Cette thèse a initié en France la thématique des cellules solaires à hétérojonctions a-Si:H/c-Si. Cette technologie consiste à déposer des couches de silicium amorphe sur des substrats de silicium cristallin ce qui présente l'avantage (par rapport aux homojonctions) de fabriquer des cellules solaires à haut rendement entièrement à basse température (< 200 °C). Elle permet aussi de réaliser plus aisément des cellules sur substrats c-Si très minces (< 150 µm). Les sub-strats utilisés sont ici essentiellement des c-Si de type p. Les couches a-Si:H, pm-Si:H ou µc-Si sont déposées par RF-PECVD. Une attention particulière est portée au dépôt d'ITO, aux étapes de nettoyage et à la reproductibilité. Les cellules solaires ont été développées dans un souci constant d'industrialisation : grande surface (25 cm2) et métallisations bas coût sérigraphiées. Malgré cela, les rendements ont progressé de 9% à 17 % avec les meilleurs Vco compris entre 660 mV et 677 mV (à l'époque un record). Une excellente passivation a été obtenue avec une vitesse de recombinaison de 16 cm/s moyennée sur 25 cm2. Un travail plus théorique associant mesures ellipsométriques in situ, mesures HR-TEM et mesures de capacité, SIMS et simulations a permis d'obtenir plusieurs résultats originaux et de montrer que la physique des cellules à hétérojonctions a-Si:H/c-Si était encore mal comprise. Des paradoxes ont été découverts et élucidés concernant le rôle du « bombardement ionique », de la croissance épitaxiale et des discontinuités de bande. Une conclusion essentielle est que les discontinuités de bande du système a-Si:H/c-Si ne sont pas constantes et que leur valeur dépend (notamment) du contenu en hydrogène. Cela ouvre la voie à une ingénierie des discontinuités de bande des cellules solaires à hétérojonctions.

Les communautés Inuit du Nunavik (Québec, Canada) dépendent des énergies fossiles pour la production d'électricité et le chauffage des bâtiments. Ce projet de maîtrise a comme objectif principal d'évaluer le potentiel d'intégrer des systèmes photovoltaïques (PV) pour décarboner les bâtiments résidentiels au Nunavik. Les deux premiers chapitres de ce mémoire analysent la demande énergétique des logements sociaux, combinant une étude quantitative de données réelles de consommation électrique avec une analyse qualitative d'entrevues semi-dirigées auprès d'occupants à Quaqtaq, Nunavik. Ces travaux servent ultimement à combler le manque de données concernant la consommation énergétique dans les communautés Inuit en fournissant des informations pertinentes pour améliorer les simulations énergétiques et faciliter l'intégration de solutions énergétiques adaptées. Le troisième chapitre présente ensuite l'optimisation multiobjectif de deux systèmes solaires modélisés dans des conditions environnementales nordiques. Un système PV indépendant ainsi qu'un système PV intégré à l'enveloppe du bâtiment ont été simulés. Les résultats montrent que des systèmes photovoltaïques de taille modérée peuvent couvrir une part significative, soit au-delà de 30%, de la demande d'électricité annuelle des logements sociaux, sans considérer de stockage ou d'échange de surplus avec le micro-réseau. La portée scientifique de ce projet s'inscrit dans la transition énergétique de l'Arctique en offrant une méthodologie de dimensionnement et de positionnement d'équipement de production d'énergie solaire pour limiter la dépendance aux énergies fossiles et accroître la sécurité énergétique du secteur résidentiel dans les communautés nordiques isolées. Les limites de la recherche doivent cependant être reconnues, notamment la quantité restreinte de données et la variabilité des préférences individuelles des occupants. Les travaux futurs devraient élargir la recherche en augmentant le nombre de bâtiments étudiés et en incluant davantage de communautés. L'optimisation des systèmes en incluant la modélisation de stockage et d'échange avec le réseau devrait être priorisée afin d'évaluer la limite du potentiel de l'énergie solaire au Nunavik. L'étude du couplage du solaire avec d'autres sources d'énergie renouvelable, telles que l'hydroélectricité ou l'éolien, devrait aussi être approfondie. Enfin, en matière de développement énergétique au Nunavik, il est essentiel d'adopter une approche intégrée, participative et inclusive envers les communautés locales. / The Inuit communities in Nunavik (Québec, Canada) rely on fossil fuels for electricity generation and heating. This master's thesis aims to assess the potential of integrating photovoltaic (PV) systems to decarbonize residential buildings in Nunavik. The first two chapters of this thesis analyze the energy demand of social houses, combining a quantitative study of real electrical consumption data with a qualitative analysis of semi-structured interviews with occupants in Quaqtaq, Nunavik. These efforts ultimately address the lack of data on energy consumption in Inuit communities by providing relevant information to improve energy simulations and