’imposer plusieurs conditions exactes qui devraient être satisfaites par le trou d’échange. Ces fonctionnelles sont ensuite implémentées dans le logiciel Gaussian [1] et leurs performances sont évaluées grâce à des tests effectués sur une série de molécules et d’atomes. Les résultats obtenus indiquent que plusieurs de ces fonctionnelles donnent de meilleurs résultats que la WDA. De plus, ils permettrent de discuter de l’importance relative de satisfaire chacune des conditions exactes. / This thesis is about calculations using density functional theory (DFT) in order to simulate systems in which long range peoperties are important. Particular emphasis is put on excitation energies, especially in the context of applications in photovoltaics. These effects are adressed in two different ways. In the first place, well-established DFT tools are used to simulate systems of experimental interest. Secondly, DFT’s underlying theory will be explored, its limits will be identified and new theoretical developments will be suggested in reponse to them. For the first part of this thesis, numerical calculations using DFT and time- dependent density functional theory (TDDFT) as implemented in the Gaussian software system [1] are done with known functionals on molecules and polymers of experimental interest. In particular, the project presented in chapter 2 explores the use of lateral chains in order to optimize electronic properties of polymers which are already widely used in organic photovoltaics. The results obtained show that a judicious choice of lateral chains can allow good control of the electronic properties of these polymers and can make photovoltaic cells using these polymers more efficient. The project presented in chapter 3 uses TDDFT in order to explore the optical properties of two polymers, poly-3-hexyl-thiophene (P3HT) and poly- 3-hexyl-selenophene (P3HS) as well as a blend of these two polymers, in order to support experimental observations indicating an exciplex formation in the blend. The numerical calculations in the first part of this thesis allow us to make a few very interesting conclusions, however they also emphasize certain limitations of DFT and TDDFT when treating excited states, due to the approximate treatment of long-range Coulombic interactions. So, the second part of this thesis comes back to the theoretical foundations of DFT. To be more precise, in chapter 4, a series of functionals better modelizing long-range Coulombic interactions based on a non-local approach is elaborated. The functionals expand upon the weighted density approximation (WDA) and impose several exact conditions which should be satisfied by the exchange hole. These functionals are implemented in the Gaussian [1] software system and their performances are evaluated with tests on a series of atoms and molecules. The results obtained show that many of these functionals improve upon the WDA and they also provide some insight on the relative importance of satisfying each of the exact conditions.

Le but de ce travail a été de développer des cellules à base d’oxyde nanoporeux photosensibilisé sur support plastique. Dans ce contexte, une nouvelle voie d’élaboration de couches de nanoparticules d’oxyde à basse température a été développée par irradiation ultraviolet sous air. Tout d’abord, des couches de dioxyde de titane ont été préparées par cette méthode, les films obtenus étant constitués d’un réseau mésoporeux de nanoparticules interconnectées de dioxyde de titane de structure anatase d’après les caractérisations effectuées par microscopie électronique à balayage, diffraction des rayons X, porosimétrie d’adsorption d’azote et d’intrusion de mercure et analyse thermogravimétrique. Après sensibilisation des couches par un complexe polypyridyle de ruthénium, les cellules photovoltaïques élaborées avec des films en contact avec un électrolyte liquide présentent des rendements de conversion énergétique compris entre 1,6 et 2,5 % suivant la nature des particules utilisées. Cette voie a ensuite été élargie à d’autres oxydes tels que l’oxyde de zinc et le dioxyde d’étain ainsi qu’à des oxydes en configuration « cœur-écorce ». Les rendements obtenus avec le dioxyde d’étain, 1,5 à 1,8%, sont tout à fait remarquables par rapport à ceux décrits dans la bibliographie pour des couches traitées à haute température. Les rendements plus élevés avec les couches traitées aux UV étant liés à une amélioration des tensions de circuit ouvert et des facteurs de forme, les phénomènes