Notre étude concerne la mise en place et le développement de dépôts de carbure de silicium amorphe hydrogéné (a-SiCx:H) à basse température (370°C), par voie PECVD, sur un réacteur PECVD semi-industriel à faible fréquence (440 kHz). Les propriétés chimiques, optiques et de passivation de surface des couches déposées sont analysées et l’impact du changement des débits de gaz précurseurs (silane et méthane) est aussi étudié. La possibilité d’utiliser le a-SiCx:H comme couche anti-reflet en face avant d’une cellule solaire est envisagée. Bien que l’indice de réfraction d’une couche riche en carbone soit en accord avec la condition de lame quart-d’onde requise pour une couche anti-reflet, le coefficient d’extinction est trop élevé en raison de la proportion significative de silicium dans la couche. Cette absorption peut être atténuée par l’incorporation d’azote dans la couche (a-SiCxNy:H). En revanche, la passivation de surface s’améliore lorsque la quantité de silane augmente. La plus faible vitesse de recombinaison de surface atteinte sur les échantillons après dépôt est de 10 cm.s. / Our study deals with the deposition of amorphous hydrogenated silicon carbide (a- SiCx:H) at low temperature (370°C), by PECVD technique, using a semi-industrial lowfrequency PECVD reactor (440 kHz). The deposited films are analyzed for chemical, optical and surface passivation properties, and the impact of the gas flow parameters (silane and methane) is studied. The possible use of a-SiCx:H as an antireflective coating at the front side of solar cells is investigated. Although the refractive index for high carbon concentration could be in agreement with the demand of quarter-wave layer for antireflective coating, the extinction coefficient remains too high due to a significant silicon content in the material. This absorption can be attenuated by incorporating nitrogen in the layer. However, the surface passivation improves with the silane proportion. The lowest surface recombination velocity of an as-deposited samples is about 10 cm.s.

Cette thèse s’intéresse aux effets de la compensation des dopants sur les propriétés électriques du silicium cristallin. Nous montrons que le contrôle du dopage net, qui est indispensable à la réalisation de cellules solaires à haut rendement, s’avère difficile dans les lingots cristallisés à partir de silicium contenant à la fois du bore et du phosphore. Cette difficulté s’explique par la forte ségrégation du phosphore durant la cristallisation, qui donne lieu à d’importantes variations de dopage net le long des lingots de silicium solidifés de façon directionelle. Pour résoudre ce problème, nous proposons le co-dopage au gallium pendant la cristallisation et prouvons l’efficacité de cette technique pour contrôler le dopage net le long de lingots de type p ou n fabriqués à partir d’une charge de silicium contenant du bore et du phosphore. Nous identifions les spécificités du matériau fortement compensé ainsi obtenu comme étant: une forte sensibilité de la densité de porteurs majoritaires à l’ionisation incomplète des dopants, une réduction importante de la mobilité comparée aux modèles théoriques et une durée de vie des porteurs qui est déterminée par la densité de porteurs majoritaires et dominée après éclairement prolongé par les centres de recombinaison liés aux complexes de bore et d’oxygène. Pour permettre la modélisation de cellules solaires à base de silicium purifié par voie métallurgique, nous proposons une paramétrisation des propriétés fondamentales du silicium compensé mentionnées ci dessus. Nous étudions également la dégradation de la durée de vie des porteurs sous éclairement dans des échantillons de silicium de type p et n présentant une large gamme de niveaux de dopage et de compensation. Nous montrons que le défaut bore-oxygène est issu d’un complexe formé à partir de bore substitutionnel pendant la fabrication des lingots et activé sous injection de porteurs par une reconfiguration du défaut assistée par des charges positives. Finalement, nous appliquons le co-dopage au gallium pour la cristallisation de silicium UMG et démontrons que cette technique permet d’augmenter sensiblement la tolérance au phosphore sans compromettre le rendement matière de l’étape de cristallisation ou la performance des cellules solaires avant dégradation sous éclairement. / This