facilitate the integration of tailored energy solutions. The third chapter presents the multi-objective optimization of two solar systems modeled in northern environmental conditions. An independent PV system and a building-integrated system PV were simulated. The results show that moderately sized photovoltaic systems can cover a significant portion, over 30%, of the annual electricity demand for social housing, without considering storage or surplus exchange with the microgrid. The scientific contribution of this project lies in the energy transition of the Arctic by offering a methodology for sizing and positioning solar energy production equipment to reduce the dependence on fossil fuels and increase the energy security in the residential sector of isolated northern communities. The implications extend beyond academia, providing tangible solutions for decision-makers and stakeholders involved in the northern energy transition. However, research limitations, including the restricted amount of data and the variability of individual occupant preferences, must be acknowledged. Future work should broaden the research by increasing the number of studied buildings and including more communities. Optimization of systems, incorporating storage modeling and exchange with the grid, should be prioritized to assess the full potential of solar energy in Nunavik. The study of coupling solar with other renewable energy sources, such as hydroelectricity or wind power, should also be explored. Finally, in the context of energy development in Nunavik, it is essential to adopt an integrated, participative, and inclusive approach with local communities.

Le travail présenté dans cette thèse concerne l’élaboration des cellules photovoltaïques à base de polymères conjugués. Dans un premier temps, l’objectif a consisté à établir un protocole expérimental de fabrication des dispositifs. Nous avons donc choisi d’utiliser une structure classique (ITO/PEDOT : PSS/P3HT : PCBM/Al) de façon à pouvoir comparer nos résultats avec ceux de la littérature. Nous avons mené une étude systématique sur l’influence de l’atmosphère ambiante lors des étapes de pesées et de dépôt de la couche active. Nous avons poursuivi cette étude sur plusieurs paramètres : la masse molaire du polymère, le solvant utilisé, la vitesse d’accélération lors du dépôt et le recuit thermique. Nous avons montré que les rendements s’améliorent par l’insertion d’une couche transparente de PEDOT : PSS qualifié « haute conductivité ». L’efficacité de cette couche peut s’exploiter seulement dans certaine limite : le recuit au delà de 120°C conduit à la possible décomposition de ce PEDOT : PSS. De même, l’insertion d’une couche ultramince de LiF (1nm) augmente le rendement des cellules. Après avoir mis au point de protocole de fabrication des cellules solaires, nous nous sommes intéressés à l’étude des molécules réticulables pour l’amélioration de la durée de vie des dispositifs. Il s’agit des dérivés de polythiophène et pérylènediimide portant des groupements réticulables. Nous avons montré que ces molécules sont facilement réticulées par voie sol-gel ou radiation UV. Néanmoins, les performances photovoltaïques demeurent extrêmement faibles, à cause de l’attaque de la couche d’ITO par l’acide, l’effet néfaste de catalyseur et l’encombrement stérique causé par des chaînes latérales. / This contribution deals with the elaboration of polymer-based photovoltaic solar cells. At first, this work was devoted to validate the experimental procedure in our laboratory. We fabricated cells consisting of the conjugated polymer poly (3-hexylthiophene) (P3HT, electron donor) blended with a fullerene derivate [6, 6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM, electron acceptor). The optical, morphological and photovoltaic properties of cells with a structure of ITO/PEDOT: PSS/P3HT: PCBM/Al has been investigated. We showed the influence of the ambient atmosphere during weighing of compounds or during solution processing. We also studied many parameters such as the active layer thickness, the polymer molecular weight, the solvent nature and the spinning acceleration time. We studied the effect of solvent and thermal annealing treatment on the performance of organic solar cells. The power conversion efficiency was significantly improved by insertion of a layer PEDOT: PSS qualified as ?high conductivity grade?. This specific PEDOT: PSS limits the annealing temperature at 120°C since it dramatically decomposes at higher temperature. The addition of an ultra-thin LiF layer (1 nm) improved significantly the performances. We studied the potential of crosslinkable molecules as active layer: polythiophene and perylene derivatives with specific crosslinkable moities in order to improve the durability of devices. These molecules were able to crosslink by sol-gel method or UV- irradiation. However, the power conversion efficiency of cells was extremely low due to the attack of ITO by acid or due to catalysts involved.