physiques régissant les performances de ces dispositifs ont été étudiés par différentes techniques, notamment la spectroscopie d’impédance électrochimique et le déclin de tension de circuit ouvert. Enfin, les performances électrochromes des films de dioxyde de titane traités aux UV ont été caractérisées sur support verre et plastique en présence d’un électrolyte liquide ionique, les efficacités de coloration étant comparables aux systèmes élaborés à haute température. / This work aimed to develop dye-sensitized solar cells on plastic substrates. In this context, a new low-temperature method to make nanoporous oxide layers based on ultraviolet irradiation under air was studied. First of all, titanium dioxide layers were prepared with this method; the films obtained were composed of a mesoporous network of interconnected anatase titanium dioxide nanoparticles as evidenced by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, nitrogen sorption and mercury porosimetries, and thermogravimetric analysis. After sensitizing the films with a ruthenium polypyridyl complex, the photovoltaic cells based on the films in contact with a liquid electrolyte gave conversion efficiencies between 1.6 and 2.5% depending on the nature of the particles used. This low-temperature method based on ultraviolet irradiation was then expanded to other oxides, such as zinc oxide and tin dioxide, as well as to core-shell structures. The conversion efficiencies obtained with tin dioxide were very high, i.e. 1.5 to 1.8%, compared to those usually reported in the literature for films sintered at high temperatures. The higher efficiencies obtained for the UV-treated films were related to higher open circuit potentials and higher fill factors. Therefore, the physical phenomena involved were investigated with various techniques; in particular, electrochemical impedance spectroscopy and open circuit voltage decay. Finally, the electrochromic performances of the low-temperature UV-processed nanoparticulate titanium dioxide films were studied on glass and plastic substrates with an ionic liquid. The coloration efficiencies were found to be comparable to those of high-temperature processed layers.

La production durable d’énergie et la recherche d’alternatives aux sources non renouvelables font l’objet d’un grand intérêt à l’heure actuelle. Le principal objectif de cette thèse était de synthétiser et étudier de nouveaux complexes organométalliques à base de Ru-acétylure, puis évaluer leurs propriétés photovoltaïques dans des cellules solaires hybrides à colorant et organique à hétérojonction volumique. Des complexes bimétalliques dissymétriques ont été développés afin d’obtenir des chromophores à absorption panchromatique, en bénéficiant d’une structure « push-pull » et du motif [Ru(dppe)2] comme excellent relai d’électron. En parallèle des complexes symétriques à un ou deux centres métalliques ont été développés, ceux-ci ont ensuite été intégrés à des cellules solaires organiques à hétérojonction volumique. Lors de cette étude, chaque dispositif a fait l’objet de différentes étapes d’optimisations dans le but d’améliorer les transferts de charges en améliorant la morphologie de la couche active. Les principales méthodes d’optimisations appliquées ont consisté à réaliser des traitements par « solvent vapor annealing », ajouter des additifs structurants et utiliser le colorant dans une matrice polymère dans un dispositif à mélange ternaire. / Today the sustainable energy production and research for alternatives to non-renewable sources attract a lot of interest. The aim of this PhD research was to synthetize and study new organometallic complexes Ru-diacetylide based, then to characterize their photovoltaic properties in hybrid dye-sensitized and organic bulk-heterojunction solar cells. To obtain panchromatic chromophores, asymmetric bimetallic complexes have been designed using [Ru(dppe)2] unit as excellent electron relay in a “push-pull” structure. In parallel, symmetric complexes have been developed with one or two metallic centres, and then they have been integrated to organic bulk-heterojunction solar cells. For this study, each device has been optimized through different steps, in order to improve charges transfers by improving morphology of the active layer. The main methods of optimization applied consisted of application of “solvent vapor annealing” treatment, addition of structure additives and addition of the dye in polymer matrix, in ternary molecules blend device.

