Cette thèse concerne le couplage des systèmes photovoltaïques (PV) au réseau de distribution du point de vue contrôle/commande et rejet de perturbation. Le raccordement au réseau induit des couplages aux effets parfois indésirables. Le problème majeur est dû aux creux de tension provoqué par des court-circuits, à la foudre ou encore à certaines manœuvres. Dans ce contexte, des déconnexions apparaissent et parfois sont non-jutifiées, tout particulièrement en cas de défaut sur un départ adjacent BT/HTA; en cas d'un fort taux de pénétration de systèmes PV, une telle déconnexion qui serait généralisée peut avoir des conséquences néfastes. Les travaux de cette thèse se sont focalisés sur ce problème de couplage : effet des systèmes PV sur le réseau et réaction des systèmes PV face aux perturbations du réseau. A cet effet, des adaptations aux protections découplage sont proposées pour une intégration harmonieuse du système PV. Des stratégies de gestion de l'énergie ont été également mises au point participation à l'amélioration de la qualité de l'énergie localement et pour la tenue des systèmes PV aux perturbations.

Compte tenu de l'utilisation envisagée du graphite comme matériau de creuset à la place de la silice frittée pour la cristallisation dirigée des lingots de silicium multcristallin de qualité photovoltaïque, un objectif majeur de la thèse était de développer un revêtement spécifique au matériau de moule sélectionné. Une première tâche de ce travail a consisté à définir très précisément les conditions de fonctionnement du couple revêtement anti-adhérent / matériau de creuset et les modifications à apporter au procédé afin d'utiliser le revêtement standard à base de poudre de Si3N4 sur graphite, La deuxième tâche de la thèse a consisté à mettre en place le procédé de moulage à partir d'une étude préliminaire basée sur une configuration simplifiée de moulage par écrasement où un morceau de silicium s'étale à l'intérieur du moule au cours de sa fusion. Le but recherché est de mettre en évidence les conséquences de la configuration " moulage " (caractérisée par un rapport élevé surface de contact / volume de Si a priori très défavorable) et des conditions thermiques (gradient et vitesse de solidification) sur l'adhérence (collage), la pollution par le revêtement et la structure cristalline du silicium.

Le stockage par supercondensateurs de l'énergie photovoltaïque est modélisé afin de disposer d'un modèle suffisamment fin et accessible permettant de les intégrer dans des chaînes de conversion de l'énergie solaire. Les supercondensateurs sont modélisés par un circuit multibranche comportant des résistances et capacités variables suivant la tension, dont les valeurs sont déterminées par une expérience de caractérisation ayant une bonne précision. Par ailleurs, tous les éléments d'une chaîne typique de conversion de l'énergie photovoltaïque sont modélisés avec le logiciel Matlab/Simulink (gisement solaire, conversion photovoltaïque des panneaux, régulateur, batterie et charges). Le modèle de stockage de l'énergie photovoltaïque par supercondensateurs est ensuite validé par la bonne concordance des mesures relevées en conditions réelles avec les résultats donnés par les simulations. Enfin, deux exemples d'exploitation du modèle sont proposés et discutés : la détermination du temps de charge des supercondensateurs suivant l'éclairement solaire et la température ambiante, et l'intégration des supercondensateurs dans la chaîne d'alimentation électrique d'un moteur à courant continu permettant de réduire les sollicitations électriques sur la batterie lors de l'appel de puissance nécessaire au démarrage du moteur

Les contextes énergétique et environnemental actuels rendent nécessaire la réduction de la consommation en énergie primaire des secteurs énergivores tels que le secteur du bâtiment. Pour y parvenir, plusieurs études se sont penchées sur la réduction des besoins de chauffage et de climatisation. Mais un autre potentiel d'amélioration réside dans l'étude de la qualité de l'énergie employée pour répondre à ces besoins. En effet, le contenu exergétique des besoins du bâtiment étant faible, il est possible de réduire le contenu exergétique de l'énergie consommée par les systèmes assurant ces besoins. Cette réduction permet de baisser la consommation en énergie primaire.Dans cette optique, une étude des interactions thermiques possibles entre un capteur PV et une pompe à chaleur a été menée. Elle vise la valorisation de l'énergie thermique à faible contenu exergétique dissipée par les panneaux photovoltaïques. Des modèles aérothermique coté PV et semi-physique du système thermodynamique de la pompe à chaleur on été développés. Cette modélisation a permis la conception d'un système global composé d'un capteur PV-T hybride, d'une pompe à chaleur et d'un ballon de stockage. Son interaction est gérée en dynamique avec un modèle de bâtiment basse consommation via un outil de simulation thermique du bâtiment. Une étude énergétique et exergétique a permis d'évaluer le potentiel de ce système en le comparant avec des systèmes classiques. Un banc d'essai dédié à la validation du modèle de la pompe à chaleur a été réalisé. Une maison basse consommation a été construite. Le système conçu y a été installé et instrumentalisé. Les données recueillies ont permis une validation expérimentale du modèle global.