thesis focuses on the effects of dopant compensation on the electrical properties of crystalline silicon relevant to the operation of solar cells. We show that the control of the net dopant density, which is essential to the fabrication of high-efficiency solar cells, is very challenging in ingots crystallized with silicon feedstock containing both boron and phosphorus such as upgraded metallurgical-grade silicon. This is because of the strong segregation of phosphorus which induces large net dopant density variations along directionally solidified silicon crystals. To overcome this issue, we propose to use gallium co-doping during crystallization, and demonstrate its potential to control the net dopant density along p-type and n-type silicon ingots grown with silicon containing boron and phosphorus. The characteristics of the resulting highly-compensated material are identified to be: a strong impact of incomplete ionization of dopants on the majority carrier density, an important reduction of the mobility compared to theoretical models and a recombination lifetime which is determined by the net dopant density and dominated after long-term illumination by the boron-oxygen recombination centre. To allow accurate modelling of upgraded-metallurgical silicon solar cells, we propose a parameterization of these fundamental properties of compensated silicon. We study the light-induced lifetime degradation in p-type and n-type Si with a wide range of dopant concentrations and compensation levels and show that the boron-oxygen defect is a grown-in complex involving substitutional boron and is rendered electrically active upon injection of carriers through a charge-driven reconfiguration of the defect. Finally, we apply gallium co-doping to the crystallization of upgraded-metallurgical silicon and demonstrate that it allows to significantly increase the tolerance to phosphorus without compromising neither the ingot yield nor the solar cells performance before light-induced degradation.

Dans un contexte où l’approvisionnement énergétique mondial du 21e siècle est un enjeu majeur, le développement de sources d’énergie renouvelables suscite l’attention croissante de la communauté scientifique et industrielle. L’énergie solaire est définitivement l’une des meilleures alternatives aux combustibles fossiles en tant que source d’énergie du monde de demain. Ce mémoire traite donc du développement de nouveaux matériaux organométalliques pour des applications de photorécoltage d’énergie en photovoltaïque et en production d’hydrogène. Le premier chapitre présente la synthèse assistée par microondes de quatre nouveaux complexes de Co(II), Ni(II), Cu(II) et Zn(II) basés sur le ligand tétra-p-méthoxyphényl-azadipyrrométhène (ADPM) avec des rendements variant de 89% à quantitatif. Ces complexes sont mis en relation avec d’autres complexes homoleptiques connus portant le tétraphényl-ADPM comme ligand ainsi qu’avec leurs chélates de BF2+ pour une meilleure compréhension des tendances engendrées par la substitution de l’agent coordonnant et/ou des substituants p-méthoxy. Pour ce faire, le comportement électrochimique et photophysique est présenté. De façon générale, la présence des quatre groupements p-méthoxy semble rendre les dérivés de cet ADPM plus susceptibles à la dégradation électrochimique en conditions d’oxydation et induire un déplacement bathochromique des propriétés optiques d’absorption et d’émission. Les structures rayons X du ligand tétra-p-méthoxyphényl-ADPM et de son complexe homoleptique de Co(II) sont aussi discutées. Cette étude a été effectuée dans l’espoir de fournir des informations utiles sur la stabilité des ADPM aux chercheurs du domaine photovoltaïque en quête de nouveaux chromophores dans le proche infrarouge (NIR). Le deuxième chapitre présente quant à lui les propriétés de senseur envers les anions F-, OAc- et H2PO4- de deux nouveaux complexes neutres de Re(I) de type mono- et dinucléaire basés sur une phénanthroline substituée en position 5 contenant un récepteur thio-urée. Ces composés ont été obtenus dans des rendements de 81% et 60%, respectivement. L’effet de la formation de ponts hydrogène lors de l’ajout d’anions versus la déprotonation du récepteur a été évalué par des titrations UV/Vis et RMN 1H et semble indiquer que la formation de la base conjuguée du récepteur