Depuis 2004, l'Université de Paris Sud a établi une collaboration avec le département de Génie Électrique de la Faculté d'ingénierie de l'Université du Laos (UNL). La thématique de recherche concerne le pilotage de l'électronique de puissance pour la gestion de sources d'énergie renouvelable pour le Laos. Ainsi en 2009, le Gouvernement français a financé une bourse de thèse pour le développement d'un outil de pré-dimensionnement de la production électrique renouvelable pour les villages isolés au Laos. En effet, le réseau de transport et de distribution du Laos est déjà en tension compte tenu de l'explosion de la consommation dans les zones urbaines. Son extension aux zones rurales notamment dans les zones montagneuses représente un coût d'investissement beaucoup trop élevé. Par contre le pays bénéficie de ressources naturelles (hydrauliques, solaire et agricoles) dont l'exploitation judicieuse peut permettre le développement de la filière des énergies renouvelables. La production d'énergie électrique décentralisée (fermes solaires par exemple) nécessite une évaluation des ressources locales et un dimensionnement optimal de l'ensemble des constituants (sources, dispositifs de stockage, convertisseurs, etc.) et de l'architecture du mini ou micro réseau autonome.Cette thèse est organisée en 3 chapitres :Le chapitre 1 présente dans un premier temps le travail qui permit d'identifier les besoins et les ressources effectivement disponibles au Laos. Pour cela, un séjour de plusieurs semaines dans des zones rurales reculées du Nord-Ouest du Laos a été effectué. Cela a permis d'obtenir un profil de consommation standard, d'identifier les ressources et de relever les données des réseaux rudimentaires existants (puissance et configuration). Une importante recherche bibliographique sur les outils logiciels existants a ensuite été réalisée. Cela a permis de dimensionner et de simuler ces systèmes autonomes. Le chapitre 2 présente les limitations de ces outils de conception (absence de flexibilité dans les modèles utilisés et algorithmes d'optimisation trop contraints) et le développement dans l'environnement de Matlab-Simulink d'une bibliothèque de modèles des constituants du système d'énergie autonome. Les modèles sont réalisés pour faciliter un dimensionnement optimal du système selon des critères de coût, de disponibilité et de fiabilité. Un important travail d'étude bibliographique sur les architectures de réseaux a été réalisé et combiné à une synthèse des ressources et des besoins des milieux ruraux au Laos. Le chapitre 3 présente deux exemples de dimensionnement de systèmes de production d'électricité pour des sites isolés au Laos à partir d'énergie renouvelables. Le cahier des charges correspond à un village isolé de 50 maisons pour 130 habitants. Le critère économique est fondamental dans cette étude où l'optimisation cherche à réduire les coûts des constituants tout en satisfaisant les besoins en puissances des villageois. Différentes optimisations continue et hybrides (continu et entier) sont conduites en tenant compte de contraintes sur les sources. Des indicateurs de performance sont ainsi utilisés: "Loss of Power Supply Probability, Forced Outage Rates, Annualized Cost of System, Levelized Cost of Energy, etc.". / Since 2004, a collaboration between Université Paris Sud of France and the Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering, National University of Laos (NUOL) has been carried out on the control of power electronics for the management of renewable energies source in Laos. Therefore in 2009, the French Government has funded a PhD thesis on the development of a designing tool for the early-sizing of renewable electricity production for isolated villages in Laos. This thesis report is organized in three chapters:Chapter I presents a short review of the status and development plans for the electrification of Laos. Then, based on a two-month field study in Northern Laos, analyses of energy consumptions of households in isolated villages and available renewable sources, using small scale hydro power plants and solar systems among others, are presented. Afterward, micro-grid configurations and technologies adapted to Laos are discussed. Obtained results are used in the next chapters as specifications for the designing tool.Chapter II focuses on software tools for system design and system modeling. First, a short review of the existing early-sizing tools for renewable energy sources for isolated villages is presented. But an analysis of evaluated software's such as LEAP, HOMER, HOGA, etc. shows that they are not opened enough to facilitate the development of a flexible and scalable designing too. Thus, Matlab/Simulink software is chosen as an open and highly adaptable architecture research tool. Then, specific models for renewable sources, storage devices, grid configuration are developed in order to facilitate the optimization procedures of an off-grid system design. After that, a short review of the existing optimization algorithms, available in Matlab, is carried out. Then, a paralleled mono-objective Genetic Algorithm is configured and applied in the next chapter.Chapter III presents several designs of isolated villages in Laos, using renewable energies. The specifications focus on isolated villages of about 50 houses for 120 inhabitants. The economic aspect is a key point in order to minimize costs of designed system while satisfying daily load demands of the village. For this task, locally available natural resources such as rivers and solar radiation are considered as energy sources. Various optimizations using continuous and discrete optimization algorithms are conducted taken into account the sources constraints and a short review of the existing hybrid system performance indicators is carried out, such as: Loss of Power Supply Probability, Forced outage rates, Annualized Cost of System, Levelized Cost of Energy, etc. Finally, the results obtained in this thesis show that renewable sources can be used at a reasonable price for off-grid electrification of isolated villages in Laos. Moreover, the developed designing tool can easily be adapted to new models of renewable sources and storage devices, which is the main interest of a designing tool for the early-sizing of off-grid renewable electricity production for isolated villages in Laos.