La cellule photovoltaïque à porteurs chauds se caractérise par une population électronique hors équilibre thermique avec le réseau, ce qui se traduit par une température électronique supérieure à la température du matériau. Il devient alors possible de récupérer non seulement l'énergie potentielle des porteurs, mais également leur énergie cinétique, et donc d'extraire un surcroît de puissance qui n'est pas exploitée dans des cellules conventionnelles. Cela permet d'atteindre des rendements potentiels proches de la limite thermodynamique. L'extraction des porteurs hors équilibre se fait au moyen de membranes sélectives en énergie afin de limiter les pertes thermiques. Dans cette thèse, l'influence de la sélectivité des contacts sur les performances de la cellule est analysée par des simulations de rendement. Il apparaît que ce paramètre est moins critique qu'annoncé dans la littérature, et que des rendements élevés sont possibles avec des contacts semi-sélectifs, permettant l'extraction de porteurs au dessus d'un seuil d'énergie. De tels contacts sont non seulement beaucoup plus facilement réalisables en pratique que des contacts sélectifs, mais sont également plus compatibles avec les densités de courant élevées qui sont attendues dans de tels dispositifs. Une méthodologie expérimentale est également proposée pour analyser la vitesse de thermalisation des porteurs hors équilibre. Des porteurs sont photogénérés par un laser continu et leur température en régime stationnaire est sondée par photoluminescence en fonction de la densité de puissance excitatrice. Un modèle empirique est obtenu reliant la puissance dissipée par thermalisation à la température électronique. Ce modèle est ensuite utilisé pour simuler le rendement de cellules présentant une thermalisation partielle des porteurs. Enfin, un rendement de cellule réaliste présentant une absorption non idéale, une vitesse de thermalisation mesurée sur des matériaux réels et des contacts semi-sélectifs est calculé. Il ressort qu'une augmentation substantielle de rendement est possible en comparaison d'une simple jonction ayant le même seuil d'absorption, mais que la vitesse de thermalisation observée est néanmoins trop élevée pour permettre de dépasser les records de rendement actuels. Des idées sont proposées afin d'améliorer les performances des structures étudiées.

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 lŠeffacement 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.

Le principal objectif de ce travail de thèse était d'imaginer, de synthétiser et de caractériser de nouveaux chromophores "push-pull" pour finalement évaluer leurs propriétés photovoltaïques en cellules solaires à colorant. Deux approches distinctes ont été développées : i) la première consiste en l'élaboration de chromophores tout-organiques de type " push-pull " basés sur un motif électro-donneur carbazole à potentiel d'oxydation élevé. Ces nouveaux colorants ont été conçus dans le but d'être utilisés avec des électrolytes à potentiel standard supérieur à celui du couple rédox I-/I3- ; ii) la seconde approche est basée sur un nouveau concept de chromophores organométalliques de type ruthénium-acétylure. Ces chromophores ont été développés dans le but de combiner à la fois les propriétés avantageuses d'une structure de type " push-pull " et les transferts de charges (MLCT) impliquant le motif [Ru(dppe)2], également connu pour constituer un excellent relai électronique.

Malgré son grand potentiel, l’énergie photovoltaïque n’arrive pas encore à trouver une grande place dans le paysage énergétique mondial. Elle se heurte à deux problèmes de taille : le coût et le rendement. Les cellules solaires à base du silicium multicristallin (mc-Si) perdent beaucoup de leur rendement à cause de la présence des impuretés métalliques. Plusieurs recherches ont montré que les cavités induites par implantation ionique sont efficaces dans le piégeage des impuretés. Mais les techniques utilisées dans l’implantation n’ont pas permis à ce procédé de se développer dans l’industrie à cause de leur coût élevé. Le plasma immersion ion implantation (PIII) est une technique bas coût qui permet d’implanter de grandes surfaces. Elle est utilisée dans le traitement de surface à l’échelle industrielle, mais à ce jour aucune étude n’a montré son utilisation dans le piégeage des impuretés dans le silicium. Dans cette thèse nous avons créé des cavités dans le mc-Si par implantation d’hydrogène par PIII. Plusieurs techniques de caractérisation ont été utilisées afin d’étudier le mécanisme de formation de ces cavités. La MET, la photoluminescence et les positons ont été utilisées pour avoir un maximum d’informations sur la nature et l’évolution des défauts créés par implantation d’hydrogène. Nous avons également étudié la différence entre les cavités formées par PIII et celles formées par implantation classique. Les cavités formées ont été utilisées, par la suite, pour le piégeage des impuretés métalliques présentes dans le mc-Si (Cu, Fe, Cr et Ni). Les résultats obtenus par SIMS ont monté l’efficacité de notre procédé dans le piégeage des impuretés métalliques. / Extraction of silicon metal impurities to be used for photovoltaic by plasma immersion ion implantation (PII)