est favorisée pour ce type de système. De plus, la structure rayons X d’un des précurseurs est présentée et permet une discussion sur la chiralité des complexes mono- et dinucléaire obtenus. L’obtention d’un complexe bimétallique par autoassemblage ouvre la voie à la préparation d’antennes moléculaires pour des systèmes de photosynthèse artificielle. / The world's energy supply is rapidly becoming the major issue of the 21st century. Instead of the status quo approach of finding and extracting more hydrocarbons from the ground, the development of renewable energy sources is attracting much interest from both the scientific and industrial communities. Solar energy is definitively one of the best sources to power the World of tomorrow. In such a framework, this dissertation discusses the development of new organometallic materials able to harvest solar energy for photovoltaic or H2 photoproduction applications. The first chapter presents the synthesis by a microwaves-assisted methodology of four new homoleptic complexes of Co(II), Ni(II), Cu(II) and Zn(II) based on the tetra-p-methoxyphenyl-azadipyrromethene (ADPM) ligand in yields ranging from 89% to quantitative. Those complexes are put in relation with already known ADPM homoleptic complexes of the same M(II) series and related BF2+ chelates (Aza-BODIPY) for a better understanding of trends arising from substitution of the chelate and/or electron-donating effect of the p-methoxy substituents. This is achieved by the study of electrochemical behavior of the compounds and their photophysical properties. From a general point of view, the presence of the four p-methoxy substituents leads to an electrochemical decomposition of the derivatives based on that ADPM in oxidative conditions, along with a bathochromic shift of the optical properties. X-Ray structures for the tetra-p-methoxyphenyl-ADPM ligand and related Co(II) complex are also discussed. Hopefully, this study will provide useful insights to researchers on the substituents to install for stable ADPM derivatives in their quest for NIR chromophores utilizable for photovoltaic application. The second chapter report anion sensing properties toward F-, OAc- and H2PO4- of new neutral mononuclear and dinuclear Re(I) complexes based on a 5-substituted phenanthroline moiety bearing a thiourea hydrogen-bonding receptor. Those complexes were obtained in 81% and 60% yields, respectively. The effect of hydrogen-bonding versus deprotonation of the thiourea receptor upon addition of the anions was also evaluated by UV/vis and 1H NMR titration techniques. Observations made support the hypothesis that formation of the conjugated base of the receptor is favored. In addition, an X-ray structure of the Re(I) precursor complex is reported and the chirality of the mononuclear and dinuclear complexes is discussed. Achievement of a bimetallic complex by self-assembly paves the way for the preparation of light-harvesting molecular antennae utilizable in artificial photosynthesis systems.

Ce mémoire présente le travail de recherche effectué pour la conception d'une stratégie de commande originale, destinée aux systèmes de puissance hybrides en sites isolés. Le système considéré, voué à l'alimentation électrique d'une habitation, comprend deux sources, un groupe de panneaux photovoltaïques et une petite éolienne, et deux types de stockage, un banc de batteries lithium-ion et un de supercondensateurs. Face au problème de gestion de l'énergie dans un système hybride, et aux enjeux de maximisation de sa puissance produite, nous proposons de développer une stratégie de commande basée sur les flux d'énergie. pour cela, nous présentons dans un premier temps les modélisations d'Euler-Lagrange et hamiltonienne du système. Ces modèles permettent d'utiliser la propriété de passivité de celui-ci, et ainsi de synthétiser des commandes par injection d'amortissement pour chaque source, afin de maximiser sa production, et pour les supercondensateurs, dans le but d'assurer une répartition cohérente des flux d'énergie entre eux et les batteries. Les commandes sont finalement mises en œuvre dans un simulateur, puis dans un banc d'essai expérimental, afin d'une part de comparer leurs performances à celles de solutions préexistantes, et d'autre part de valider le bon fonctionnement du système hybride complet les utilisant.