Afin d’obtenir une approche où l’aspect industriel du projet est soutenu par les connaissances académiques et les capacités analytiques du monde de la recherche, ce travail portant sur les cellules photovoltaïques organiques souples grande surface commence par décrire l’énergie photovoltaïque dans son ensemble. Les tenants et aboutissants de son développement sont détaillés, ainsi que ses filières technologiques. Les semi-conducteurs organiques, les mécanismes physiques mis en jeu dans la production d’électricité d’origine photovoltaïque et les grandeurs électriques associées aux cellules photovoltaïques organiques ainsi que les différentes structures de celles-ci sont ensuite présentés. Les dispositifs réalisés dans le cadre de ce travail sur les cellules photovoltaïques organiques sont présentés. Les différentes techniques de dépôt de couches minces, aussi bien celles permettant la production en masse que celles permettant la production à plus petite échelle sont présentées. Cette présentation s’accompagne d’une recherche qui se veut exhaustive des publications relatant l’utilisation des ces techniques d’impression afin de créer des dispositifs photovoltaïques organiques. Une comparaison de ces différentes techniques est menée afin de déterminer les modes de production pertinents. Une étude bibliographique complète menée sur les cellules « grande surface » est présentée. Les cellules et modules réalisés grâce au procédé pilote d’enduction par héliogravure sont ensuite présentés. Le travail réalisé sur un autre procédé, le « doctor blade », est ensuite exposé. Enfin, la problématique du séchage et du recuit des couches minces déposées en continu est posée, et le traitement micro-onde proposé comme solution. / To obtain an approach where the industrial aspect of the project is supported by academic knowledge and the analytical capacities of research, this work concerning the large area flexible organic solar cells begins by describing the photovoltaic energy in general. The ins and outs of its development are detailed, as well as the different technologies involved. The organic semiconductors, the physical mechanisms involved in the photovoltaic electricity production and the physical values attached to the organic solar cells as well as the various structures of these cells are then presented. Devices realized within the framework of this work are then presented. The various techniques of depositing thin layers allowing the mass production as well as those allowing the smaller-scale production are presented. This presentation comes along with an exhaustive research of the publications telling the use of these techniques of printing to create organic photovoltaic devices. A comparison of those various techniques is led to determine the relevant means of production. A complete bibliographical study led on large area organic solar cells is presented. Cells and modules realized thanks to the experimental process of heliogravure coating are then presented. The work realized with another process called doctor blade is then exposed. Finally, the problem of the drying and annealing of the thin layers deposited continuously is raised, and the microwave treatment proposed as a possible solution.

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. / The interface between amorphous silicon (a-Si:H) and crystalline silicon (c-Si) is the building block of high efficiency solar cells based on low temperature fabrication processes. Three properties of the interface determine the performance of silicon heterojunction solar cells: band offsets between a-Si:H and c-Si, interface defects and band bending in c-Si. These three points are addressed in this thesis.First, an analytical model for the calculation of the band bending in c-Si is developed. It assumes a constant density of states (DOS) in the a-Si:H band gap. The influence of most parameters of the structure on the band bending is studied: band offsets, DOS in a-Si:H, interface defects, etc. The presence of quantum confinement at the interface is discussed. Analytical calculations and temperature dependent planar conductance measurements are compared such that the band offsets on both (p)a-Si:H/(n)c-Si and (n)a-Si:H/(p)c-Si can be estimated: the valence band offset amounts 0.36 eV while the conduction band offset is 0.15 eV. In addition, it is shown that the valence band offset is independent of temperature whereas the conduction band offset follows the evolutions of c-Si and a-Si:H band gaps with temperature. A discussion of these results in the frame of the branch point theory for band line-up leads to the conclusion that the branch point in a-Si:H is independent of the doping.Then, analytical calculations are developed further to take into account the real solar cell structure where the a-Si:H/c-Si structure is in contact with a transparent conductive oxide and an undoped buffer layer is present at the interface. Measurements of the planar conductance and of the interface passivation quality are interpreted in the light of analytical calculations and numerical simulations to open a way towards a method for the optimization of silicon heterojunction solar cells. It is particularly shown that a trade-off has to be found between a good passivation quality and a significant band bending. This can be realized by tuning the buffer layer properties (thickness, doping), the TCO-contact (high work function) and the emitter (defect density and thickness). Interestingly, an emitter with a high DOS leads to better cell performances.Finally, a new type of interface has been developed, that was not applied to heterojunction solar cells so far. The c-Si surface has been oxidized in deionized water at 80 °C before the (p)a-Si:H emitter deposition such that (p)a-Si:H/SiO2/(n)c-Si structures were obtained. A tunneling current model has been developed, implemented in the 1D numerical device simulator AFORS-HET and used to study the effect of a wide band gap interfacial layer (as it is the case for SiO2) on cell performance: the fill-factor and the short-circuit current are dramatically reduced for thick and high barriers. However, a SiO2 layer has only little impact on optical properties. Fabricated samples show a passivation quality halfway between samples with no buffer layer and with an (i)a-Si:H buffer layer: this is explained by the presence of a negative fixed charge in the oxide. The band bending in (n)c-Si is higher with an oxide layer than with an (i)a-Si:H buffer layer. Solar cells demonstrate that this new concept has the potential to achieve high power conversion efficiencies: for non-optimized structures, an open-circuit voltage higher than 650 mV has been demonstrated, while the oxide does not seem to create a barrier to charge transport.

