En raison de la demande croissante pour de nouvelles formes d'énergie renouvelable au cours des dernières années, la recherche sur les matériaux organiques pour d'éventuelles applications en photovoltaïque a rapidement progressé. Ainsi, tout récemment, des performances intéressantes ont été obtenues à partir de dispositifs dont la couche active était constituée d'un mélange de [6,6]-phényl-C₆₁-butyrate de méthyle (PCBM) et d’un polymère semi-conducteur. Puis, dans le dessein d’améliorer les performances des matériaux organiques, les chercheurs ont ensuite tenté de moduler les niveaux d'énergie et la largeur de bande interdite des polymères conjugués. Une façon de parvenir à moduler les propriétés électroniques de ces molécules est d'utiliser une séquence de donneurs-accepteurs dans la chaîne du polymère. Le groupe de recherche du Dr Leclerc participe aussi activement à cette quête de nouvelles sources d'énergie. Entre autre, nous synthétisons et caractérisons des copolymères contenant des unités hautement déficientes en électrons, les quinoxalines, et des unités riches en électrons, les carbazoles. La polymérisation de plusieurs unités de quinoxaline portant des groupements substituants de nature différente nous a ainsi permis d’élaborer une famille complète de co-polymères semi-conducteurs. Nous évaluons ensuite l'impact de l'ajout de ces substituants par les propriétés électroniques et optiques afin d'identifier parmi les polymères synthétisés, ceux qui possèdent des propriétés adéquates pour des applications en cellules photovoltaïques. Pour terminer, les polymères sont testés en les incorporant dans la couche active des cellules photovoltaïques pour évaluer leurs performances. Des taux de conversion énergétique variant entre 1,24% et 3,37% ont ainsi été obtenus. Pour ces polymères, nous avons aussi réalisé plusieurs essais sur le type de solvant, le ratio polymère :PCBM, la nature de l’électrode ou, encore, sur l’ajout d’additifs pouvant permettre d’optimiser leur utilisation dans la fabrication des cellules photovoltaïques. / En raison de la demande croissante pour de nouvelles formes d'énergie renouvelable au cours des dernières années, la recherche sur les matériaux organiques pour d'éventuelles applications en photovoltaïque a rapidement progressé. Ainsi, tout récemment, des performances intéressantes ont été obtenues à partir de dispositifs dont la couche active était constituée d'un mélange de [6,6]-phényl-C₆₁-butyrate de méthyle (PCBM) et d’un polymère semi-conducteur. Puis, dans le dessein d’améliorer les performances des matériaux organiques, les chercheurs ont ensuite tenté de moduler les niveaux d'énergie et la largeur de bande interdite des polymères conjugués. Une façon de parvenir à moduler les propriétés électroniques de ces molécules est d'utiliser une séquence de donneurs-accepteurs dans la chaîne du polymère. Le groupe de recherche du Dr Leclerc participe aussi activement à cette quête de nouvelles sources d'énergie. Entre autre, nous synthétisons et caractérisons des copolymères contenant des unités hautement déficientes en électrons, les quinoxalines, et des unités riches en électrons, les carbazoles. La polymérisation de plusieurs unités de quinoxaline portant des groupements substituants de nature différente nous a ainsi permis d’élaborer une famille complète de co-polymères semi-conducteurs. Nous évaluons ensuite l'impact de l'ajout de ces substituants par les propriétés électroniques et optiques afin d'identifier parmi les polymères synthétisés, ceux qui possèdent des propriétés adéquates pour des applications en cellules photovoltaïques. Pour terminer, les polymères sont testés en les incorporant dans la couche active des cellules photovoltaïques pour évaluer leurs performances. Des taux de conversion énergétique variant entre 1,24% et 3,37% ont ainsi été obtenus. Pour ces polymères, nous avons aussi réalisé plusieurs essais sur le type de solvant, le ratio polymère :PCBM, la nature de l’électrode ou, encore, sur l’ajout d’additifs pouvant permettre d’optimiser leur utilisation dans la fabrication des cellules photovoltaïques.