En vue de limiter la dégradation par l’humidité et l’oxygène des dispositifs photovoltaïquesorganiques flexibles, les cellules solaires sont encapsulées entre des films barrières aux gaz.Malgré l’importance des procédés d’encapsulation et leur potentiel impact sur les performancesinitiales et lors du vieillissement des dispositifs, ils sont rarement étudiés dans la littérature. Enoutre, plusieurs études de vieillissement sur le terrain ont montré que la détérioration mécaniquelimitait la durée de vie des échantillons bien avant que leur stabilité photochimique ne soit miseen cause. L’adhésion entre les différentes couches composant les cellules est donc un facteurcritique afin d’obtenir des dispositifs flexibles fiables après leur mise en oeuvre et lors de leurutilisation.Dans ce travail, deux procédés d’encapsulation ont été étudiés : la lamination à rouleauxd’un adhésif sensible à la pression et la lamination sous vide d’un thermoplastique. Afin dequantifier l’adhésion de chacune des interfaces comprises dans les échantillons, la technique decaractérisation mécanique par pelage à 180° a été adaptée et ensuite appliquée aux dispositifsflexibles. De plus, des techniques de caractérisation des dispositifs par imagerie non-destructiveont été développées : la cartographie du courant induit par faisceau laser (plus courammentconnu sous l’acronyme anglais « LBIC ») et l’imagerie de luminescence sous excitation optiqueet électrique. Grace à ces techniques, l’hypothèse d’une dégradation mécanique des dispositifsdurant le procédé d’encapsulation par lamination à rouleaux a été émise. Des solutions permettantl’amélioration des interfaces identifiées comme mécaniquement faibles ont été recherchées etensuite évaluées par rapport aux performances photovoltaïques des dispositifs de référence.Les techniques d’imagerie développées précédemment ont également été appliquées durant levieillissement en condition accélérées des cellules encapsulées. Un mécanisme a été proposé,qui permet d’expliquer la localisation spatiale de la dégradation mais également le type dedégradation, optique ou électrique, survenu à chaque étape du vieillissement. / In order to limit the flexible organic photovoltaic devices degradation induced by moisture andoxygen, the solar cells are encapsulated between two gas-barrier films. Despite the importanceof the encapsulation processes and their potential influence on the initial performances as well asduring aging of the devices, they are scarcely described in the literature. Furthermore, severalfield aging studies showed that mechanical degradation could limit the devices lifetime beforetheir photo-chemical stability became an issue. Thus, adhesion between the different layerscomposing the devices is a critical factor in order to develop flexible OPV devices reliable aftertheir manufacturing and during their use.In this work, two encapsulation protocols were studied: the roll-to-roll lamination of apressure sensitive adhesive and the vacuum lamination of a hotmelt thermoplastic. In order toquantify the adhesion strength of every interface comprised in the samples, the 180° peelingtest mechanical characterization was adapted for and then applied to the flexible devices. Inaddition, non-destructive imaging characterization techniques were developed: the laser-beaminduced-current mapping and the luminescence emission imaging under optical and electricalexcitation. Thank to these techniques, the hypothesis of a mechanical degradation occurringduring the roll-to-roll lamination process was made. Answers allowing for the improvement ofthe interfaces identified as weak were searched for and evaluated with respect to the photovoltaicperformances of the reference devices. The imaging techniques previously developed were alsoapplied along the accelerated aging of encapsulated cells. A mechanism was proposed, whichallows one to explain the localization of the degradation but also the failure type, either opticalor electrical, occurring during each aging step.

La croissance de la production d’énergie solaire a conduit au développement de l’industrie des cellules photovoltaïques à base de silicium. Pour obtenir un rendement photovoltaïque élevé, tout en limitant les pertes de matière première, la recherche s’oriente sur des procédés de croissance cristalline permettant d’obtenir des lingots monocristallins de section carrée. Le développement du procédé Kyropoulos au silicium permettrait de faire croître des lingots dans un environnement ayant de faibles gradients de température. Ces conditions limiteraient la formation de défauts cristallins et favoriserait le contrôle de la croissance de quatre facettes du silicium formant une section carrée. La combinaison de ce procédé à la solidification dirigée, permettrait de faire croître un lingot cubique. Cette thèse porte sur l’adaptation d’un four de solidification dirigée pour y permettre la croissance Kyropoulos de silicium. Pour cela, une installation expérimentale est développée et les phénomènes physiques liés au procédé de solidification sont étudiés. Ils concernent les échanges de chaleur et de matière ainsi qu’un bilan de forces en jeu entre les différentes phases (solide/liquide/gazeuse). Les lingots de silicium obtenus sont caractérisés. / The increase of solar energy production leads to the development of silicon photovoltaic cells industry. To combine a high photovoltaic efficiency and low material losses, research evolves crystalline processes to obtain a single crystal cubic ingot. The Kyropoulos process adapted to silicon could grow ingots in a low temperature region to limited crystalline defects and could allow the growth of silicon facets to get a square section ingot. The association of the Kyropoulos and the directional solidification processes could grow a cubic ingot. This PhD thesis reaches on the development of a directional solidification furnace to succeed the adaptation of the Kyropoulos process. An experimental setup is developed and physical phenomenon taking place during the process are studied. It is about heat and mass flow. Moreover, forces established between different phases (solid/liquid/gas) are also studied. Finally, silicon ingots crystallized are characterized.