Ce travail est consacré à la synthèse de dérivés du polythiophène de faibles gaps conservant des potentiels d'oxydation élevés. Des thiophènes disubstitués et des bithiophènes « Donneur-Accepteur » ont été synthétisés puis polymérisés. Les chaines latérales de ces polymères, groupements donneurs ou attracteurs, ont été modifiées afin de moduler les propriétés optiques et électrochimiques du matériau. Ces polymères ont également été testés en mélange avec le PCBM en cellules photovoltaïques en réseaux interpénétrés. Les Voc délivrées par les dispositifs ont montré une dépendance linéaire en fonction du potentiel d'oxydation des polymères atteignant des valeurs de 0,8 V avec les copolymères à base de cyanothiophène et d'alkyl- ou alkoxythiophène. Malgré des rendements de 1 %, ces performances restent inférieures à celle du P3HT. Des optimisations en termes de morphologie sont certainement nécessaires. <br />En effet, la morphologie des couches actives joue un rôle primordial dans l'obtention de hauts rendements de conversion. Une technique originale de structuration du polymère à l'échelle nanométrique a été développée conduisant à l'élaboration de fibrilles de P3HT. Ces nanostructures, présentant un degré d'ordre important, se forment spontanément en solution. Leur taux par rapport au matériau amorphe est parfaitement contrôlable et ajustable en solution et sous forme de film. Les mesures de mobilités montrent une forte amélioration du transport de charge au sein de ces couches fibrillaires par rapport à un film classique de P3HT obtenu sans recuit. Des rendements de conversion photovoltaïque de 3,6 % sur verre et 3,3 % sur plastique ont été atteints sans recuit.

Dans le domaine du photovoltaïque, les cellules hybrides organiques sont une des voies les plus prometteuses, notamment grâce aux propriétés de collection de lumière des molécules de type chromophore. Les nanotubes de carbone, quant à eux, sont des nano-objets quasi unidimensionnels qui présentent des propriétés de transport exceptionnelles. La réalisation d'un couplage important entre une molécule collectrice de lumière et un nanotube de carbone représente donc une voie importante à explorer. Ce travail de recherche est consacré à l'étude du transfert d'énergie dans les composés nanotubes de carbone/chromophore. Une nouvelle méthode de fonctionnalisation non covalente des nanotubes de carbone est présentée. Basée sur une suspension micellaire de nanotubes, cette méthode permet d'obtenir un fort taux de fonctionnalisation tout en préservant les propriétés intrinsèques des nanotubes. Le transfert d'énergie est mis en évidence sur les composés nanotube/porphyrine par des mesures d'excitation de la photoluminescence sur ensemble de nanotubes ainsi que sur objets uniques. L'évaluation du rendement quantique de transfert par trois méthodes indépendantes montre un couplage de l'ordre de 100% entre la molécule et le nanotube- et ce malgré la faiblesse des interactions entre orbitales "Pi" mises en jeu dans la fonctionnalisation non covalente. Le dernier volet de ce travail est consacré à des mesures d'anisotropie à l'échelle de l'objet unique permettant d'obtenir des informations quant à l'arrangement des molécules à la surface des nanotubes.