L’oxygène et l’eau présents dans l’atmosphère sont des acteurs important dans la dégradationdes matériaux contenus dans les dispositifs opto-électroniques organiques. Dans le but d’améliorerla stabilité et la durée de vie de ces dispositifs, ces dispositifs sont encapsulés avec desmatériaux barrière aux gaz par lamination ou par l’utilisation de couches minces. Cette dernière,notamment utilisée pour les OLED, permet de fournir des barrières aux gaz performantes parle dépôt de couches inorganiques denses directement sur les dispositifs. Cependant, elles sontassujetties aux défauts des surfaces sur lesquelles elle sont déposées.L’objectif de ces travaux est de développer une couche de planarisation afin d’homogénéiserla surface des dispositifs photovoltaïques organiques (OPV) et de réduire la rugosité dans lebut d’obtenir une protection barrières aux gaz améliorée, conférée par le dépôt subséquent decouches denses inorganiques selon divers moyens (voie liquide et gazeuse).Dans un premier temps, des couches de planarisation ont été développées à partir de 6 copolymèresp(VDF-HFP). Ces derniers ont été caractérisés afin d’améliorer nos connaissances sur cesmatériaux.Grâce à une étude de solubilité, des encres à différentes concentrations dans l’acétate d’éthyleont été réalisées. Ces dernières ont été étudiées par des mesures rhéologiques et de tension desurface permettant de mieux appréhender leur étalement, et les états de surface obtenus sur dessubstrats PET et sur les dispositifs OPV. Ces recherches ont été complétées par un contrôlede la topographie et par conséquent de la planarisation des dispositifs OPV par microscopieconfocale.Pour finir, l’étude des performances barrière des structures d’encapsulations hybrides (organiqueinorganique)ont dévoilé une bonne compatibilité lorsque la rugosité de la couche de planarisationest très faible. Ces résultats sont confirmés par des mesures barrières aux gaz et des tests devieillissement accélérés des dispositifs OPV encapsulés en enceinte climatique qui permettentd’illustrer l’intérêt de l’encre planarisante développée.Ce travail a été réalisé au laboratoire LMPO au CEA/LITEN en collaboration avec l’industrielArkema dans le but de fournir des technologies d’encapsulations performantes. / Oxygen and water present in the atmosphere are important actors of the degradation of materialscontained in optoelectronic devices. In order to increase the stability and the lifetime ofOPV, the devices are encapsulated with gas-barrier materials by lamination encapsulation orthin film encapsulation. These latter, espacially used in OLED technology, provides high performancegas barriers by depositing dense inorganic layers directly onto the devices. However,they are subject to the defects of the surfaces on which they are deposited.The purpose of this study is to develop a planarinzing layer in order to homogenize the surfaceof organic photovoltaic devices (OPV) and to reduce the roughness with the aim to obtain animproved gas barrier protection, conferred by the subsequent deposition of dense inorganic layersby various ways (liquid and gaseous routes).In a first step, the planarization layers were developed from six p(VDF-HFP) co-polymers. Thesehave been characterized to improve our knowledge on those materials.Through a solubility study, inks at different concentrations in ethyl acetate were made. Thelatter were studied by rheological measurements and surface tension to understand better theirspread, and the surface conditions obtained on PET substrates and OPV devices. Those researchswere completed with a topography control and consequently the planarization of OPVdevices by confocal microscopy.Finally, the study of the barrier performance of hybrid encapsulation structures (organic-inorganic)revealed a good compatibility when the rugosity of the planarization layer is very low. Theseresults are confirmed by permeation measurements and accelerated aging tests of OPV devicesencapsulated in climatic chambers that illustrate the interest of the planarized ink developed.This work has been performed in the LMPO Laboratory at CEA/LITEN in collaboration withthe chemical company Arkema in order to be able to provide performant encapsulation technologies.

