Diminuer l'épaisseur de la couche d'absorbeur est une solution attractive pour produire des cellules photovoltaïques à coût réduit. Cela permet également de réduire la quantité de matériau actif utilisé ainsi que d'améliorer la collection du courant dans la cellule. Cette thèse s'est focalisée sur la conception de nanostructures pour exalter l'absorption de la lumière dans des couches de semiconducteur d'épaisseur réduite et ainsi proposer des cellules ultraminces efficaces.Dans un premier temps, nous avons proposé une approche originale pour piéger la lumière dans une cellule ultra-fine (≤ 100 nm) en silicium amorphe. Un réseau métallique est placé en face avant de la cellule déposée sur un miroir métallique afin d'obtenir une absorption multi-résonante large bande pour les deux polarisations de la lumière. Nous proposons aussi d'utiliser le réseau métallique comme une électrode transparente alternative afin de réduire les pertes optiques dans le contact avant de la cellule. Une analyse numérique approfondie des mécanismes résonants en jeu a été menée ainsi que la fabrication et la caractérisation optique de démonstrateurs.Dans un deuxième temps, nous avons appliqué ce concept de contact avant multi-résonant à des couches ultra-fines en arsenure de gallium (GaAs). Nous avons montré numériquement et expérimentalement le potentiel d'une nanogrille métallique bi-dimensionnelle pour le confinement efficace de la lumière dans 25 nm de GaAs.Enfin, nous avons étudié la possibilité de réduire l'épaisseur de cellules en silicium cristallin d'un facteur 10 à 100 par rapport à l'état de l'art. Nous avons développé un procédé pour transférer des couches de silicium cristallin de quelques microns d'épaisseur épitaxiées par PECVD sur un substrat hôte bas coût. Nous avons également travaillé à la structuration contrôlée de nanopyramides en vue d'un piégeage optique efficace dans ces couches minces. / Reducing the absorber thickness is an attractive solution to decrease the production cost of solar cells. Furthermore, it allows to reduce the amount of material needed and improve the current collection in the cell. This thesis has been focused on the design of nanostructures to enhance light absorption in very small semiconductor volumes in order to achieve efficient ultra-thin solar cells. First, we have proposed an original light-trapping concept for ultra-thin amorphous silicon (a-Si:H) solar cells. A one-dimensional metallic grating is patterned on the front surface of the cell deposited on a metallic mirror. Broadband multi-resonant absorption has been demonstrated for both light polarizations. The metallic grating is also used as an alternative transparent electrode in order to reduce optical losses in the front contact. A detailed analysis of the multi-resonant absorption mechanism has been carried out through numerical calculations. The fabrication and optical characterization of ultra-thin a-Si:H solar cells with metallic gratings have validated the multi-resonant approach.Second, we have proposed a design with a two-dimensional metallic grid as a resonant front contact for very thin (25 nm) gallium arsenide (GaAs) layers. We have shown through the design and fabrication of a proof-of-concept structure the potential of metallic nanogrids to confine efficiently light absorption with an ultra-thin GaAs layer.Finally, advanced light-trapping structures could also allow a thickness reduction of crystalline silicon wafers of a factor 20 to 100 with respect to state-of-the-art cells. We have developed a process to transfer micron-thick epitaxial crystalline silicon (c-Si) layers onto a low-cost host substrate. Inverted nanopyramids have also been fabricated in crystalline silicon in order to achieve a broadband anti-reflection effect. It opens promising perspectives towards the realization of double-sided nanopatterned ultra-thin c-Si cells.