Cette thèse traite l'étude de la fiabilité et de la durabilité des systèmes photovoltaïques (PV). Face à l'absence de retour d'expériences, réaliser une telle étude sous-entend, à la fois, de proposer des procédures expérimentales de qualification basées sur des essais accélérés conduits sur les composants critiques des systèmes PV, et de développer des outils de simulation de la fiabilité de l'assemblage de ces composants constituant un système considéré complexe. Ainsi dans un premier temps, nous nous sommes consacrés à l'étude de la fiabilité des modules PV. Une méthodologie originale basée sur les essais de dégradation accélérée nous a permis d'estimer la fiabilité de ces composants sous leurs deux modes prédominants de défaillance que sont la corrosion et la décoloration de l'encapsulant. L'originalité réside dans la prise en compte des variabilités des conditions environnementales et sur le couplage des essais accélérés et de dégradation. Un outil a été développé à cet effet. Dans un second temps, nous nous sommes placés à l'échelle des systèmes PV. Nous avons proposé de simuler certains paramètres caractérisant leur sûreté de fonctionnement en s'appuyant sur une représentation du système avec ces différents modes de fonctionnement et de dysfonctionnement (défaillances et dégradation) à l'aide de plusieurs Réseaux de Petri Stochastiques imbriqués sur plusieurs niveaux afin de se situer, pour chaque composant, aux échelles pour lesquelles les modes de défaillance pouvaient être saisis et formulés. Notre travail de thèse permet finalement de donner les bases méthodologiques et les outils de simulations pour qualifier et garantir la durée de vie de systèmes PV.

Ce travail a pour but de comprendre l'effet de la compensation du dopage sur les performances des cellules photovoltaïques à base de silicium de qualité solaire purifié par voie métallurgique. Après avoir développé la physique des matériaux compensés, l'influence de la compensation a été étudiée à l'échelle de la plaquette. Nous avons mis en évidence une forte réduction non prédite de la mobilité des porteurs. Au contraire, la compensation du dopage s'est avérée bénéfique à la durée de vie volumique. Nous avons précisé les propriétés recombinantes des dopants. L'étude a été transposée à l'échelle de la cellule. Des rendements de 16% ont été obtenus sur des cellules fortement dopées et compensées. La présence de nombreuses associations entre impuretés dopantes et défauts nous a conduits à l'élaboration d'un algorithme permettant de simuler la cinétique de ce type d'association. Enfin, deux techniques innovantes de mesure des teneurs en dopants et en oxygène interstitiel ont été présentées.

Cette thèse s'est focalisée sur le développement et l'optimisation de techniques de métallisation électrochimique permettant le dépôt de métaux conducteurs, l'argent et le cuivre, par voie électrolytique ou par la technique dite LIP (Light-Induced Plating). Deux approches ont été abordées pour l'élaboration des contacts en face avant : l'épaississement de contacts sérigraphiés d'une part, et la réalisation de contacts entièrement par voie électrochimique sans recours à la sérigraphie. Pour cette dernière solution, le dépôt d'une couche d'accroche avant l'étape d'épaississement est nécessaire afin d'assurer une résistivité de contact faible, une bonne adhérence et une bonne sélectivité au travers de la couche anti-reflet. Ces objectifs ont été atteints grâce à la mise en œuvre et l'optimisation de dépôts electroless de nickel-phosphore (NiP), y compris sur émetteur peu dopé. Les investigations menées ont également permis une meilleure compréhension des mécanismes de formation du contact NiP/Si. La faisabilité des techniques de dépôt électrochimique a été démontrée pour diverses applications: cellules avec contacts électrochimiques NiP/Ag en face avant, cellules de type n, épaississement de contacts fins sérigraphiés... Des résultats très prometteurs d'amélioration de facteur de forme FF et de rendement η ont été obtenus et permettent d'envisager une ouverture potentielle vers de nouvelles structures de cellules photovoltaïques à haut rendement : cellules à émetteur peu dopé, cellules à émetteur sélectif avec ouverture laser de la couche anti-reflet, cellules à contacts arrières....