La situation compromettante de l'environnement due à la pollution, et les coûts élevés des combustibles fossiles ont engagé des nouvelles politiques et réglementations et ont fortement incité l’augmentation de l’utilisation de nouvelles sources d'énergie renouvelables. De nombreux pays dans le monde ont augmenté de façon importante le développement de ces sources d'énergie. Deux des systèmes d'énergies renouvelables les plus couramment utilisés sont les systèmes éoliens (SE) et les systèmes photovoltaïques (SP). SE convertissent l'énergie du vent en énergie électrique au moyen d'un processus électromécanique et SP convertissent directement l'énergie solaire en énergie électrique au moyen d'un processus semi-conducteur. Ces systèmes présentent de nombreux défis qui doivent être résolus afin de gagner du terrain sur les systèmes d'énergies traditionnelles. L'un de ces défis est d'augmenter l'efficacité du système avec la commande des éléments de puissance. Afin d'atteindre cet objectif, il est nécessaire de mieux comprendre le comportement dynamique de ces systèmes et de développer des nouveaux modèles mathématiques et des nouvelles techniques de commande. Ces techniques nécessitent souvent des informations du système qui ne sont pas disponibles --- ou sont trop chères si on devait les mesurer. Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de créer des algorithmes qui puissent estimer cette information, cependant, ce n'est pas une tâche facile, car les signaux des sources d'énergie dans SE et SP (c.-à-d. la vitesse du vent, rayonnement solaire, température) entrent dans les modèles mathématiques par une relation non linéaire. Ces algorithmes doivent pouvoir estimer ces signaux --- ou les signaux qui dépendent d’eux--- avec une bonne précision. Aussi, il est nécessaire de concevoir des lois de commande qui opèrent les systèmes à leur point maximum de puissance. Dans ce travail, nous proposons des nouveaux algorithmes d'estimation et des lois de commande qui sont liés à l'augmentation de l'efficacité énergétique dans SE et SP. Des travaux antérieurs liés à l'estimation des signaux mentionnés, les considéraient comme constants. Dans cette thèse, les algorithmes d'estimation proposés considèrent l'état variable des ces signaux. Dans toutes ces nouvelles propositions, la stabilité asymptotique est prouvée en utilisant les théories de Lyapunov. Les lois de commande sont calculées en utilisant les modèles non linéaires des systèmes. En outre, certaines des ces solutions sont étendues au cas général, qui peut être utilisé sur une large classe des systèmes non linéaires. Le premier, est un estimateur de paramètres pour les systèmes non linéaires. Il permet d'estimer les paramètres non linéaires variant dans le temps. La deuxième proposition est la conception d’un schéma pour une classe de systèmes non linéaires adaptatifs qui permet de compenser les incertitudes et les perturbations qui satisfont à la "condition de correspondance". / The compromising situation of the environment due to pollution, and the high costs of the fossil fuels have originated new policies and regulations that have stimulating the interest on alternative energy sources. Many countries around the world have increased in an important way the penetration of these energy sources. Two of the most widely used renewable energy systems are the wind turbines systems (WTS) and the photovoltaic systems (PVS). WTS convert wind energy in electric energy by means of an electromechanical process and PVS convert solar energy directly in electric energy by means of a semiconductive process. These systems show many challenges that need to be solved in order to gain ground to the traditional energy systems. One of these challenges is increase the overall system efficiency by controlling the power conditioning elements. In order to achieve this, is necessary to better understand the dynamic behavior of these systems and develop new mathematical models and new control techniques. These techniques often require system information that is not possible ---or is too expensive--- measure. In order to solve this problem, is necessary to create algorithms that are able to estimate this information, however, this is not an easy task, because the signals of the energy sources in WTS and PVS (i.e., wind speed, irradiance, temperature) enter in the mathematical models in a nonlinear relation. These algorithms have to be able to estimate these signals ---or the signals that depend on them--- with good precision. Also, it is necessary to design control laws that operate the systems at their maximum power point. In this work, we propose novel estimation algorithms and control laws that are related with the increase of the energetic efficiency in WTS and PVS. Previous works related with estimation of the mentioned signals considered them as constants. In this thesis, the proposed estimation algorithms consider the time-varying condition of these signals. In all of these novel propositions, uniform asymptotic stability is proved using Lyapunov theories. The control laws are derived using the overall nonlinear models of the systems. In addition, some of these solutions are extended to the general case, which can be used on a large-class of nonlinear systems. The first one, is a novel parameter estimator for nonlinear systems. It allows to estimate time-varying nonlinear parameters. The second general proposition is a framework for a class of adaptive nonlinear systems that allows to compensate for uncertainties and perturbations that satisfy the matching condition.