Beaucoup de recherches sont menées sur les polymères organométalliques et en particulier dans le but d'obtenir des bons matériaux utilisables dans les dispositifs photovoltaïques. Ce mémoire rapporte les derniers avancements de notre groupe de recherche dans ce secteur. Premièrement, la synthèse et la caractérisation de polymères organométalliques conjugués du type (-espaceur-C[xi]C-PtL[indice inférieur 2]-C[xi]C-)[indice inférieur n] avec comme espaceur des quinones diimine para-bis(diphényle) tetrasubstitués (C[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]-N=C[indice inférieur 6]X[indice inférieur 4]=N-C[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4] où X = H, F, Cl) et comme ligand L= P(n-Bu)[indice inférieur 3] ont été réalisées. Les espaceurs, les composés modèles, et les polymères ont été caractérisés par RMN [indice supérieur 1]H, [indice supérieur 31]P, UV-vis, IR, ATG, cristallographie, analyse élémentaire et par voltampérométrie cyclique. Les espaceurs et les polymères diamines (C[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]-NH-C[indice inférieur 6]X[indice inférieur 4]-NH-C[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]) ont également été synthétisés et caractérisés afin de comparer le comportement d'un polymère conjugué (quinone diimine) avec un polymère non conjugué (quinone diamine). Les polymères platine-diamine montrent des spectres d'absorption où la bande de plus basse énergie provient d'une transition de type [pi]-[pi]* tandis que les polymères quinone diimines montrent des bandes électroniques provenant de transitions électroniques de type transferts de charge (avec le centre platine comme donneur et quinone diimine comme accepteur). Une analyse de l'influence de l'effet électro-attracteur des différents substituants sur les spectres d'absorption ainsi que les propriétés électrochimiques ont été effectuées pour étudier les mécanismes de transfert de charge du platine vers les espaceurs diimines. Des résultats préliminaires encourageant de conversion d'énergie solaire en énergie électrique, grâce à des cellules de Grätzel, ont été obtenus pour certains de ces composés. Deuxièmement, un nouveau type de polymère organométallique bio-inspiré à base de quinone-diimines et de porphyrines a été synthétisé et caractérisé par RMN [indice supérieur 1]H, UV-vis, IR, ATG, cristallographie, spectroscopie de luminescence et mesures de paramètres photophysiques, et analyse élémentaire. Ces polymères montrent des spectres d'absorptions où la bande de plus basse énergie provient de transitions électroniques du type transfert de charge partant de la métallo-porphyrine vers la quinone diimine (C[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4]-N=C[indice inférieur 6]X[indice inférieur 4]=N-C[indice inférieur 6]H[indice inférieur 4] où X = F, Me). Ces absorptions sont extrêmement déplacées vers les grandes longueurs d'onde (> 800 nm) et affichent des coefficients d'extinction molaires très grands (30 000 M[indice supérieur -1] .cm[indice supérieur -1]). Ces composés affichent des très grands rendements quantiques pour des polymères à base de porphyrines. Ces excellentes propriétés font de ces composés une nouvelle classe intéressante de polymères utilisables pour des applications photoniques.