En raison de leurs propriétés nouvelles, les matériaux composites à base de nanocristaux de silicium (nc-Si) contenus dans des matrices siliciées amorphes suscitent un intérêt grandissant pour les nombreuses applications envisagées dans les domaines de l'électronique et du photovoltaïque. La fabrication de ces nanostructures est parfaitement compatible avec les technologies existantes. Toutefois, afin d'être intégrés avec succès dans ces dispositifs, les nc-Si et leur environnement doivent avoir des propriétés maitrisées. Dans ce contexte, le travail de thèse a consisté en l'élaboration et la caractérisation de couches de carbure et nitrure de silicium contenant des nc-Si. Ces deux matrices ont retenu notre attention en raison de leur gap intermédiaire entre la silice et le silicium qui permettrait d'obtenir des propriétés améliorées pour les composants électriques. Deux techniques de fabrication ont été étudiées : la nucléation/croissance de nc-Si sur des couches minces a-SiCx par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), et le dépôt par CVD assisté par plasma pulsé (PPECVD) d'alliages a-SiNx riches en Si, suivi d'un recuit à haute température. Lors de l'interprétation des résultats, une attention particulière a été portée aux effets de surface/interface et au rôle de la matrice sur les propriétés mesurées. Après avoir étudié et maitrisé les conditions de dépôt d'alliages a-SiCx:H par PECVD, nous montrons que la nucléation/croissance de nc-Si sur une surface a-Si0,8C0,2 par LPCVD est favorisée en raison de la concentration en Si élevée de la matrice. Des densités surfaciques de nc-Si supérieures à 1012 cm-2 ont ainsi été atteintes, même pour des temps de dépôt courts ou des débits de silane faibles. Ces premiers résultats indiquent la faisabilité de ce type de structure. Une étude approfondie sur le couple nc-Si/nitrure de silicium a ensuite été menée. Les propriétés structurales, optiques et électriques de couches de nitrure contenant des nc-Si ont été caractérisées à partir d'un large éventail de techniques. Après avoir estimé la taille des nc-Si par spectroscopie Raman, la déconvolution des spectres XPS nous a permis d'expliquer les processus de formation des nc-Si lors du recuit et de proposer un modèle pour décrire la structure des interfaces nc-Si/a-Si3N4. Les propriétés optiques des nc-Si ont ensuite été déterminées par ellipsométrie spectroscopique et spectrophotométrie UV-Vis. L'élargissement du gap, le lissage des constantes diélectriques et l'augmentation du coefficient d'absorption aux faibles énergies avec la diminution de la taille des particules suggèrent un effet de confinement quantique au sein des nc-Si. Des mesures de photoluminescence résolue en temps nous ont permis de conclure que l'utilisation d'une matrice de nitrure est peu appropriée à l'étude de l'émission optique des nc-Si en raison des nombreux défauts radiatifs et non radiatifs présents dans la matrice et aux interfaces. Enfin, les mécanismes de transport des porteurs de charge à travers la couche nanocomposite ont été étudiés à partir de mesures courant-tension. En raison de son caractère percolé, la couche se comporte de façon analogue à une couche de Si polycristallin avec une faible concentration de liaisons pendantes du Si. Un effet de photoconduction attribué aux nc-Si est observé, ce qui offre des perspectives de travail intéressantes.