Avec la demande toujours croissante d'énergie à laquelle l’homme fait face, le photovoltaïque (PV), qui convertit le rayonnement solaire en électricité, a connu ces dernières décennies un développement important. Bien que le marché PV actuel soit principalement dominé par les technologies à base de Si cristallin, la technologie PV à base de couches minces porte toujours l'espoir de contribuer efficacement à l'avenir vis-à-vis de la crise énergétique en raison de son coût beaucoup plus faible et d'une efficacité raisonnable.Les matériaux transparents conducteurs (TCM), principalement des oxydes conducteurs transparents (TCO), sont une composante essentielle dans la plupart des types de cellules solaires à couches minces car ils servent d'électrode de collecte des porteurs photo-générés sur la face avant de la cellule, c’est-à-dire celle face au soleil. Afin d'améliorer l'absorption optique (limitée par l'épaisseur de l'absorbeur) dans des cellules solaires à couches minces, on souhaite souvent que les TCO soient texturés (avec une rugosité de surface significative) de manière à bien diffuser la lumière, et ainsi de présenter des valeurs élevées de facteur de diffusion de la lumière. Ce dernier, que l’on peut appeler facteur de haze, est défini comme le rapport entre la transmittance (respectivement réflectance) diffuse et la transmittance (respectivement réflectance) totale. Plus ce facteur est élevé plus le TCO diffuse la lumière. Par voie de conséquence, la longueur du trajet optique est augmentée et ainsi le piégeage de la lumière dans la cellule solaire est amélioré, donnant lieu à une absorption de lumière plus importante dans les couches actives et augmentant potentiellement le rendement de conversion photovoltaïque des cellules solaires.Dans ce travail, des nano-composites innovants à base de SnO2 dopé au fluor (FTO) en combinaison avec les nanoparticules ZnO, S:TiO2 et Al2O3 ont été développés en utilisant un processus économique et facile constitué de deux étapes. Ces nano-composites à base de FTO présentent une transmittance totale de 70-80% et une résistance de 10-15 Ohm/sq, satisfaisant ainsi aux exigences requises pour des oxydes transparents conducteurs utilisés au sein de dispositifs photovoltaïques. En modifiant la concentration de la suspension de nanoparticules le facteur de haze de ces nano-composites peut être varié, de manière contrôlée, de presque 0% à 80%. Les propriétés morphologiques, structurales, électriques et optiques de ces nano-composites à base de FTO sont étudiées en détail et elles apparaissent étroitement dépendantes des nanoparticules sous-jacentes. Avant de discuter de l'intégration des nano-composites FTO au sein de cellules solaires, des efforts ont également été consacrés à une bonne compréhension de l'interface FTO/TiO2 qui est couramment présente au sein de divers types de cellules solaires à couches minces émergentes telles que les cellules solaires sensibilisées au colorant (DSSCs). Enfin, les nano-composites FTO diffusants ont été intégrés comme électrodes transparentes au sein de différents types de cellules solaires à couches minces et l'effet du facteur de haze sur la performance du dispositif a été étudié.En ajustant correctement le type et la concentration des nanoparticules sous-jacentes, les propriétés des nano-composites à base de FTO peuvent être variées de manière à répondre aux exigences d'électrodes pour une technologie photovoltaïque spécifique. Notre concept de préparation du TCO nano-composite en combinant les TCO et les nanoparticules propose une ligne directrice générale qui conduit à l’élaboration d’électrodes à caractère diffusant variable; permettant ainsi une bonne absorption des photons pour le photovoltaïque en couches minces. / With the increasing demand for energy that human beings are faced with, the photovoltaics (PV) technology which converts solar radiation into electricity has undergone increasingly development. Although the current PV market is mainly dominated by the crystalline Si based technologies, thin film PV still bears the hope to become the solution to the energy crisis in the future due to its much lower cost and reasonable efficiency.Transparent conductive materials (TCMs), mostly transparent conductive oxides (TCOs), are an essential component in most types of thin film solar cells as the current-collecting electrode on the sun-facing side of the cell. In order to improve the optical absorption (which is restricted by the limited absorber thickness) in thin film solar cells, the