Les systèmes à énergies renouvelables couplés à un stockage hydrogène apportent des solutions nouvelles et innovantes à l'alimentation électrique des milieux peu ou non électrifiés. Le concept de batterie H2 qui équipe ce type de système est une forme de stockage originale qui apporte l'autonomie et l'indépendance électrique pour des longues durées (typiquement stockage saisonnier). Le fonctionnement de cette batterie H2 est le suivant : un électrolyseur produit des gaz (H2 et O2) avec les surplus d'énergie de la source renouvelable ; l'hydrogène, voire l'oxygène, est ensuite stocké dans des réservoirs pour être utilisé ultérieurement grâce à une pile à combustible lorsque la source renouvelable est insuffisante. Dans cette étude, nous nous intéresserons spécifiquement au couplage entre des générateurs photovoltaïques avec une batterie H2/O2 pour l'alimentation d'un site isolé sans interruption. Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-PanH 2007-2012) et ont été menés en partenariat avec HELION Hydrogen Power, le CEA Liten et l'Université de Corse. Le projet est également labellisé par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. Tout d'abord, une réflexion générale s'appuyant sur les propriétés d'une batterie H2/O2 démontre la nécessité d'introduire une batterie (ici au plomb) pour garantir un fonctionnement instantané et sans interruption. Puis, une étude qualitative sur les architectures électriques possibles (bus de tension DC, AC…) a été menée pour s'achever sur une étude quantitative réalisée spécifiquement pour le projet PEPITE. Parallèlement à cela, différentes stratégies de gestions énergétiques ont été proposées afin d'utiliser les deux stockages dans les meilleures conditions, de limiter leur vieillissement ainsi que les pertes. Deux bancs d'essais à échelle réduite (un premier à bus DC et un second à bus AC) ont été réalisés au sein du laboratoire LAPLACE afin de valider les études et de préparer le prototype final qui sera testé sur le site de HELION Hydrogen Power au cours de l'été 2011. / Renewable energy systems coupled to a hydrogen storage bring new and innovative solutions to supply power to environments with little or no electricity. The concept of H2 battery which is a part of such system is a form of storage that gives autonomy and electric independence for long periods (typically seasonal storage). The operation of this H2 battery is this: an electrolyser produces gases (H2 and O2) with the extra energy from the renewable source. Hydrogen or oxygen is then stored in tanks for later use with a fuel cell when the renewable source becomes insufficient. In this study, we focus specifically on the coupling between photovoltaic arrays with a H2/O2 battery to supply power to a remote site without interruption. This work is part of the PEPITE Project, partially funded by the french National Research Agency (ANR-Panh 2007-2011) and was conducted in partnership with HELION Hydrogen Power, CEA-Liten and the University of Corsica. The project is also accredited by the CAPENERGIES and TENERRDIS clusters. First, a general discussion based on the properties of a H2/O2 battery demonstrates the need to introduce a secondary battery (lead in our case) to ensure an instant and uninterrupted operation. Then, a qualitative study on the possible electrical architectures (DC bus or AC bus) was conducted and resulted in a quantitative study conducted specifically for the PEPITE project. At the same time, various energy management strategies have been proposed to use both storage in the best conditions, limiting their losses and aging. Two small scale bench tests (one with a DC bus and a second with an AC bus) were performed in the LAPLACE laboratory to validate our strategies and prepare the final prototype which will be tested on the site of HELION Hydrogen Power during the summer of 2011.