Cette thèse discute le fonctionnement et les mécanismes mis en oeuvre dans les cellules solaires en plastique, composées de différents donneurs et accepteurs et dont l'architecture est décrite par hétérojonction/volume-hétérojonction. Une attention particulière a été portée à l'étude les conditions nécessaires pour la fabrication de cellules solaires à fort rendement, ceci de manière à aider au développement de compositions en donneur-accepteur nouvelles et plus efficaces. Une nouvelle classe de dispositifs photovoltaïques a été préparée et leurs rendements électriques ont été caractérisés. Les résultats expérimentaux obtenus avec ces dispositifs permettent une meilleure compréhension des phénomènes de génération et de dissociation d'excitons dans les cellules solaires organiques. Pour la première fois, le rubrene, un matériau organique, semiconducteur et fortement luminescent a été utilisé en tant que donneur dans l'architecture de systèmes organiques. Celui-ci nous a permis de fabriquer un appareil offrant 2 modes de fonctionnement intégrés et qui reposent sur l'utilisation respective de des propriétés photovoltaïques (PV) et électroluminescentes (EL) du rubrene. Un des résultats les plus importants a été obtenu lors de l'application de tensions extrêmement basses (< 1V) exigées pour l'émission de lumière d'un tel dispositif. Ce mode de fonctionnement est décrit comme un processus de conversion vers de plus hautes énergies (up-conversion), un phénomène rarement observé dans les hétérojonctions organiques.

L’oxyde de zinc est un semiconducteur pressenti pour une large variété d’applications optoélectroniques, biologiques ou encore détecteurs de gaz. En effet, en plus d’être un matériau abondant, il possède plusieurs propriétés remarquables comme sa large bande interdite de 3,33 eV, sa grande mobilité électronique de 200 cm²/(V.s) mais également sa capacité à croitre sous plusieurs formes nanométriques par des techniques de dépôt bas coût et facilement adaptables au milieu industriel. Les nanofils de ZnO élaborés par la technique de dépôt en bain chimique seront utilisés dans cette thèse pour leur intégration dans des cellules solaires de 3ème génération. Dans ces cellules, la morphologie des nanofils ainsi que leur dopage est primordial pour obtenir des rendements intéressants. Ce dernier aspect en particulier n’a cependant pas été étudié en détails dans la littérature concernant le dépôt en bain chimique. Ce travail présente donc une façon innovante de contrôler simultanément la morphologie et le dopage des nanofils par cette technique de dépôt. Un mécanisme de croissance et de dopage a été déterminé grâce à des simulations thermodynamiques, des mesures de pH in-situ et plusieurs méthodes de caractérisation telles que la microscopie électronique à balayage et à transmission, la diffraction des rayons X, la spectroscopie Raman en température et la microscopie à force atomique en mode électrique. Les nanofils de ZnO réalisés sont ensuite intégrés dans des cellules solaires à colorant pour étudier l’intérêt de l’optimisation des nanofils sur les performances des cellules solaires. Finalement, ces nanofils de ZnO combinés à une électrode en nanofils d’argent peuvent être intégrés sur substrat flexible pour réaliser une cellule à colorant plus légère et maniable et donc visant davantage d’applications. / Zinc oxide is a semiconductor considered for a wide range of optoelectronic, biological, or gas sensor applications. Indeed, apart from being an abundant material, it has several remarkable properties as its electronic mobility (200 cm²/(V.s)) and his ability to grow under different nano-scale shapes thanks to low cost and easily scalable deposition techniques. ZnO nanowires grown by the chemical bath deposition technique are used in this thesis for their integration in 3rd generation solar cells. In these devices as in many other applications, the nanowire mophology and electrical property are essential to get interesting efficiency. This last aspect, in particular, has never been studied in details in the literature concerning chemical bath deposition. This work introduces a new way to control simultaneously the morphology and the doping level of ZnO nanowires by this deposition technique. A growth and doping mechanism has been identified thanks to thermodynamics simulations, in-situ pH measurements, and several characterization techniques like scanning electron microscope, X-ray diffraction, temperature dependant Raman spectroscopy, and atomic force microscopy. The ZnO nanowires were also embedded in dye sensitized solar cells to study the effect of morphology and doping level on the efficiency. ZnO nanowires combined with an Ag nanowire electrode can be deposited on a flexible substrate to make a flexible dye sensitized solar cell.