Pour rentabiliser la technologie des cellules solaires, une réduction du coût d'exploitation et de fabrication est nécessaire. L'utilisation de matériaux photovoltaïques a un impact appréciable sur le prix final par quantité d'énergie produite. Une technologie en développement consiste à concentrer la lumière sur les cellules solaires afin de réduire cette quantité de matériaux. Or, concentrer la lumière augmente la température de la cellule et diminue ainsi son efficacité. Il faut donc assurer à la cellule un refroidissement efficace. La charge thermique à évacuer de la cellule passe au travers du récepteur, soit la composante soutenant physiquement la cellule. Le récepteur transmet le flux thermique de la cellule à un système de refroidissement. L'ensemble récepteur-système de refroidissement se nomme module de refroidissement. Habituellement, la surface du récepteur est plus grande que celle de la cellule. La chaleur se propage donc latéralement dans le récepteur au fur et à mesure qu'elle traverse le récepteur. Une telle propagation de la chaleur fournit une plus grande surface effective, réduisant la résistance thermique apparente des interfaces thermiques et du système de refroidissement en aval vers le module de refroidissement. Actuellement, aucune installation ni méthode ne semble exister afin de caractériser les performances thermiques des récepteurs. Ce projet traite d'une nouvelle technique de caractérisation pour définir la diffusion thermique du récepteur à l'intérieur d'un module de refroidissement. Des indices de performance sont issus de résistances thermiques mesurées expérimentalement sur les modules. Une plateforme de caractérisation est réalisée afin de mesurer expérimentalement les critères de performance. Cette plateforme injecte un flux thermique contrôlé sur une zone localisée de la surface supérieure du récepteur. L'injection de chaleur remplace le flux thermique normalement fourni par la cellule. Un système de refroidissement est installé à la surface opposée du récepteur pour évacuer la chaleur injectée. Les résultats mettent également en évidence l'importance des interfaces thermiques et les avantages de diffuser la chaleur dans les couches métalliques avant de la conduire au travers des couches diélectriques du récepteur. Des récepteurs de multiples compositions ont été caractérisés, démontrant que les outils développés peuvent définir la capacité de diffusion thermique. La répétabilité de la plateforme est évaluée par l'analyse de l'étendue des mesures répétées sur des échantillons sélectionnés. La plateforme démontre une précision et reproductibilité de ± 0.14 ° C/W. Ce travail fournit des outils pour la conception des récepteurs en proposant une mesure qui permet de comparer et d'évaluer l'impact thermique de ces récepteurs intégrés à uri module de refroidissement.

Une nouvelle famille de vitrocéramiques, avec une microstructure inédite, a été fabriquée par une cristallisation contrôlée des verres dans le système GeSe2-Sb2Se3-CuI. L'influence de la composition et du processus de cristallisation des verres de base, sur la microstructure et sur l'intensité du photo-courant des vitrocéramiques a été étudiée. Une composition optimisée, le 40GeSe2-40Sb2Se3-20CuI, a été particulièrement étudiée avec des résultats suivants: (1) Après une étude systématique , il a été constaté que cette composition donne la plus forte intensité de photo-courant parmi tous les verres étudiés dans ce système pseudo-ternaire GeSe2-Sb2Se3-Cul. Il a été également démontré que le photo-courant généré par différentes vitrocéramiques est non seulement déterminé par la composition, mais aussi par la microstructure composite de la vitrocéramique, qui est déterminée par le processus de céramisation. Ce processus de céramisation a ensuite été optimisé. Par rapport au procédé de traitement thermique en deux étapes, le procédé en une seule étape à basse température est une stratégie plus appropriée pour obtenir une microstructure efficace, favorisant la séparation des charges, construisant des canaux conducteurs et donnant une intensité de photo-courant élevée dans la vitrocéramique. (2) La microstructure composite inédite, discutée ci-dessus est composée de micro-domaines conducteurs interconnectés, formées par des cristaux Sb2Se3 faiblement conducteur en forme de tiges, couverts par des nano-cristaux de Cu2GeSe3 beaucoup plus conducteurs. Le procédé le plus probable de la photo-génération efficace des charges est le suivant: les photons sont efficacement et essentiellement absorbés par Sb2Se3 ainsi que par Cu2GeSe3. Les hétérojonctions formées par les Sb2Se3 du type n et les Cu2GeSe3 du type p, favorisent la séparation de charges, tandis que les Cu2GeSe3 interconnectées et conductrices fournissent des canaux conducteurs et jouent ainsi le rôle de collecteur efficace de charges. Il en résulte ainsi une très longue durée de vie des porteurs de charge et un fort photo-courant. (3) La formation de nano-hétérojonctions entre les cristaux Sb2Se3 et Cu2GeSe3 dans un seul micro-domaine peut conduire à une séparation efficace des électrons et des trous photo-générés. Par conséquent, pour application photo-catalytique, il n'est pas nécessaire de former des canaux conducteurs (conducteurs interconnectés des micro-domaines) dans l'ensemble de la vitrocéramique. De plus, la formation de ces canaux conducteurs, nécessiterait une augmentation de la durée ou/et la température de recuit, pouvant conduire à une diminution de l'activité photo-catalytique à cause de la taille relativement grande des grains cristallins. Les vitrocéramiques optimisées montrent une bonne capacité de désamination oxydative et une forte activité photo-catalytique en général, démontrant ainsi son potentiel en tant que photo-catalyseur efficace.

