On constate une forte demande mondiale d' énergie propre et renouvelable en raison de la consommation rapide des combustibles fossiles non renouvelables et l'effet de serre qui en résulte. Une solution prometteuse pour produire une énergie propre et renouvelable est d'utiliser des cellules solaires pour convertir l' énergie solaire directement en électricité. Comparativement à leurs homologues inorganiques, les cellules solaires organiques (OSCs) sont maintenant intensivement étudiées en raison des avantages tels que le poids léger, la flexibilité, la compatibilité avec les procédés de fabrication à faibles coûts. Malgré ces avantages, l'efficacité de conversion (PCE) des OSCs doit encore être améliorée pour la commercialisation à grande échelle. Les cellules solaires organiques sont réalisées en pile de couches minces comprenant des électrodes, la couche de transport d' électrons, la couche de polymère actif et la couche de transport de trous. Dans cette étude, nous sommes concernés par la couche de PEDOT:PSS qui est couramment utilisée comme une couche tampon entre l'électrode anodique et la couche de polymère actif de cellules solaires organiques. Cette étude vise à intégrer différentes concentrations de nanoprismes (NPSMs) d'argent de taille sub-longueur d'onde dans du PEDOT: PSS afin de profiter de leurs propriétés optiques uniques nées de résonances de plasmons de surface localisées (LSPR) pour améliorer la collecte lumineuse et l'efficacité de génération de charge en optimisant l' absorption et la diffusion de la lumière. Nous avons constaté que les facteurs clés qui contrôlent les performances des cellules solaires plasmoniques comprennent non seulement les propriétés optiques, mais également les propriétés structurelles et électriques des couches hybrides de PEDOT:PSS comprenant des NPSMs d' Ag. D'une part, l'ajout de NPSMs d' Ag conduit ¨¤ (1) une augmentation de l'absorption optique; (2) de la diffusion de la lumière ¨¤ de grands angles ce qui pourrait conduire ¨¤ un meilleur piégeage de la lumière dans les OSCs. D'autre part, (1) la rugosité de surface est augment¨¦e en raison de la formation d'agglomérats de NPSMs d' Ag, ce qui conduit ¨¤ une meilleure efficacité de collecte de charge; (2) la résistance globale des films hybrides est également augment¨¦e en raison de l'excès de PSS introduit par les NPSMs d' Ag incomplètement purifiées, inférieur courant de court-circuit (Jsc) qui en résulte; (3) les Ag NPSMs et leurs agglomérats ¨¤ l'interface PEDOT:PSS/couche photo-active pourraient agir comme des centres de recombinaison, conduisant ¨¤ une réduction de la résistance de shunt, du Jsc et de la tension en circuit ouvert (Voc). Afin de résoudre partiellement l'inconvénient (2) et (3), en intégrant des NPSMs d¡¯Ag davantage purifiés et une petite quantité de glycérol dans le PEDOT:PSS, la résistance des couches hybrides de PEDOT:PSS-Ag-NPSMs peut ¨être réduite à une valeur comparable ou inférieure ¨¤ celles couches vierges. Les futurs progrès en chimie de surface colloïdale et l'optimisation sur le processus d'incorporation des nanoparticules seront nécessaires pour produire des cellules solaires organiques plasmoniques de meilleures performances. / Nowadays there has been a strong global demand for renewable and clean energy due to the rapid consumption of non-renewable fossil fuels and the resulting greenhouse effect. One promising solution to harvest clean and renewable energy is to utilize solar cells to convert the energy of sunlight directly into electricity. Compared to their inorganic counterparts, organic solar cells (OSCs) are now of intensive research interest due to advantages such as light weight, flexibility, the compatibility to low-cost manufacturing processes. Despite these advantages, the power conversion efficiency (PCE) of OSCs still has to be improved for large-scale commercialization. OSCs are made of thin film stacks comprising electrodes, electron transporting layer, active polymer layer and hole transporting layer. In this study, we are concerned with PEDOT:PSS layer which is commonly used as a buffer layer between the anodic electrode and the organic photoactive layer of the OSC thin film stack. We incorporated different concentrations of silver nanoprisms (NPSMs) of sub-wavelength dimension into PEDOT:PSS. The purpose is to take advantage of the unique optical properties of Ag MPSMs arisen from localized surface plasmon resonance (LSPR) to enhance the light harvest and the charge generation efficiency by optimizing absorption and scattering of light in OSCs. We found that the key factors controlling the device performance of plasmonic solar cells include not only the optical properties but also the structural and electrical properties of the resulting hybrid PEDOT:PSS-Ag-NPSM-films. On one hand, the addition of Ag NPSMs led to (1) an increased optical absorption; (2) light scattering at high angles which could possibly lead to more efficient light harvest in OSCs. On the other hand, the following results have been found in the hybrid films: (1) the surface roughness was found to be increased due to the formation of Ag agglomerates, leading to increased charge collection efficiency; (2) the global sheet resistance of the hybrid films also increases due to the excess poly(sodium styrenesulphonate) introduced by incompletely purified Ag NPSMs, resulting in lower short circuit current (Jsc); (3) the Ag nanoprisms and their agglomerates at the PEDOT:PSS/photoactive layer interface could act as recombination centers, leading to reductions in shunt resistance, Jsc and open circuit voltage (Voc). In order to partially counteract the disadvantage (2) and (3), by incorporating further purified Ag NPSMs and/or a small amount of glycerol into PEDOT:PSS, the sheet resistance of hybrid PEDOT:PSS-Ag-NPSM-films was reduced to a resistance value comparable to or lower than that of pristine film.