Le thermo-photovoltaïque (TPV), conversion du rayonnement thermique par des cellules photovoltaïques (PV), est un dispositif qui a suscité un intérêt croissant depuis deux décennies, notamment pour son efficacité supérieure à celle de la conversion photovoltaïque classique. Ceci est essentiellement dû à l'accord entre le spectre du rayonnement de la source thermique et le spectre de conversion de la cellule PV. Les rendements maximaux sont obtenus pour des sources thermiques cohérentes, émettant dans une gamme spectrale étroite, énergétiquement au-dessus de l'énergie de la bande interdite de la cellule PV. On propose dans ce travail d'appliquer une méthode d'optimisation stochastique, en l'occurrence l'optimisation par essaims de particules, pour concevoir et optimiser de telles sources. On aboutit alors à des structures unidimensionnelles simples, à base de films minces de diélectriques, métaux et de semi-conducteurs. Les propriétés radiatives de ces sources, stables pour des températures allant jusqu'à 1000 K, sont aisément contrôlables à l'aide de paramètres simples comme les épaisseurs des films ou la concentration de dopage. Finalement, on propose une étude d'optimisation paramétrique des propriétés optiques des matériaux susceptibles de maximiser l'échange radiatif en champ proche entre deux milieux plans semi-infinis. Cette étude aboutit à un outil pratique, sous forme d'abaques, permettant de guider le choix des matériaux pertinents afin de maximiser les puissances au même temps que l'efficacité des systèmes TPV nanométriques.

Les batteries à usage photovoltaïque subissent des conditions opératoires pénalisantes liées à la non maîtrise de l'énergie disponible. Les effets peuvent en être minimisées par une stratégie de gestion optimisée. Cette étude concerne la recharge à courant pulsé des batteries au plomb, les plus utilisées dans ces systèmes. Les effets de cette recharge sont mis en évidence sur des cellules de laboratoire et sur des batteries commerciales. L'influence des paramètres fréquence, rapport cyclique et taux de charge sur les profils de tension est étudiée de manière précise. Dans une seconde approche, un modèle simplifié de la batterie au plomb a été développé et validé après analyse de sa sensibilité aux paramètres ajustables. Il décrit les phénomènes de transport dans l'électrolyte de manière globale par un temps caractéristique fonction de l'état de charge, et rend bien compte des réponses en tension de la batterie après introduction des termes de non idéalité dans les tensions interfaciales.

Alors que la région Provence-Alpes-Côte d’Azur (PACA) a connu des oppositions fortes à l’implantation de grandes infrastructures dans des espaces naturels au début des années 1990, le développement de parcs solaires depuis le milieu des années 2000 n’a pas suscité beaucoup de réactions conflictuelles. Pour expliquer ce contraste, l’auteur dresse un inventaire des projets et des acteurs impliqués dans la filière photovoltaïque, puis documente les processus d’élaboration de six projets particuliers en étant attentif à comment l’histoire politique de la commune, les transformations du peuplement et les expériences récentes d’aménagement du territoire viennent à être prises en compte par les acteurs impliqués dans la promotion des parcs solaires. L’analyse de ces matériaux met au jour un entrelacement de phénomènes localisés de réduction du risque conflictuel qui tiennent d’abord à la manière dont s’invente la déclinaison locale d’une politique publique nationale d’encadrement de ce secteur et aux phénomènes d’apprentissage qu’elle impose aux acteurs des entreprises solaires et des collectivités locales en quête de cadre réglementaire attractif et stable. Le fort développement des parcs solaires en PACA et la faible conflictualité qui l’accompagne expriment ainsi la façon par laquelle une injonction au développement durable vient à s’actualiser dans des territoires à faible densité de population : comme un compromis social conciliant le souci de patrimonialiser les espaces et le besoin d’équipements associés à l’expérience urbaine d’une partie de cette population. / While the Provence region experienced strong opposition to the installation of large infrastructures in natural areas in the early 1990s, the development of solar plants in the mid-2000s not aroused many conflicting reactions. To explain this contrast, the author draws up an inventory of the projects and actors involved in the photovoltaic sector. Then, he documents the processes of elaboration of six particular projects, looking at the political history of the commune, the transformations of the population and the recent experiences of spatial planning are taken into account by the actors involved in the promotion of solar plants. The analysis of these materials reveals an intertwining of local phenomena of reduction conflicting risks. In first, these are the result of the local invention of the application of a national public policy of supervision of this sector and learning that is required of the actors of solar companies and local authorities in search of an attractive and stable regulatory framework. Secondly, these phenomena refer to the discussion spaces that are activated at the municipal level to adjust projects to representations of populations, whether in the office of the mayor, before the municipal council or at a public meeting. The strong development of solar plants in Provence and the low level of conflictuality observed thus express the way in which the injunction to sustainable development is actualized in territories with a low population density: as a social compromise conciliating space heritage and need for equipment due to the urban experience of part of this population.