L'énergie photovoltaïque est à nos jours l'une des sources intermittentes les plus développée. Plusieurs années de recherche confèrent une importante maturité à la fois aux modules et aux systèmes de extraction et traitement de son électricité. Cependant, il lui reste encore un important obstacle à franchir avant son utilisation à large échelle : la présence des ombres. Alors que plusieurs solutions ont été déjà proposées pour ce problème, la recherche sur l'ombre en tel que phénomène complexe reste embryonnaire. Cette thèse a pour but de combler ce besoin à la fois en étudiant la présence d l'ombre et en y proposant une nouvelle réponse. L'étude de l'ombre comprend la proposition d'une théorie sur l'intermittence qui prend en compte des aspect à la fois électriques et optiques. A travers de cette théorie, une relecture de la littérature est aussi proposée et donne lieu à une classification des solutions existantes en séries ou parallèles. Les solutions séries utilisent plusieurs structures d'électronique de puissance pour extraire l'énergie d'un nombre plus restreint des cellules photovoltaïques et par conséquent y confinent l'impact de l'ombre. En contre partie, les solutions parallèles utilisent des structures spéciales pour redistribuer le courant parmi les cellules ombrées et illuminées, ce qui amène à l'effacement de l'ombre. La nouvelle réponse à l'ombre proposée dans ce travail s'agit d'une structure parallèle à forte potentiel d'intégration monolithique. Inspirée de son équivalent pour les batteries, cette nouvelle topologie est applicable à plusieurs échelles mais sa commande reste un aspect à maîtriser. Son concept de base est validé au niveau d'un seul module photovoltaïque par la création d'un prototype et une validation expérimentale. Sa commande y est ensuite développée, testée et validée. Le système est capable de détecter la présence de l'ombre, choisir la meilleure stratégie pour la mitiger et l'implémenter en toute autonomie. Le résultat final est une augmentation de la puissance de sortie d'environ 40% dans certains cas.

Pour être viable économiquement, les cellules photovoltaïques organiques doivent dépasser 10 % de rendement et atteindre plusieurs milliers d'heure de durée de vie. Les cellules tandems constituent une voie probante d'augmentation des rendements. Ce travail de thèse a pour objectifs l'élaboration de cellules organiques tandems puis l'étude de leur fonctionnement et de leur vieillissement. Dans un premier temps, les paramètres gouvernant le rendement de cellules photovoltaïques organiques sont examinés sur le modèle de cellules simples à base de PCDTBT. Des caractérisations s'appuyant sur la spectroscopie d'impédance mettent en valeur le rôle joué par chacune des couches constitutives de la cellule. Dans un deuxième temps, un protocole de fabrication des cellules tandems connectées en série est établi. Celui-ci traite successivement les trois points critiques pour l'efficacité des tandems : choix des polymères aux absorptions complémentaires, puis mise au point de la couche intermédiaire (CI) et enfin optimisation des épaisseurs. Une attention particulière est portée au fonctionnement de la CI. Pour optimiser les épaisseurs, un programme de simulation des phénomènes optiques est élaboré et ses prédictions comparées aux résultats expérimentaux. Enfin, le vieillissement des cellules simples et tandems est étudié sur des temps de plusieurs centaines ou milliers d'heures. Les diminutions de performances observées sont liées à la dégradation des couches d'interface tandis que la couche active semble stable. Les cellules tandems organiques présentent un fort potentiel pour l'obtention de rendements élevés et stables dans le temps.