Dans ce travail, nous avons appliqué des techniques de photoluminescence en régime stationnaire (PL) et photoluminescence en régime modulé (MPL) à l'étude d'hétérojonctions formées entre du silicium cristallin (c-Si) et du silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). Plus précisément, nous avons comparé des échantillons constitués de dépôts de (n)a-Si:H, (i)a-Si:H, (n)a-Si:H/(i)a-Si:H, et (p)a-Si:H/(i)a-Si:H sur des wafers de (n) c-Si de haute qualité électronique. Les mesures en fonction de la température montrent que la durée de vie des porteurs en excès diminue lorsque la température diminue, ce qui peut être qualitativement reproduit par la simulation dans un mécanisme de recombinaison de type Shokley-Read-Hall (SRH) en tenant compte du niveau d’énergie du dopant (phosphore) dans le substrat et de niveaux peu profonds électroniquement actifs à l'interface.Nous avons également étudié des échantillons dopés par implantation d'ions puis passivés par AlOx, a-Si:H et SiC. Des signatures de dislocations sont révélées à basse température par des pics supplémentaires de PL.Nous avons également comparé les résultats de cartographies de PL et de durée de vie obtenues par l'analyse de l'amplitude de MPL, et par l'analyse de son déphasage. Il est constaté que les propriétés optiques des échantillons ont un grand impact sur la cartographie PL, ce qui pourrait conduire à une conclusion erronée sur leur homogénéité. En revanche, les cartographies de durée de vie sont moins sujettes à des variations de paramètres optiques et au bruit provenant du processus de mesure, phénomènes qui ne sont pas intrinsèques à l'échantillon étudié.La nature différentielle de la mesure MPL est étudiée. Nous démontrons la notion de durée de vie à l'état stationnaire et de durée de vie différentielle. Nous analysons différents types de recombinaisons avec la durée de vie MPL et avons mis en œuvre des simulations des hétérojonctions a-Si:H/c-Si. Nous constatons que dans le domaine d'excitation intéressant pour le photovoltaïque, la durée de vie différentielle est souvent inférieure à la durée de vie à l'état stationnaire. Nous faisons aussi des comparaisons entre les durées de vie obtenues par mesures dites QSSPC et MPL et montrons qu'elles sont en fait égales.La combinaison des techniques de PL et de MPL nous a permis d'étudier le coefficient de recombinaison radiative en fonction de la température. Les résultats publiés jusqu'ici dans la littérature couvrent la plage de température de 300 K à 90 K. Dans cette plage, nos résultats sont en très bon accord avec ces résultats publiés précédemment. Mais, grâce à notre système de mesure et à la combinaison PL/MPL, nous avons obtenu des valeurs de ce coefficient jusqu’à 20 K et nous avons pu proposer une fonction polynômiale du cinquième degré qui permet de bien reproduire les variations en fonction de la température sur toute la plage de 20 K à 300 K.Dans une dernière partie de la thèse, les propriétés de transport de porteurs et l'effet de couplages sont étudiés dans des empilements de quantum dots. Nous avons examiné les quantum dots de InAs qui croissent de manière ordonnée en formant des chaînes à partir d'une couche tampon en InGaAs (couche dite de "cross hatch pattern"). Nous avons caractérisé par PL des monocouches ainsi que des multicouches empilées de chaînes de quantum dots. L'effet de couplage entre dots dans le plan est observé sur des échantillons de monocouches, et nous remarquons une inhibition du couplage vertical entre couches qui est expliqué par l'effet du champ de déformation de la couche de cross hatch pattern. / Silicon solar cells remain the driving technology and dominate the photovoltaics market. Hydrogenated amorphous silicon/crystalline silicon (a-Si:H/c-Si) heterojunction cells achieve the best efficiency in silicon cells to date (25.6%). A great part of this achievement is assigned to the improvement of the passivation of the emitter/absorber interface. In that regard, luminescence techniques whether Photoluminescence (PL) or Modulated photoluminescence (MPL), are particularly appropriate to investigate surface defects and effective carrier lifetime.In this work, we developed a PL/MPL setup coupled to a helium cooled cryostat to the study of a-Si:H/c-Si heterojunctions. Considering the modulated nature of the MPL, we introduced the concept of steady state lifetime and differential lifetime. Through simulations, we analyzed different types of recombination mechanisms and found that the differential lifetime is lower than the steady state lifetime. We also benchmarked the lifetime determined by photoconductance decay measurements and the MPL lifetime and demonstrated that they are actually equal.We have analyzed various samples of a-Si:H/c-Si heterojunctions from multiple sources, particularly within the framework of the European project HERCULES (High Efficiency Rear Contact solar cells and Ultra