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Nos sociétés sont de plus en plus préoccupées par l’impact très nocif des ressources énergétiques polluantes, essentiellement, le pétrole, le charbon et le gaz. Ainsi, l’intérêt dans l’utilisation des énergies renouvelables et propres est en constant augmentation et la conception de nouveaux systèmes énergétiques est devenue un challenge scientifique et technologique. Pour concevoir de nouvelles solutions énergétiques compétitives et efficaces, les fabricants de composants (panneaux solaires, pile à combustible, convertisseurs, etc.) et les secteurs industriels concernés sont confrontés à des problématiques d’optimisation, de contrôle et de durabilité. Par ailleurs, les sources d’énergie renouvelable sont dépendantes de plusieurs facteurs incontrôlables (lieu géographique, météorologie, etc.). Pour parer à ces facteurs, et donc au caractère aléatoire de disponibilité énergétique, l’hybridation des sources et la gestion énergétique peut s’avérer être une approche pertinente pour la conception de solutions énergétiques efficaces. Cette thèse est une contribution au problème de l’hybridation et de la gestion d’énergie. Plus précisément, nous considérons un système hybride composé de panneaux solaires photovoltaïques et d’une pile à combustible. Ce système est supposé être doté de convertisseurs et d’un système de stockage (batterie et super-condensateurs). / Our societies are increasingly concerned about the very harmful impact of clean energy resources, mainly oil, coal and gas. Thus, interest in the use of renewable and clean energy is constantly increasing and the development of new energy systems has become a scientific and technological challenge. To develop new competitive and efficient energy solutions, manufacturers of components (solar panels, fuel cells, inverters, etc.) and industrial sectors are facing problems of optimization, control and durability. In addition, renewable energy sources depend on several uncontrollable factors (geographical location, weather, etc.). To address these factors, and thus the randomness of energy availability, sources hybridization and energy management can prove to be an appropriate approach for the design of efficient energy solutions. This thesis is a contribution to the problem of hybridization and energy management. More precisely, we consider a hybrid system composed of photovoltaic solar panels and a fuel cell. This system is supposed to be equipped with converters and storage system (battery and supercapacitors). The goal is to develop control strategies to extract the maximum power available from the considered sources and to optimize the overall energy system to meet the load requirements. To do this, our approach is based on the tracking of the maximum power point and the use of compensators.

Avec la crise pétrolière annoncée depuis quelques années déjà, le recours aux énergies alternatives connait une forte expansion ; parmi elles, l'énergie photovoltaïque, est une technologie prometteuse en termes de sécurité d'approvisionnement et de préservation de l'environnement. Néanmoins, elle présente deux principaux inconvénients : la production d'énergie n'est pas continue et la tension aux bornes des panneaux dépend fortement de la charge connectée. A travers nos travaux de recherche, nous proposons un système photovoltaïque autonome avec stockage permettant de réduire les contraintes citées plus haut. D'une part, un algorithme MPPT (Maximum Power Point Tracking) auto-adaptatif permet aux panneaux photovoltaïques de fonctionner suivant leur tension optimale, fournissant ainsi le maximum de puissance. D'autre part, l'unité de stockage d'électricité a été optimisée : en plus des batteries au plomb conventionnellement utilisées, des supercapacités ont été ajoutées en vue d'obtenir une unité hybride de stockage. Ainsi, les supercapacités remplissent une fonction « puissance » en faisant face aux pics de puissance, et les batteries la fonction « énergie » . L'ajout des supercapacités permet ainsi de mieux préserver les batteries en leur évitant de profondes décharges. Enfin, une gestion globale efficace permet au système de fournir un rendement optimal. / With the oil crisis announced in recent years, the use of alternative energy is experiencing strong growth, among them; photovoltaic energy is a promising technology in terms of supply security and environmental preservation. However, it has two main disadvantages: the production of energy is not continuous and the voltage across the PV panels heavily depends on the connected load. Through our research, we propose an autonomous photovoltaic system with storage to reduce the constraints mentioned above. On one hand, an auto-adaptive MPPT (Maximum Power Point Tracking) algorithm allows photovoltaic panels to operate according to their optimal tension, thus providing maximum power. On the other hand, the storage device has been optimized: supercapacitors are added to lead-acid batteries to obtain a hybrid storage unit. Thus, supercapacitors perform a "power" function by facing power peaks, and batteries, an "energy" function. The addition of supercapacitors preserves the batteries by avoiding deep discharge. Finally, an effective overall management allows the system to provide optimal performance.