Ce mémoire présente le travail de recherche effectué pour la conception d'une stratégie de commande originale, destinée aux systèmes de puissance hybrides en sites isolés. Le système considéré, voué à l'alimentation électrique d'une habitation, comprend deux sources, un groupe de panneaux photovoltaïques et une petite éolienne, et deux types de stockage, un banc de batteries lithium-ion et un de supercondensateurs. Face au problème de gestion de l'énergie dans un système hybride, et aux enjeux de maximisation de sa puissance produite, nous proposons de développer une stratégie de commande basée sur les flux d'énergie. pour cela, nous présentons dans un premier temps les modélisations d'Euler-Lagrange et hamiltonienne du système. Ces modèles permettent d'utiliser la propriété de passivité de celui-ci, et ainsi de synthétiser des commandes par injection d'amortissement pour chaque source, afin de maximiser sa production, et pour les supercondensateurs, dans le but d'assurer une répartition cohérente des flux d'énergie entre eux et les batteries. Les commandes sont finalement mises en œuvre dans un simulateur, puis dans un banc d'essai expérimental, afin d'une part de comparer leurs performances à celles de solutions préexistantes, et d'autre part de valider le bon fonctionnement du système hybride complet les utilisant. / This thesis presents the research about design of a new control strategy for stand-alone hybrid power systems. The considered system is composed of two sources, a group of photovoltaic panels and a low-power wind generator, and of two kinds of storage, a bank of lithium-ion batteries and one of supercapacitors. Faced with the problem of energy management in a hybrid power system, and with necessity of maximizing the produced power, we intend to develop an energy-based control strategy.For this purpose, we present the system's Euler-Lagrange modeling and Hamiltonian modeling. These models allow the use of the passivity property, and then the design of Passivity-Based Controllers for each source, in order to maximize its production, and for the supercapacitors, to ensure a fitted power sharing between batteries and them. The controllers are finally implemented in a simulator, and then in a experimental test bench, in order to compare their performances to pre-existent solutions, and tovalidate the control law for the global hybrid system.

Dans le cas des installations photovoltaïques, l’onduleur est le premier élément défaillant dont il est difficile d’anticiper la panne, et peu d’études ont été faites sur la fiabilité de ce type de convertisseur. L'objectif de cette thèse est de proposer des outils et méthodes en vue d'étudier le vieillissement des modules de puissance dans ce type d'application en se focalisant sur les phénomènes de dégradation liés à des aspects thermomécaniques. En règle générale, le vieillissement accéléré des modules de puissance est effectué dans des conditions aggravées de courant (Cyclage Actif) ou de température (Cyclage Passif) pour accélérer les processus de vieillissement. Malheureusement, en appliquant ce type de vieillissement accéléré, des mécanismes de défaillances qui ne se produisent pas dans la vraie application peuvent être observés et, inversement, d'autres mécanismes qui se produisent habituellement peuvent ne pas apparaître. La première partie de la thèse se focalise donc sur la mise en place d'une méthode de vieillissement accéléré des composants semi-conducteurs des onduleurs photovoltaïques. Cela est fait en s’appuyant sur l’analyse des profils de mission du courant efficace de sortie des onduleurs et de la température ambiante, extraits des centrales photovoltaïques situées au sud de la France sur plusieurs années. Ces profils sont utilisés pour étudier les dynamiques du courant photovoltaïque, et sont introduites dans des modèles numériques pour estimer les pertes et les variations de la température de jonction des semi-conducteurs utilisés dans les onduleurs, en utilisant l’algorithme de comptage de cycles "Rainflow". Cette méthode est ensuite mise en œuvre dans deux bancs expérimentaux. Dans le premier, les composants sous test sont des modules IGBT. Les composants sont mis en œuvre dans un banc de cyclage utilisant la méthode d'opposition et mettant en œuvre le profil de vieillissement défini précédemment. Un dispositif in-situ de suivi d'indicateurs de vieillissement (impédance thermique et résistance dynamique) est également proposé et évalué. Le deuxième banc est consacré à l'étude de modules de puissance à base de MOSFET SiC. Le vieillissement est effectué dans les mêmes conditions