powerful moduLES). The samples are composed of various doping and passivation layers such as AlOx, a-Si:H and a-SiC:H fabricated on high quality (n)c-Si wafers. The temperature dependent measurements show that the excess carrier lifetime decreases when temperature decreases, which is explained by the Shockley-Read-Hall recombination model at the heterojunction interface. The combination of PL and MPL measurements have enabled us to determine the radiative recombination coefficient in crystal silicon as a function of temperature. Our measurements have extended the original data to 20 K. We propose a fifth order polynomial of the radiative recombination coefficient as a function of temperature in the range of 20 to 300 K and it agrees very well to others’ work.We also investigated the possibility to extend the system to carry out PL and MPL mapping in order to extract the cell homogeneity and the lifetime distribution across the sample. We found that the optical property of sample has a significant impact on the PL mapping and could lead to incorrect conclusion with respect to the homogeneity. However the lifetime mapping from MPL produces imaging that is less prone to variation of optical properties.At last, we utilized the temperature dependent micro PL to investigate the coupling of InAs quantum dot chains (QDC) stacks grown on InGaAs cross hatch patterns separated with a 10 nm GaAs layer. The PL spectra are dominated by the top-most stack, indicating that the QDC layers are nominally uncoupled. However, under the high excitation power densities achievable with the micro PL system, when the high-energy peaks of the top stack are saturated, low-energy PL peaks from the bottom stacks emerge as a result of the carrier transfer across the GaAs spacers. These unique PL signatures contrast with the state-filling effects in conventional, coupled QD stacks and serve as a means to quickly assess the presence of electronic coupling in stacks of dissimilar-sized nanostructures.

Depuis leur découverte, les matériaux organiques π-conjugués retiennent l'attention des chercheurs. Ces molécules semi-conductrices sont intéressantes pour leurs propriétés optoélectroniques, leur coût compétitif et leur bonne solubilité dans les solvants usuels. Ce dernier attribut leur permet d'être imprimées à grande échelle via différentes méthodes d'impression, ouvrant la porte au domaine de l'électronique imprimée. L'une des applications possibles de ces semi-conducteurs est comme matériaux actifs en cellules photovoltaïques organiques (OPV, pour organic photovoltaics). En effet, deux matériaux π-conjugués peuvent constituer la couche active du dispositif pour générer un photocourant : un semi-conducteur de type p (donneur d'électrons) et un semi-conducteur de type n (accepteur d'électrons). Depuis les 20 dernières années, des polymères π-conjugués ont été principalement étudiés comme matériaux de type p. Bien que plusieurs structures moléculaires présentent des performances très compétitives tout en permettant une stabilité accrue, leur synthèse peut être parfois complexe et coûteuse. Classiquement, des dérivées du fullerène étaient utilisés comme matériaux de type n avec ces polymères. Cependant, celui-ci participe très peu à l'absorption de la lumière et présente certains inconvénients face à la stabilité du dispositif. Une nouvelle gamme de matériaux de type n a fait son apparition depuis 2015 : les petites molécules π-conjugués de type n (NFA, pour non-fullerene acceptors). Ces nouvelles structures permettent d'atteindre continuellement de nouveaux records d'efficacité en cellules photovoltaïques organiques. Ce projet de doctorat vise à étudier différents aspects menant à un dispositif photovoltaïque organique à l'affut des enjeux de la mise à l'échelle. Afin d'obtenir des matériaux polymères performants et peu coûteux, la réaction de polymérisation doit être minutieusement optimisée. Dans un premier temps, l'étude de la polymérisation par (hétéro)arylation directe (DHAP) a été effectuée sur un polymère de type p connu, le PPDT2FBT. La DHAP réduit grandement le coût final du matériau, mais nécessite beaucoup d'optimisation par rapport aux méthodes classiques. Ensuite, ce polymère a été étudié en OPV en gardant l'objectif de la mise à l'échelle des dispositifs. Suivant ces résultats, les travaux ont visé à développer de nouveaux matériaux de type n à jumeler avec ce premier polymère. Vue la complexité synthétique de ces matériaux, des méthodes computationnelles ont été utilisées afin de modéliser les propriétés optoélectroniques. Dans un premier volet, ces méthodes computationnelles ont été méticuleusement optimisées pour ces types de molécules. Ensuite, ces méthodes ont été utilisées pour la conception de nouveaux matériaux de type n. Les travaux de cette thèse montrent de nombreux avancements dans différents aspects de la fabrication de cellules photovoltaïques organiques, soit