L’utilisation des nanotubes de carbone (CNT) dans les cellules photovoltaïques (PV) se limitent à leur application comme électrodes ou comme dopant dans la couche active à cause de leur conductivité extrêmement élevée provocant des courts-circuits au sein de la cellule. Dans le cadre de cette thèse, nous avons proposé et validé un nouveau concept consistant à développer les SWNT comme matériaux actifs accepteurs alternatifs au PCBM (dérivé de fullerène) pour le photovoltaïque organique.Nous avons développé une voie de synthèse chimique basée sur la fonctionnalisation contrôlée des SWNT et la quantification de leur degré de fonctionnalisation. Ce nouveau concept permettra l’élaboration des SWNT « sur mesure » avec des conductivités et des propriétés optiques et électrochimiques modulables et adéquats avec les propriétés requise pour une intégration dans les dispositifs photovoltaïques en hétérojonctions avec les polymères pi-conjugués donneurs commerciaux.Il a été mis en évidence grâce aux caractérisations des propriétés finales des SWNT synthétisés que la conductivité, l’absorption dans l’UV-visible et les propriétés électrochimiques évoluent graduellement selon deux modes en fonction du degré de fonctionnalisation. De plus, la fonctionnalisation contrôlée des SWNT induit un effet dispersant permettant de faciliter leur intégration dans les dispositifs PV en utilisant les technologies de mise en œuvre par voie solvant existantes comme l’impression par jet d’encre ou roll-to-roll l’élaboration des couches minces par voie solvant. La preuve de ce concept a été validée grâce aux tests en cellules PV avec un polymère standard commercial P3HT et un polymère à faible gap optique synthétisé. / Controlled modulation of intrinsic functional (absorption, band gap, conductivity) and physico-chemical properties (dispersability, solvent-processability) of CNTs could broaden up their application potential in nanotechnology. However, it has been an ambitious synthetic goal for more than a decade. In this work, we developed an efficient methodology to do so in a mastered manner on single-walled carbon nanotubes (SWNT). It involves the meticulous functionalization based on gradual formation of covalent aryl bonds. It was proven that, the intrinsic electrical conductivity, optical and electrochemical properties of the functionalized SWNTs could be gradually modulated in two steps depending on the functionalization degree. The so- controlled covalent functionalization was the basic synthetic technique to make SWNT easier to manipulate and tolerably soluble, with modulated electrical and electrochemical properties, so that the performances in photovoltaic cells were unusually appreciated. Unsorted functionalized SWNTs were employed in organic photovoltaic (OPV) cells as electron acceptors or dopants with commercial polymer (P3HT) and novel, synthesized low bandgap copolymer, respectively.

Le confinement quantique dans le silicium, sous forme de boîtes quantiques de silicium de diamètre 5 nm, permet de contrôler le bandgap et donc l'émission de lumière. Cette ingénierie du bandgap des nanocristaux de silicium est utile pour les applications photovoltaïques avancées et présente l'avantage de conserver la compatibilité avec les technologies silicium existantes. Ces boîtes quantiques peuvent aider à réduire les pertes par thermalisation dans une cellule solaire homo-jonction. Ce travail se concentre sur la fabrication à grande échelle des nanocristaux de silicium dans SiO2 en utilisant le Dépôt Chimique en Phase Vapeur assisté par Plasma (PECVD), suivi d'un recuit à haute température. Des monocouches sont comparées avec des multicouches pour les propriétés morphologiques, électriques et optiques et des dispositifs avec ces différents couches sont comparés. Dans le cas d'une structure monocouche, l'épaisseur de la couche contrôle l'organisation des nanocristaux et permet de mettre en évidence l'amélioration de la conductivité électrique, avec cependant une réponse optique faible. Les multicouches montrent un bandgap du Si augmentée et controlee, avec une meilleure absorption dans la gamme bleu-vert visible, accompagnée d'une conductivité électrique faible. L'amélioration de ces propriétés optiques est un signe prometteur pour une potentielle intégration photovoltaïque.

Les travaux réalisés durant ces années de doctorat ont été axés sur la conception de fluorophores pour diverses applications en fluorescence ou dispositifs de conversion d'énergie. Ainsi, plusieurs composés de la famille des Bodipys et triazatruxène ont été synthétisés, caractérisés et étudiés. En fonction des modifications structurales apportées à ces molécules, il est possible d'obtenir un panel de composés possédant une gamme d'absorption et d'émission pouvant s'étendre de 500 à 800 nm. La modulation de ses propriétés optiques a un intérêt dans un grand nombre d'applications. Ainsi, divers Bodipys ont été synthétisés en vue d'une éventuelle application pour le marquage biologique ou bien servant de support à l'étude du transfert d'énergie intramoléculaire. Le fort pouvoir absorbant de ces composés a été mis à contribution pour la réalisation de cellules solaires organiques originales et performantes.