TCOs are often desired to be textured (with significant surface roughness) to show high values of haze factor. Haze factor is defined as the ratio of the diffuse transmittance/reflectance to the total transmittance/reflectance. The hazier a TCO is (i.e. with higher haze factor), the more light it scatters. As a consequence, the optical path length is increased and thus the light trapping in the solar cell is improved, giving rise to higher light absorption in the active layers and photon-to-current conversion efficiency of the solar cells.In this work, innovative nanocomposites of fluorine doped SnO2 (FTO) in combination with ZnO, S:TiO2 and Al2O3 nanoparticles have been developed using an economic and facile 2-step process. These FTO nanocomposites exhibit 70-80% total transmittance and 10-15 Ohm/sq sheet resistance, satisfying the basic requirements as transparent conductive oxides used in photovoltaics devices. By changing the nanoparticle suspension concentration, the haze factor of these nanocomposites can be varied, in a controlled way, from almost 0% up to 80%. The morphological, structural, electrical, and optical properties of these FTO nanocomposites are investigated in great details and are found to be closely related to the underlying nanoparticles. Before discussing the integration of the FTO nanocomposites into real solar cell devices, efforts have also been made to shed some light on the understanding of FTO/TiO2 interface commonly adopted in various types of emerging thin film solar cells such as dye sensitized solar cells (DSSCs). Finally, the hazy FTO nanocomposites have been used as transparent electrodes in different types of thin film solar cells and the effect of haze factor on the device performance has been examined.By properly tuning the type and concentration of the underlying nanoparticles, the properties of the FTO nanocomposites can be tuned to meet the electrode requirement for specific photovoltaic technology. Our concept of preparing TCO nanocomposite by combining TCOs and nanoparticles provides a general guideline to design hazy electrodes as light management structures in thin film photovoltaics.

Le but de cette thèse a été de fabriquer des réseaux de nanofils et de nanotubes de l’oxyde de zinc (ZnO) de dimensions contrôlées en utilisant la méthode de réduction électrochimique de l’oxygène moléculaire. Plusieurs approches concernant le contrôle des dimensions de ces nanofils ont été investiguées. Des réseaux formés de nanofils de ZnO ont été obtenus dans une large gamme de diamètre (25-500 nm), de longueur (0,25-10 µm) et de densité (1x108-8x109 nanofils/cm2). Après l’étude du mécanisme de formation des nanofils, nous avons proposé une nouvelle méthode pour obtenir des réseaux de nanotubes de ZnO par dissolution des coeurs des nanofils. Les dimensions des réseaux de nanotubes ont été contrôlées en contrôlant celles des nanofils lors de la première étape d’électrodépôt. Nous avons aussi montré que les épaisseurs des parois de ces nanotubes peuvent aisément être contrôlées par l’ajout d’une troisième étape d’électrodépôt. Les propriétés optiques, électriques et structurales des nanofils et des nanotubes de différentes dimensions, obtenus avec différents conditions de dépôt ont été étudiées dans cette thèse. Finalement, des cellules ETA, constituées de ZnO/CdSe/CuSCN, ont été étudiées en utilisant les réseaux obtenus. Les effets de la morphologie et des dimensions des nanofils et nanotubes sur la diffusion de la lumière et la performance électronique des dispositifs ont été étudiés. Cela nous a permis de mieux comprendre les mécanismes optiques et électroniques impliqués dans ce type de cellule solaire ouvrant de nombreuses possibilités pour améliorer leur performance / The goal of this thesis was to obtain arrays of zinc oxide (ZnO) nanowires and nanotubes with tailored dimensions. For this purpose, the formation mechanism of ZnO nanowire arrays by electroreduction of molecular oxygen was studied and several approaches concerning the control of nanowire dimensions were proposed. Arrays of ZnO nanowires with a wide range of diameter (25-500 nm), length (0.25-10 µm) and density (1x108-8x109 nanofils/cm2) were obtained. After the study of ZnO nanowires formation mechanism, we have proposed a novel method for obtaining arrays of ZnO nanotubes by etching the nanowire cores. The nanotube dimensions were controlled by controlling those of the nanowires in the first electrodeposition step. We have also tuned the wall thickness of the nanotubes by adding a third electrodeposition step. The optical, electrical and structural properties of ZnO nanowires and nanotubes with different dimensions obtained with various parameters were studied. Finally, ETA solar cells, constituted of ZnO/CdSe/CuSCN, were studied by using ZnO nanowire and nanotube arrays. The effects of the morphology and dimension of the ZnO 1D nanostructures on the light diffusion and the electronic performance of the devices were studied. This allowed us to gain further insight into the optical and electronic mechanisms involved in the ETA solar cells opening numerous possibilities to improve their performance