la conception des matériaux, leur synthèse et la fabrication du dispositif. En plus de matériaux π-conjugués étudiés de façon expérimentale, le développement de plusieurs outils, tant synthétiques que computationnels, ont fait l'objet de ce projet. Les dispositifs les plus performants étudiés dans cette thèse ont montré des efficacités de conversion de puissance au-dessus de 8% et ce, en respectant plusieurs critères de la mise à l'échelle. / Since their discovery, organic π-conjugated materials have gained a lot of attention in the field of functional materials. These semiconducting molecules are particularly interesting for their optoelectronic properties, competitive cost and solubility in common solvents, which enables ink processability. This aspect allows these semiconductors to be fully printed at a large scale, opening-up the field of printed electronics. One of the applications for these materials is as organic photovoltaics (OPVs). In these devices, two semiconductors are integrated in the active layer: a p-type and an n-type material. Most research from the last 20 years has focused on π-conjugated polymers as p-type. Even though several highly efficient molecular structures have been developed, their synthetic complexity remains an issue regarding the material cost. On the other hand, fullerene derivatives were mainly used as n-type materials with these polymers. However, they have poor contributions to the light-harvesting capacity of the photovoltaic cell. More recently, a new class of n-type materials called non-fullerene acceptors (NFAs) has gained a lot of attention. These new molecular structures continuously achieve efficiency records in OPVs. The scope of this project is to study the different aspect leading to a scalable organic photovoltaic device. To get an efficient conjugated polymer at low cost, the polymerization reaction must be carefully optimized. First, this project aims to study the direct (hetero)arylation polymerization (DHAP) of the well-known p-type polymer PPDT2FBT. This polymerization method reduces the material cost, as it decreases the number of synthetic steps required for monomers. However, more optimization is needed compared to traditional methods. The fabrication of OPVs is then investigated while keeping in mind the process scalability. Following these results, NFAs have been developed to be paired with the PPDT2FBT. Since these materials are complex to synthesize, computational methods have been employed to model the optoelectronic properties. The computational methods were first optimized for several NFAs to judge their reliability. Then, they were used to design new materials for OPV. This thesis consolidates several steps in the fabrication of organic photovoltaics, from the molecular design of the organic semiconductors to their synthesis and characterization of devices. Moreover, this work has contributed by developing useful tools, both synthetic and computational. The most efficient photovoltaic device developed in this thesis showed a power conversion efficiency over 8% while having scale-up requirements.

Ce mémoire présente une étude d'un chargeur de batterie solaire avec un suiveur du point de puissance maximale (MPPT) qui a été introduit en vue d'obtenir un rendement énergétique maximal. L'interface entre le panneau solaire et la batterie a été réalisée en utilisant un convertisseur DC-DC SEPIC commandé par un microcontrôleur « PIC 18F1220 ». Grâce à la méthode Perturb & Observ (P&O) l'algorithme MPPT mesure périodiquement la tension et le courant du panneau solaire pour calculer la puissance délivrée par ce dernier. Suivant le résultat obtenu, l'algorithme ajustera le rapport cyclique du convertisseur pour amener le système vers le point de fonctionnement à puissance maximale.

L'efficacité de sources d'énergie renouvelables comme l'énergie solaire est une inquiétude croissante pour les chercheurs et les consommateurs partout dans le monde. En 2007, notre laboratoire a publié une classe de dérivées de poly-(2,7-carbazole) pour les cellules photovoltaïques organiques en jonction hétérogène nanocomposite. La caractérisation des interfaces de cette jonction hétérogène devient le principe de base pour l'optimisation de l'efficacité des cellules solaires. Au début, les procédures de fabrication des cellules seront optimisées pour développer une méthode définie et reproductible. Par la suite, la caractérisation et l'optimisation de la morphologie de la jonction hétérogène nous donneront une meilleure compréhension des paramètres qui influencent le rendement de la conversion énergétique. La microscopie à force atomique, la microscopie électronique en transmission et la microscopie de fluorescence nous ont permis de mieux qualifier et quantifier les composants de cette jonction. Toutes ces techniques peuvent à l'avenir mieux caractériser et évaluer les nouveaux polymères pour la microélectronique.