L’une des tendances naturelle des technologies photovoltaïque est la réduction systématique de l’épaisseur des cellules solaires, que cela soit pour des raisons de coûts, d’économie d’éléments rares ou toxiques ou encore pour limiter les recombinaisons. Jusqu’à présent, les technologies couche minces cristallines (GaAs) et poly-crystallines (CIGS) trouvent des optimum d’efficacité de conversion pour des épaisseurs aux alentours de 1 ou 2 microns. Typiquement, cette gamme d’épaisseur ne nécessite pas de nouvelles solutions de piégeages optiques comme cela est le cas pour la filière silicium amorphe. Cependant, si l’on veut réduire ces épaisseurs d’un facteur 10 voire même 100 afin de s’orienter vers les nouveaux concepts de collections et conversions (GaAs ou GaSb) ou encore de réduire l’utilisation d’indium (CIGS), de nouveaux besoin en matière d’absorption efficace de la lumière sont nécessaires pour ces technologies. Ce manuscrit de thèse se concentre sur la conception, la simulation et la réalisation de solutions nanophotoniques nouvelles pour de futures cellules solaires cristallines ultrafines.Dans un premier temps, nous nous sommes engagé dans une approche en rupture avec la conception habituelle des cellules solaires pour piéger la lumière dans une cellule ultrafine (≤100 nm de matériaux couche-mince (GaAs, GaSb et CIGS). Nous proposons un réseau métallique nanostructuré placé en face avant de la cellule reportée sur un miroir métallique afin d'obtenir une absorption très élevée et multi-résonante, indépendante de l’angle d’incidence et de la polarisation. Une analyse numérique approfondie des mécanismes résonants en jeu a été menée ainsi que la fabrication et la caractérisation optique de démonstrateurs. Les résultats de cette étude sont motivants pour des travaux futurs sur les dispositifs ultrafins, mettant en jeu de nouveaux concepts de collection (transport balistique) ou de conversion (cellules solaires à porteurs chauds).Dans un deuxième temps, nous avons étudié la possibilité d’intégrer à court terme un contact arrière nanostructuré en or à des cellules solaires fines (200-400 nm) en CIGS afin d’augmenter potentiellement le courant de court-circuit et la tension de circuit ouvert. Nous avons proposé un procédé innovant pour réaliser cette structure et ce piégeage optique, jusqu’à lors inédits pour les cellules en CIGS. Etude numérique, fabrications de démonstrateurs et premières caractérisations de cellules solaires ultrafines sont présentés. / One of the natural tendencies of photovoltaic technologies is the systematic reduction of the thickness of the solar cells in order to reduce the cost, to save rare or toxic elements or to limit recombination. So far, crystalline thin-film (GaAs) and poly-crystalline (CIGS) technology are reaching optimum conversion efficiency for thicknesses around 1 or 2 microns. Typically, this thickness range does not require new solutions of optical trappings as it is the case for amorphous silicon. However, if we want to reduce these thicknesses by a factor of 10 or even 100 to study new concepts of collections and conversions (GaAs or GaSb) or reduce the use of indium (CIGS), new needs for efficient light absorption are necessary for these technologies. This manuscript is focused on the design, simulation and realization of innovative nanophotonic solutions for future ultra-thin crystalline solar cells.As a first step, we were engaged in an approach at odds with the usual design of solar cells to trap light in a ultra-thin (≤100 nm) layer of material (GaAs, GaSb and CIGS). We propose an array of metal nanostructure placed in front of the cell, transferred on a metal mirror in order to obtain a high, multi-resonant absorption independent of the angle of incidence and polarization. Numerical analysis of the resonant mechanisms involved was conducted as well as the fabrication and optical characterization of demonstrators. The results of this study are motivating for future work on the ultra-thin devices, involving new concepts of collection (ballistic transport) or conversion (hot carrier solar cells).On the other hand, we studied the possibility of integrating a rear gold nanostructured back contact (200-400 nm) in thin CIGS solar cells to potentially increase the current of short circuit and open circuit voltage. We have proposed an innovative process to achieve this structure and the optical trapping for CIGS solar cells. Numerical study, manufacture of demonstrators and first measurements are presented.