La thèse porte sur l’étude des verres d’encapsulation pour des cellules solaires en silicium monocristallin. Deux pistes ont été explorées pour réduire les pertes d’efficacité dues à l’encapsulation : la réduction de la réflexion de verres à base de silice avec des couches antireflets ainsi que l’utilisation de verres fluorés dopés terres rares à conversion de fréquence. Dans le premier cas, des couches antireflets ont été déposées sur des verres à base de silice par la méthode sol-gel. Les caractérisations optiques des verres ont été réalisées par spectrophotométrie et ellipsométrie et l’influence des différents verres sur les caractéristiques densité de courant-tension (J-V) ont été testées sous simulateur solaire dans des conditions standards (AM1.5 et 100 mW/cm2) pour une ou plusieurs cellules de référence. Une autre piste explorée a été celle des verres fluorés dopés terres rares ayant des propriétés de conversion de fréquence (conversion de photons non absorbés vers une énergie proche du gap optique du silicium). Des matrices fluorées de type ZBLA et ZLAG dopées terres rares (Pr3+, Tm3+, Yb3+) ont été utilisées. L’influence du dopage sur les performances électriques des cellules encapsulées a été étudiée en corrélation avec les propriétés physiques et optiques (transfert d’énergie, photoluminescence, transmittance) des verres. Le bénéfice de la conversion de fréquence a pour la première fois été montrée sur les caractéristiques J-V pour des échantillons co-dopés Pr3+-Yb3+. De plus, les caractéristiques des cellules de référence en utilisant ces nouveaux verres d’encapsulation ont été comparées à celles des verres utilisés habituellement dans l’industrie. / The thesis studies the encapsulation glass for monocrystalline silicon solar cells. Two ways were explored to reduce the efficiency loss due to encapsulation: reducing reflection losses of silica based glasses with antireflection layers and the use of rareearth- doped fluoride glass for frequency conversion. On the one hand, antireflection layers have been deposited on the silica glass by sol-gel method. The optical characterizations were carried out by spectrophotometry and ellipsometry and the influence of different encapsulation glasses on the current density-voltage characteristics (J-V) were measured under solar simulator irradiation in standard conditions (AM1.5 and 100 mW/cm2) for various reference cells. On the other hand, the rare-earth-doped fluoride glasses which they can convert frequencies in order to change the energy of photons to energies adapted to the optical gap of the silicon has been investigated. The glasses used are fluorinated matrix ZLAG and ZBLA doped with rareearth elements (Pr3+, Tm3+, Yb3+). The effect of doping on the electrical performance of encapsulated cells was studied correlated with physical and optical properties of glasses (energy transfer, luminescence, transmittance). Frequency conversion was demonstrated by luminescence for all of the rare-earth-doped samples. Then the most promising results for encapsulating was found for codoped Yb3+-Pr3+ ZBLA glass. The benefit of the frequency conversion was shown for the first time in J-V characteristics. Then, characteristics of the reference cells with these new encapsulating glasses were compared to those from glasses commonly used in the photovoltaic modules industry