Cette thèse porte principalement sur la synthèse et l’étude d’une nouvelle famille de polymères π-conjugués à base de l’unité thiéno[3,4-d]thiazole (TTz) pour des applications en cellules photovoltaïques. En complément de cette thèse, une étude permettant d’augmenter l’étendue d’une nouvelle réaction de polymérisation, la polymérisation par hétéroarylation directe (DHAP) a été effectuée. Tout d’abord, une première série de polymères π-conjugués à base de l’unité TTz a été synthétisée en utilisant l’unité benzo[1,2-b:4,5-b’]dithiophène (BDT) comme comonomère. La caractérisation des propriétés optiques, électrochimiques et photovoltaïques de ces polymères a mené à l’obtention de résultats encourageants pour d’éventuelles applications en cellules solaires. L’étude s’est ensuite poursuivie en étudiant l’effet de l’ajout de groupements latéraux aromatiques sur l’unité TTz et sur l’utilisation de différents comonomères comportant un caractère riche ou pauvre en électrons sur les propriétés optiques et électrochimiques. Malgré l’obtention d’une large gamme de ces propriétés, les polymères synthétisés ne présentent pas, dans la plupart des cas, des caractéristiques photovoltaïques intéressantes. L’étude s’est donc poursuivie en revenant à l’étude du premier polymère synthétisé à base de BDT et de TTz (TTz-1). À partir de ce polymère, une famille de polymères a été synthétisée en ajoutant des espaceurs thiophènes et en variant la position et la longueur des chaînes alkyles dans le but d’influencer la morphologie obtenue à la suite de la fabrication de la couche active dans les dispositifs photovoltaïques. À la suite d’une optimisation rigoureuse des paramètres de fabrication des taux d’efficacité allant jusqu’à 4,89 % ont pu être obtenus avec le polymère TTz-19. En terminant, durant les travaux qui ont été réalisés pour cette thèse, une nouvelle réaction de polymérisation a été utilisée. Suivant des études déjà entreprises dans notre laboratoire, nous avons étudié l’étendue de cette réaction avec deux nouveaux composés pauvres en électrons, le furo[3,4-c]pyrrole-4,6-dione (FPD) et le sélénophéno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione (SePD). Cette étude a finalement démontré que la DHAP pouvait être appliquée efficacement à ces deux nouveaux monomères. / This thesis deals with the synthesis and the study of a new family of π-conjugated polymers based on the thieno[3,4-d]thiazole (TTz) moiety for their applications in photovoltaic devices. Complementary to this study, we also investiguated the scope of a new polymerization reaction, the direct (hetero)arylation polymerization (DHAP). First of all, a first series of conjugated polymers was synthesized by using the TTz moiety in combination with the benzo[1,2-b:4,5-b’]dithiophène (BDT) moiety as comonomer. The optical, electrochemical and photovoltaic characterization of those polymers led to interesting results regarding eventual applications in photovoltaic devices. Then, the study focused on the effet of the addition of aromatic lateral groups on the TTz moiety and the utilization of diffent electron-poor or electron-rich moieties as comonomers on the polymer optical and electrochemical properties. Even though a large diversity of optical and electrochemical properties were obtained, most polymers were not good candidate for photovoltaic applications. Then the study focuses on the firsts polymers synthesized based on the BDT and the TTz moieties. From this polymer structure, we develop a new series of polymers of the same family by adding thiophene spacers between the two comonomers and by using different alkyl chain at different positions in the optic to modify the morphologie obtained once the active layer is formed in the photovoltaic device. Photovoltaic devices were fabricated from those six polymers and, by a systematic optimization process, efficiencies reaching 4.89 % have been obtained with the polymer TTz-19. Finally, during this work, a new polymerization method allowing the reduction synthetic steps for the fabrication of polymers have been used. Following studies already started in our group, we investiguated the scope of the reaction by using two new electron-poor unit never used in DHAP, the furo[3,4-c]pyrrole-4,6-dione (FPD) and the selenopheno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione (SePD). This study showed that the DHAP reaction can be easily and efficiently applied to those two new electron-poor moities to obtain polymers with high yields and high molecular weights.