Le piégeage optique se présente maintenant, depuis quelques décennies, comme une thématique majeure à l'intersection de diverses disciplines. Depuis les résultats d'Ashkin, de nombreux travaux ont été effectués dans le piégeage et le guidage d'objets physiques (particules, molécules, bactéries, etc.) de toutes tailles. Ces derniers caractériseront alors, devant la longueur d'onde, le domaine optique dans lequel nous nous placerons (Rayleigh, Mie, Optique géométrique).Notre travail porte donc sur l'étude des propriétés de chaînes linéaires périodiques de gouttelettes (huile), placées dans l'eau, et soumises à deux faisceaux laser horizontaux contra-propageants de profil gaussien. Nous démontrons qu'il est possible d'établir un ordre spatial sur un ensemble de grosses gouttes (devant la longueur d'onde) suivant une structure périodique. L'originalité d'un tel système réside dans le fait que la lumière peut alors être refocalisée par l'ensemble des gouttes espacées périodiquement. Cette périodicité peut ainsi, dans certains cas, conférer au faisceau une refocalisation périodique au sein du réseau. Cette première étude, en limite statique, nous permet ainsi de mettre en évidence les conditions de couplage des modes liés aux chaînes de gouttes. En particulier, nous caractérisons la présence de modes de Bloch où le faisceau se propage avec une périodicité équivalente à celle du réseau. Cela nous amène à remarquer que ces conditions modales sont soumises au paramètre de phase gaussien "Thêta" (phase de Gouy). Ainsi, bien que structuré à une échelle largement supérieure, nous mettons en évidence théoriquement des propriétés analogues à celle des cristaux photoniques, conférées par la périodicité des chaînes de gouttes. Ce qui nous permet, en conséquence, de démontrer l'existence de bandes interdites, nous amenant à définir un ensemble de modes guidants/nonguidants de cette chaîne. Cette étude statique est, par la suite, étendue d'un point de vue dynamique en considérant l'effet des forces optiques sur les gouttes. Nous démontrons ainsi qu'il est possible de piéger optiquement de telles gouttes sur des états d'équilibres stables. Au-delà desquels nous mettons en évidence, à travers une étude paramétrique, l'existence de modes oscillants périodiques ou pseudo-périodiques. Enfin, nous prenons en compte les phénomènes de collisions par coalescence, entraînant une réorganisation des répartitions de champs optiques qui peuvent se traduire par de nouvelles configurations de piégeage / Optical trapping appears now, since a few decades, as a major theme at the intersection of variousdisciplines. Since the results of Ashkin, many works were made in the trapping and the guidance of physical objects (particles, molecules, bacteria, etc.) of any sizes. The latter will characterize then, in front of the wavelength, the optical domain in which we shall take place (Rayleigh, Mie, Geometrical Optics).Our work thus concerns the study of the properties of periodic linear chains of droplets (oil), placed in water, and submitted to two counter-propagating horizontal laser beams of gaussian profile. We show that it is possible to establish a spatial order of a set of large drops (in front of the wavelength) in a periodic structure. The originality of such a system lies in the fact that the light can then be refocused by the set of periodically spaced drops. This periodicity may thus, in some cases, confer on the beam a periodic refocusing within the network. This first study, in static limit, allows us to identify the conditions of coupling modes associated with drop channels. In particular, we characterize the presence of Bloch modes where the beam propagates with similar frequency to that of the network. This leads us to note that these modal conditions are submitt to the gaussian phase parameter "Thêta" (Gouy phase). Thus, although structured at a widely higher scale, we highlight theoretically similar properties to that of the photonic crystals, conferred by the periodicity of the chains of drops. This allows us, consequently, to demonstrate the existence of bandgaps, leading us to define a set of guiding/not-guiding modes of this chain. This static study, thereafter, is extended from a dynamic point of view by taking into account the effect of the optical forces on the drops. We show that it is possible to optically trap such drops on stable equilibrium states. Beyond of which we highlight, through a parametric study, the existence of periodic or pseudo-periodic oscillating modes.Finally, we take into account the phenomena of collisions by coalescence, involving a reorganization of the distributions of optical fields which can result in new configurations of trapping.