Dans le contexte énergétique actuel, la conception de panneaux photovoltaïques efficaces représente une des solutions pour pallier à la pénurie prochaine des énergies fossiles. Cependant, les phénomènes de dégradation de l’encapsulant, un des matériaux passifs du panneau, sont une des origines de la baisse de rendement des modules. L’objectif de ce travail de thèse a été de concevoir, caractériser et évaluer les différentes propriétés de nouveaux encapsulants hybrides organique-inorganique contenant des ressources renouvelables. Ainsi, trois matériaux ont été élaborés à partir d’alcool polyvinylique (PVA), de résines terpéniques et de charges minérales (silice ou argile (Bentonite)). Un premier matériau comprenant PVA, résine et silicates, dans lequel composantes organique et inorganique sont liées par des liaisons covalentes fortes (hybride de classe II), a conduit à des stabilités thermiques et photochimiques, et des propriétés optiques et barrières à la vapeur d’eau et à l’oxygène, similaires à celles des encapsulants actuels.L’introduction de nanoparticules de silice dans un mélange PVA/résine via des liaisons faibles a ensuite fourni un matériau hybride de classe I aux propriétés barrières à la vapeur d’eau satisfaisantes mais avec des transparences optiques insuffisantes pour une utilisation comme encapsulant, du fait de l’agrégation des nanoparticules. Enfin, malgré une transparence optique devant être encore optimisée, un matériau hybride de classe I constitué de PVA, de résine et de Bentonite a conduit à de bonnes propriétés thermiques, photochimiques, barrières à la vapeur d’eau et surtout d’excellentes propriétés barrières à l’oxygène, ce qui ouvre de nouvelles perspectives (emballage alimentaire…). / In the current energetic context, the design of efficient solar photovoltaic panels represents one of the solutions to overcome the coming fossil fuels shortage. However, degradation phenomena of the encapsulant, one of the passive materials of the panel, have been evidenced as one of the reasons of the performance decrease. The aim of this PhD research work was to design, characterize and assess the different properties of more environment-friendly new hybrid organic-inorganic encapsulants. In this way, three materials have been developed using polyvinyl alcohol (PVA), terpenic resins and mineral fillers (silica or clay(Bentonite)). A first material including PVA, resin and silicates, in which both organic and inorganic networksare linked through strong covalent bonds (class II hybrid material), led to thermal and photochemical stabilities, and water vapor and oxygen barriers properties similar to those of commercial encapsulants.Dispersion of silica nanoparticles into PVA/terpenic resin mixture through weak bond then provided a class Ihybrid material showing rather good water vapor barrier properties but optical transmittance too low to beused as an encapsulant, due to the aggregation of the nanoparticles. Finally, despite an optical transparency that should be optimized, a class I hybrid material made of PVA, resin and Bentonite showed promisingbehavior with good thermal, photochemical and water barrier properties and remarkable oxygen barrier properties, which opens up new prospects in the field of food packaging.

Cette thèse a eu pour objectif l'élaboration de matériaux hybrides auto-assemblés à base de poly(3-hexylthiophène) et de nanocristaux de CdSe en vue d'applications en cellules photovoltaïques. Pour cela, des groupements de reconnaissance moléculaire complémentaires ont été introduits latéralement à la chaîne principale du polymère et à la surface de nanocristaux. Ainsi des groupements diaminopyrimidine ont été introduits par post-fonctionnalisation d'un copolymère de poly(3-hexylthiophène-co-3-bromohexylthiophène) et des groupements thymine ont été introduits à la surface des nanocristaux par réaction d'échange de ligand avec le 1-(6-mercapto-hexyl)thymine.<br />Les solubilités respectives du polymère et des nanocristaux rendent leur mise en œuvre par mélange de solutions difficile. Un protocole « one pot » a été développé, mais cette voie reste peu satisfaisante du point de vue du contrôle de la composition de l'hybride et de la mise en œuvre pour des dispositifs photovoltaïques.<br />Finalement, la technique du dépôt couche par couche permet de s'affranchir des problèmes de solubilités tout en contrôlant précisément le processus de dépôt. Quelques paramètres expérimentaux du dépôt couche par couche ont été explorés pour identifier leurs influences sur les dépôts. Les films obtenus ont ensuite été caractérisés par des techniques de microscopie et diffraction des rayons X, révélant une structure interpénétrée plutôt que multicouche. Le comportement électrochimique de ces films a également été étudié par cyclovoltammétrie et spectroélectrochimie UV-vis-PIR. Des cellules solaires ont été réalisées avec ces hybrides et elles ont été testées sous éclairement. Les caractéristiques I=f(V) obtenues révèlent qu'un effet photovoltaïque a bien lieu dans ces matériaux.