que pour les modules IGBT et de nombreux indicateurs électriques sont monitorés mais, cette fois ci, en extrayant les composants de l'onduleur de cyclage. Les résultats obtenus ont permis de déterminer des indicateurs de vieillissement d’IGBT et de MOSFET SiC utilisés dans un onduleur photovoltaïque / In the case of photovoltaic installations, the DC/AC inverter has the highest failure rate, and the anticipation of its breakdowns is still difficult, while few studies have been done on the reliability of this type of inverter. The aim of this PhD is to propose tools and methods to study the ageing of power modules in this type of application, by focusing on ageing phenomena related to thermo-mechanical aspects. As a general rule, the accelerated ageing of power modules is carried out under aggravated conditions of current (Active Cycling) or temperature (Passive Cycling) in order to accelerate the ageing process. Unfortunately, when applying this type of accelerated ageing tests, some failure mechanisms that do not occur in the real application could be observed, while inversely, other mechanisms that usually occur could not be recreated. The first part of the PhD focuses on the implementation of an accelerated ageing method of the semiconductor devices inside photovoltaic inverters. This is accomplished by analyzing the mission profiles of the inverter’s output current and ambient temperature, extracted over several years from photovoltaic power plants located in the south of France. These profiles are used to study photovoltaic current dynamics, and are introduced into numerical models to estimate losses and junction temperature variations of semiconductors used in inverters, using the cycle counting algorithm “Rainflow”. This method is then performed in two experimental test benches. In the first one, the devices under test are IGBT modules, where the accelerated ageing profile designed is implemented using the opposition method. Moreover, an in-situ setup for monitoring ageing indicators (thermal impedance and dynamic resistance) is also proposed and evaluated. The second bench is devoted to study the ageing of SiC MOSFET power modules. The accelerated ageing test is carried out under the same conditions as for the IGBT modules with more monitored electrical indicators, but this time by disconnecting the semiconductor devices from the inverter. The results obtained allowed to determine several potential ageing indicators of IGBTs and SiC MOSFETs used in a photovoltaic inverter

L’exploitation des couches interfaciales à base de d’oxydes métalliques ouvre des perspectives nouvelles dans le domaine des cellules photovoltaïques organiques (PVOs).Cette thèse s’inscrit dans le développement, la caractérisation et l’analyse de couches interfaciales, à base d’oxyde de zinc (ZnO), déposées par pulvérisation cathodique, dans l’élaboration de dispositifs solaires compatibles avec des substrats flexibles et des procédés « roll-to-roll ». Après un état de l’art du domaine, une première étude sera consacrée à l'apport et à l’optimisation des dépôts par pulvérisation cathodique des films de ZnO sur des couches actives de P3HT:PCBM dans le cas de structures conventionnelles. Une seconde partie mettra en évidence l'importance des procédés de recuit des couches de ZnO déposées sur des substrats flexibles ou rigides à base d’ITO pour des structures inverses de cellules PVOs flexibles. Suite à ces études, l’élaboration de ces dispositifs sera testée et validée à partir de techniques inspirées de la lithographie douce. L’interfaçage des films de ZnO avec de nouveaux matériaux tel que le graphène sera également abordé dans ces recherches. / Exploring interfacial layers based on metal oxides opens new perspectives in the field of organic photovoltaic (OPV). This thesis takes place in development, characterization and analysis of Zinc Oxide (ZnO) based interfacial layers, deposited by sputtering in the preparation of solar cells devices compatible with flexible substrates and "roll-to-roll" process. After a state of art, the first study will focus on contribution and optimization of ZnO films sputtered on active layer (P3HT:PCBM) for conventional structures. A second study will highlight the importance of annealing processes of ZnO layers deposited on flexible and rigid substrates based on ITO for inverse flexible solar cells. Following these studies, the development of the devices will be tested and validated using printing techniques inspired from soft lithography. Finally, new materials as graphene will be interfaced with ZnO layers and discuss in this research.