L'orientation énergétique actuelle vers le développement de systèmes électriques isolés, s'est traduit par l'établissement de nouvelles directives sur les performances et la fiabilité des structures de puissance mises en oeuvre, en particulier ceux à base d'énergies renouvelables. C'est dans ce contexte que s'inscrivent ces travaux de thèse, qui aboutissent à l'élaboration de nouveaux outils destinés à l'amélioration de la qualité d'énergie et de la stabilité d'un micro-réseau autonome. Concernant l'optimisation énergétique des interfaces de conversion pour un réseau autonome, nous avons développé de nouveaux algorithmes de commande basés sur le concept de platitude des systèmes différentiels. L'avantage de cette technique réside dans la possibilité d'implémentation de régulateurs à une boucle. Cela garantit des propriétés dynamiques élevées en asservissement et en régulation. De plus, une prédiction exacte de l'évolution des variables d'états du système est possible. Concernant la stabilité des micro-réseaux autonomes, nous avons proposé des outils pour traiter les phénomènes d'instabilités, causés notamment par la perte d'informations de charges et par le phénomène de résonance des filtres d'interconnexion / The actual electrical energy demand focuses on the development of stand-alone electrical systems which leads to the definition of new directives on performances and reliability of the electrical structures, especially those based on renewable energy. The main objective of this work concerns the development of new tools to improve the power quality and the stability of autonomous micro-grid systems. In this aim, new control algorithms based on the concept of differential flatness have been developed. The main advantage of the proposed technique is the possibility of implementing one loop controllers ensuring high dynamic properties. In the same time, it allows accurate prediction of the evolution of all state variables of the system. Concerning the stability of the autonomous micro-grid systems, we proposed tools to deal with instability phenomena either caused by the loss of load information and the resonance phenomenon of the passive filters

L’évolution du contexte énergétique mondial et la lutte contre le changement climatique ont conduit à l’accroissement des capacités de production d’énergie renouvelable. Les énergies renouvelables sont caractérisées par une forte variabilité due à leur dépendance aux conditions météorologiques. La maîtrise de cette variabilité constitue un enjeu important pour les opérateurs du système électrique, mais aussi pour l’atteinte des objectifs européens de réduction des émissions de gaz à effet de serre, d’amélioration de l’efficacité énergétique et de l’augmentation de la part des énergies renouvelables. Dans le cas du photovoltaïque(PV), la maîtrise de la variabilité de la production passe par la mise en place d’outils qui permettent de prévoir la production future des centrales. Ces prévisions contribuent entre autres à l’augmentation du niveau de pénétration du PV,à l’intégration optimale dans le réseau électrique, à l’amélioration de la gestion des centrales PV et à la participation aux marchés de l’électricité. L’objectif de cette thèse est de contribuer à l’amélioration de la prédictibilité à court-terme (moins de 6 heures) de la production PV. Dans un premier temps, nous analysons la variabilité spatio-temporelle de la production PV et proposons une méthode de réduction de la non-stationnarité des séries de production. Nous proposons ensuite un modèle spatio-temporel de prévision déterministe qui exploite les corrélations spatio-temporelles entre les centrales réparties sur une région. Les centrales sont utilisées comme un réseau de capteurs qui permettent d’anticiper les sources de variabilité. Nous proposons aussi une méthode automatique de sélection des variables qui permet de résoudre les problèmes de dimension et de parcimonie du modèle spatio-temporel. Un modèle spatio-temporel probabiliste a aussi été développé aux fins de produire des prévisions performantes non seulement du niveau moyen de la production future mais de toute sa distribution. Enfin nous proposons, un modèle qui exploite les observations d’images satellites pour améliorer la prévision court-terme de la production et une comparaison de l’apport de différentes sources de données sur les performances de prévision. / The evolution of the global energy context and the challenges of climate change have led to anincrease in the production capacity of renewable energy. Renewable energies are characterized byhigh variability due to their dependence on meteorological conditions. Controlling this variabilityis an important challenge for the operators of the electricity systems, but also for achieving the Europeanobjectives of reducing greenhouse gas emissions, improving energy efficiency and increasing the share of renewable energies in EU energy consumption. In the case of photovoltaics (PV), the control of the variability of the production requires to predict with minimum errors the future production of the power stations. These forecasts contribute to increasing the level of PV penetration and optimal integration in the power grid, improving PV plant management and participating in electricity markets. The objective of this thesis is to contribute to the improvement of the short-term predictability (less than 6 hours) of PV production. First, we analyze the spatio-temporal variability of PV production and propose a method to reduce the nonstationarity of the production series. We then propose a deterministic prediction model that exploits the spatio-temporal correlations between the power plants of a spatial grid. The power stationsare used as a network of sensors to anticipate sources of variability. We also propose an automaticmethod for selecting variables to solve the dimensionality and sparsity problems of the space-time model. A probabilistic spatio-temporal model has also been developed to produce efficient forecasts not only of the average level of future production but of its entire distribution. Finally, we propose a model that exploits observations of satellite images to improve short-term forecasting of PV production.