Dans l'optique de mieux dimensionner, sur l'ensemble de leur cycle de vie, les systèmes photovoltaïques autonomes et hybrides, les travaux menés dans le cadre de cette thèse ont concerné deux principales voies. Tout d'abord, l'action sur le profil de consommation, permettant de se rapprocher du comportement solaire idéal du consommateur, a été étudiée. A même service énergétique rendu au consommateur, des gains importants, que ce soit en termes de coûts économiques ou énergétiques sur cycle de vie ont pu être mis en avant notamment par la minimisation du recours au stockage. Parallèlement, une technologie d'accumulateurs Li-ion, innovante dans le cadre de ces systèmes, a été évaluée sur la base du coût énergétique primaire global du système sur son cycle de vie, donc incluant le vieillissement de ses composants. Les résultats ont montré qu'en raison d'une meilleure durée de vie et de plus faibles pertes énergétiques, cette technologie fait figure à moyen terme de concurrent sérieux de la technologie Plomb-Acide universellement utilisée à l'heure actuelle. Ces travaux concernant des systèmes à petites échelles préfigurent ce qu'il sera possible de faire à plus grande échelle dans les « réseaux intelligents » qui permettront d'exploiter plus massivement les ressources renouvelables comme le soleil et le vent, très largement disponibles.

Les cellules photovoltaïques (PV) basées sur les semi-conducteurs organiques font l'objet de<br />recherches motivées par la possibilité de réaliser des cellules solaires de grand surface, flexibles,<br />légères et bon marché, en profitant de la grande processabilité des matériaux organiques. Face aux<br />contraintes environnementales et à l'épuisement des ressources d'énergie fossile, le fort regain<br />d'intérêt pour la conversion PV organique est en grande partie due à la formidable amélioration de<br />l'efficacité de conversion de cellules solaires organiques accomplies ces dix dernières années.<br />Dans une première partie de ce travail, nous avons élaboré un protocole expérimental fiable<br />permettant l'évaluation de nouveaux matériaux semi-conducteurs organiques donneurs et accepteurs<br />en cellules solaires de type hétérojonction. La réalisation de cellules à base de phthalocyanine de<br />cuivre (CuPc) et de C60, par ailleurs déjà décrites dans la littérature, nous a permis de valider un<br />ensemble de protocoles d'élaboration et de caractérisation des cellules.<br />Ces procédures ont été ensuite appliquées à l'évaluation d'une série d'accepteurs dérivés du<br />pérylène dans des cellules comportant la CuPc comme donneur. Cette seconde étape nous a ainsi<br />permis de sélectionner deux composés accepteurs modèles que nous avons utilisés pour la suite de<br />ce travail.<br />La troisième et dernière partie de ce travail a porté sur la réalisation d'hétérojonctions à base<br />de nouveaux oligomères conjugués hybrides dérivés de trois structures de base : terthiophène,<br />quaterthiophène et quinquethiophène.Tout d'abord, nous avons cherché à établir de premières<br />corrélations entre la structure chimique des donneurs et certaines des caractéristiques électriques des<br />cellules. Enfin, les acquis de cette étude systématique ont contribué à la conception et à la synthèse<br />de nouveaux donneurs issus d'oligothiophènes à structure ramifiée à l‘aide desquels nous avons pu<br />réaliser des cellules de type hétérojonction qui figurent parmi les plus efficaces obtenues jusqu'à<br />présent à partir d'oligo- et de polythiophènes.