Le confinement quantique dans le silicium, sous forme de boîtes quantiques de silicium de diamètre 5 nm, permet de contrôler le bandgap et donc l'émission de lumière. Cette ingénierie du bandgap des nanocristaux de silicium est utile pour les applications photovoltaïques avancées et présente l'avantage de conserver la compatibilité avec les technologies silicium existantes. Ces boîtes quantiques peuvent aider à réduire les pertes par thermalisation dans une cellule solaire homo-jonction. Ce travail se concentre sur la fabrication à grande échelle des nanocristaux de silicium dans SiO2 en utilisant le Dépôt Chimique en Phase Vapeur assisté par Plasma (PECVD), suivi d'un recuit à haute température. Des monocouches sont comparées avec des multicouches pour les propriétés morphologiques, électriques et optiques et des dispositifs avec ces différents couches sont comparés. Dans le cas d'une structure monocouche, l'épaisseur de la couche contrôle l'organisation des nanocristaux et permet de mettre en évidence l'amélioration de la conductivité électrique, avec cependant une réponse optique faible. Les multicouches montrent un bandgap du Si augmentée et controlee, avec une meilleure absorption dans la gamme bleu-vert visible, accompagnée d'une conductivité électrique faible. L'amélioration de ces propriétés optiques est un signe prometteur pour une potentielle intégration photovoltaïque. / Quantum confined silicon, in the form of silicon quantum dots of diameters 5 nm or less, has the property of bandgap control and light emission. This bandgap engineering gives silicon quantum dots applications in novel photovoltaic devices, while maintaining compatibility with existing silicon technologies. These dots can help reduce lattice thermalisation losses in a single-junction solar cell. This work focusses on the large scale fabrication of silicon quantum dots in SiO2 using Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD), followed by high-temperature annealing. Thick single layers are compared with multilayers for morphological, electrical and optical properties. Devices with these layers are compared with different electrode materials. Film thickness dependent organization of dots is observed in thick single layer structures which demonstrate improved electrical conductivity, but poor optical response. Multilayer films demonstrate augmented and controlled Si bandgaps and improved absorption in the blue-green visible range, accompanied by poor electrical conductivity. The improved optical properties are a promising sign for any potential photovoltaic integration.

Les travaux réalisés durant ces années de doctorat ont été axés sur la conception de fluorophores pour diverses applications en fluorescence ou dispositifs de conversion d’énergie. Ainsi, plusieurs composés de la famille des Bodipys et triazatruxène ont été synthétisés, caractérisés et étudiés. En fonction des modifications structurales apportées à ces molécules, il est possible d’obtenir un panel de composés possédant une gamme d’absorption et d’émission pouvant s’étendre de 500 à 800 nm. La modulation de ses propriétés optiques a un intérêt dans un grand nombre d’applications. Ainsi, divers Bodipys ont été synthétisés en vue d’une éventuelle application pour le marquage biologique ou bien servant de support à l’étude du transfert d’énergie intramoléculaire. Le fort pouvoir absorbant de ces composés a été mis à contribution pour la réalisation de cellules solaires organiques originales et performantes. / The work undertaken during this PhD was focused on the design of fluorophores for several applications in fluorescence or energy conversion device. Several compounds from the Bodipy and Triazatruxene families were synthesized, characterized and studied. By structural modifications brought to these molecules, it was possible to obtain a panel of compounds those posses a range of absorption and emission properties which extend from 500 to 800 nm. The modulation of these optical properties has an interest in a large number of applications and field of research. Several Bodipys were synthesized for potential application in biological labeling and specific energy transfer processes. The strong absorption power and dedicated redox properties of these compounds was exploited for the preparation of solar