Les performances des cellules photovoltaïques organiques de type hétérojonction en volume sont entre autres influencées par les propriétés opto-électroniques du polymère semiconducteur donneur d’électrons. L’objectif de cette thèse était de développer de nouveaux polymères π-conjugués pour permettre une meilleure exploitation du spectre solaire et donc améliorer la photogénération des charges. Pour cela, plusieurs dérivés de polythiophènes comportant des substituants aromatiques phényles ont été synthétisés par la méthode de GRIM, à noter l’homopolymère poly[(3-(4-hexylphényl) thiophène] (P3HPT) et le copolymère à blocs poly[3-(4-hexylphényl)thiophène]-bloc-poly(3-hexylthiophène) (P3HPT-b-P3HT). Nous avons également étudié une nouvelle famille de polymères à faible bande interdite basés sur l’alternance d’unités thiophène et dithiéno[3,2-b:2′,3′-d]silole riches en électrons et 2,1,3- benzothiadiazole pauvres en électrons. Après synthèse des différents monomères, les copolymères alternés ont été ensuite obtenus par polycondensation par couplage de Stille. Les différents matériaux synthétisés ont été d’abord caractérisés par analyse thermogravimétrique et par calorimétrie différentielle à balayage afin d’étudier leurs propriétés thermiques. Ensuite, des caractérisations structurales (en particulier DRX et neutrons), optiques (UV-visible) et morphologiques (AFM) ont été réalisées. A partir des résultats obtenus, nous avons pu évaluer les relations entre les structures et les propriétés des matériaux. Finalement, des cellules photovoltaïques à base des polymères synthétisés ont été réalisées et leurs performances ont été corrélées aux propriétés des matériaux. / The performances of organic solar cells based on the concept of bulk heterojunction configuration are strongly influenced by the optoelectronic properties of the electron donor polymer. The aim of this thesis was to develop new π-conjugated polymers to allow a better exploitation of the solar spectrum and thus improving the photogeneration of charges. For this,several polythiophene derivatives substituted by phenyl aromatic groups have been synthesized by the GRIM method, note the homopolymer poly[(3-(4-hexylphenyl)thiophene] (P3HPT) and the diblock copolymer poly[3-(4- exylphenyl)thiophene]-block-poly(3- hexylthiophène) (P3HPT-b-P3HT). We also studied a new family of low band gap polymers based on the alternation of electron-rich thiophene and dithieno[3,2-b:2′,3′-d]silole units andelectron-deficient 2,1,3-benzothiadiazole units. After synthesis of the various monomers, alternating copolymers were then obtained by Stille cross-coupling polycondensation. The different synthesized materials were first characterized by thermogravimetric analysis and by differential scanning calorimetry to study their thermal properties. Then, structural(especially XRD and neutron), optical (UV-visible) and morphological (AFM) characterizations were performed. From the obtained results, we were able to evaluate the relation between structures and properties of materials. Finally, photovoltaic cells based on the synthesized polymers were performed and their performances were correlated to material properties.