Dans cette thèse nous présentons différents motifs formés par auto-organisation de matériaux azopolymères soumis à un rayonnement lumineux. Nous avons montré que de nombreux réseaux de surface photoinduits, jusqu'à 10, peuvent êtreenregistrés sur la même zone d’un film azopolymère pourvu que la polarisation du faisceau d'écriture soit bien choisie. Cet effet a permis la création d'une grande variété de motifs complexes. Dans cette thèse, nous montrons de telles structures complexes formées à la surface de couches minces d'azopolymère via un ensemble de réseaux superposés (jusqu'à 16 sur la même zone). Nous créons ainsi des structures dites quasi-cristal à 2 dimensions. La surface d'azopolymère est alors utilisée comme un moule afin d'être répliquée avec un élastomère. La couche d’élastomère ainsi produite possède la même structure que le moule enazopolymère. Cette couche est flexible, transparente et étirable et nous l'avons utilisé pour le dépôt de nano-objets uniques. Les caractéristiques de deux surfaces photoinduites de deux azopolymères chiraux ont été comparées: une surface aléatoire de type gaussien et une surface avec des réseaux quasi-aléatoires. Ces motifs ont été obtenus avec une technique simple de type ‘bottom-up’ en éclairant la couche mince d'azopolymère avec un seul faisceau laser. La surface avec des réseaux quasi-aléatoires peut être utilisée pour le couplage de la lumière dans plusieurs directions dans un film ultra-mince. Ces deux surfaces ont été utilisées comme moule et répliquées sur un élastomère transparent. Elles montrent un très bon piégeage de la lumière. Plus précisément, le piégeage de la lumière est 20% meilleur avec les réseaux quasialéatoires qu'avec la surface aléatoire de type gaussien et il est de l'ordre de 40%. / In this thesis we present various patterns formed by self-organization of azopolymer materials subjected to light radiation. We have shown that many photoinduced surface gratings, up to 10, can be recorded on the same area of an azopolymer film, provided that the polarization of the writing beam is well chosen. This effect allowed the creation of a wide variety of complex patterns. In this thesis, we show such complexstructures formed on the surface of thin layers of azopolymer, via a set of superimposed networks (up to 16 on the same zone). We thus create so-called quasicrystal structures with 2 dimensions. The azopolymer surface is then used as a mold to be replicated with an elastomer. The elastomer layer produced has the same structure as the azopolymer mold. This layer is flexible, transparent and stretchable and we used it for the deposition of unique nano-objects. The characteristics of two photoinduced surfaces of two chiral azopolymers were compared: a Gaussian type random surface and a surface with quasi-random lattices. These patterns were obtained with a simple bottom-up technique, by illuminating the thin layer of azopolymer with a single laser beam. The surface with quasi-random lattices can be used for the coupling of light in several directions in an ultra-thin film. These two surfaces were used as molds and replicated on a transparent elastomer. They show a very good trapping of light. More precisely, the trapping of the light is 20% better with the quasi-random gratings than with the random surface of the Gaussian type and it is of the order of 40%.

Dans cette thèse nous évaluons la concentration optique sur cellules photovoltaïques micrométriques et nanométriques sans système de suivi de Soleil. Cette étude a deux objectifs principaux. La première partie est dédiée à l’évaluation de la faisabilité de la concentration optique sur des microcellules à base de Cu(In,Ga)Se2 via un concentrateur luminescent (LSC). Le LSC est bas-coût, concentre la lumière directe et diffuse, et est non imageant, ce qui très avantageux pour la concentration sur microcellules. Néanmoins, la sensibilité extrême aux non-idéalités explique la différence entre les performances théoriques et expérimentales. Un code de simulation est développé pour analyser ce système et ses mécanismes de perte. Un nouveau formalisme basé sur des données statistiques est proposé pour décrire les propriétés du LSC. Le couplage LSC/microcellules est effectué expérimentalement et des pistes d’amélioration explorées. La seconde partie tire profit de la fonction de conversion spectrale des LSC et développe un nouveau concept de nano-antenne photovoltaïque mono-résonant à base d’InP. Des simulations optiques montrent qu’un rendement de conversion de 10.7% peut être atteint avec une épaisseur moyenne d’absorbeur de moins de 20 nm. Les étapes technologiques de fabrication sont identifiées et réalisées en salle blanche. Le fort ratio surface/volume nous a amené à étudier la passivation de l’InP par du polyphosphazène. Des mesures de luminescence montrent que la surface est stabilisée durablement. Les résultats de cette thèse démontrent que le couplage nano-photonique / LSC est prometteur, alliant de très faibles volumes à d’excellentes efficacités optiques. / In this thesis we explore light concentration on nano and micro photovoltaic cells without Sun tracking. This study has two main aims. The first part is dedicated to the evaluation of light concentration feasibility on Cu(In,Ga)Se2-based microcells with luminescent solar concentrator (LSC). LSC is cheap, allows both direct and diffuse light concentration and is non imaging, making it advantageous for microcells concentration. Yet, the extremely high sensitivity to non ideality explains the gap between theoretical and real systems. A simulation code is developed to analyze the system and its loss mechanisms. A new formalism based on statistical data is proposed to describe LSC properties. LSC and microcells coupling is experimentally achieved and improving tracks investigated. The second part takes advantage of the LSC down-shifting effect to propose a new mono-resonant InP-based photovoltaic nano-antenna. Optical modeling on this new device shows that 10.7 % efficiency can be obtained with an absorber averaged thickness lower than 20 nm. Technological process steps to fabricate this device are identified and realized in a clean-room environment. The high ratio surface over volume leads us to study InP passivation through a mono-atomic polyphosphazen film. Luminescent measurements show that passivated InP surface is long-term stabilized. The results of this thesis demonstrate that nano-photonic / LSC coupling is promising, enabling high optical efficiency in extremely low volume.