La microfluidique est une branche récente de la science et de la technologie. Ces quinze dernières années, son développement et son succès ont été principalement dus au concept de labo sur puce (lab-on-a-chip). Ces dispositifs miniaturisés, qu'intègrent plusieurs fonctions de laboratoire, ont été d'un grand intérêt dans différents domaines comme la Physique, la Chimique et la Bio-ingénierie. Lorsque un fluide est confiné dans une structure micro ounanométrique, son comportement est fortement influencé par les interactions avec les surfaces qui l'entourent. Dans ce contexte, la problématique du glissement du fluide sur le solide a été largement étudiée soit théoriquement, soit expérimentalement. Des nouvelles technologies, destinées à augmenter le glissement se sont déjà avérées être une méthode très efficace pour la réduction du frottement fluide/solide. Dans ce contexte, les surfaces superhydrophobes ont sucité l'intérêt de la communauté scientifique et technologique grâce au grand glissement à la paroi qui caractérise ces surfaces. Même si le comportement de ces surfaces a été largement étudié par différentes méthodologies théoriques et numériques, l'approche expérimentale est encore indispensable pour tester et comprendre les propriétés de ces surfaces. Cette thèse a commencé et s'est développée dans un projet plus large qui porte sur la mise en place d'une nouvelle technique pour l'analyse du glissement liquide/solide sur les surfaces superhydrophobes à travers les pièges optiques. Ce manuscrit développe les étapes du projet de recherche qui concernent différents domaines scientifiques comme l'optique, la microscopie, la science des surfaces, la microhydrodynamique, la microfludique et la microfabrication. Les recherches présentées dans cette thèse sont divisées par deux catégories: i) micromanipulation et microscopie holographique, ii) superhydrophobie. / Microfluidics is a very recent branch of science and technology. The development and the success, it has had in the last 15 years, is mainly due to the concept of lab-on-a-chip. Those miniaturized devices, integrating one or more laboratory functions, have aroused great interest among several research areas as physics, chemistry, biology and bioengineering. When a fluid is confined in a micro or nano scale structure, its behaviour is strongly affected by its interactions with the surrounding surfaces. In this context, the theme of fluid/solid slippage has been widely studied both theoretically and experimentally. Innovative technologies to enhance the surface slippage by specifically designing the solid interfaces have reportedly demonstrated to be an effective way to reduce the fluid/solid friction. To this end, superhydrophobic surfaces have increasingly attracted the interest of the scientific and technological community thanks to the large wall-slippage they present for liquid water. Though their behaviour has been extensively investigated through several theoretical and numerical methods, the experimental approaches are still indispensable to test and understand the properties of these surfaces. However, the lack of a general predicting model is also due to the fact that no one of the several existing experimental techniques has shown up as a very reliable one. Indeed, the reported measurements of slippage still depends on the specific adopted method, thwarting attempts to corroborate the proposed theoretical and numerical schemes. Therefore, it is evident that a more sensitive and effective experimental technique is still missing. This thesis began and developed inside the wider project of setting up an innovative technique to investigate the fluid-solid slippage on superhydrophobic surfaces by means of optical tweezers. Even though this project is still going on, this work reports the steps performed along the long way towards this main goal and it consists of a collection of several researches involving different scientific fields as optics, microscopy, surface science, microhydrodynamics, microfluidics and microfabrication. The researches presented in this work can be separated in two main categories: i) holographic micromanipulation and microscopy, ii) superhydrophobicity.

Confiner la lumière dans un volume réduit d'absorbeur photovoltaïque offre de nouvelles voies pour les cellules solaires à haute rendement. Ceci peut être réalisé en utilisant des nanostructures pour le piégeage optique ou des nanofils de semi-conducteurs. Dans une première partie, nous présentons la conception et la fabrication de cellules solaires ultra-minces (205 nm) en GaAs. Nous obtenons des résonances multiples grâce à un miroir arrière nanostructuré en TiO2/Ag fabriqué par nanoimpression, résultant en un courant de court-circuit élevé de 24,6 mA/cm². Nous obtenons le record d’efficacité de 19,9%. Nous analysons les mécanismes des pertes et nous proposons une voie réaliste vers un rendement de 25% en utilisant un absorbeur de GaAs de 200 nm d'épaisseur seulement. Dans une deuxième partie, nous étudions les propriétés de nanofils en GaAs crûs sur substrats Si et nous explorons leur potentiel comme absorbeur photovoltaïque. Un dopage élevé est souhaité dans les cellules solaires à nanofils en jonction coeur-coquille, mais la caractérisation à l'échelle d'un nanofil unique reste difficile. Nous montrons que la cathodoluminescence (CL) peut être utilisée pour déterminer les niveaux de dopage de GaAs de type n et p avec une résolution nanométrique. Les semi-conducteurs III-V de type n présentent une émission décalée vers le bleu, à cause du remplissage de la bande de conduction, tandis que les semi-conducteurs de type p présentent une émission décalée vers le rouge due à la réduction du gap. La loi de Planck généralisée est utilisée pour fitter tout le spectre et ainsi évaluer quantitativement le niveau de dopage. Nous utilisons également la polarimétrie de CL pour déterminer sélectivement les propriétés de phases wurtzite/zinc-blende d'un nanofil unique. Nous montrons enfin des cellules solaires fonctionnelles à nanofils de GaAs. Ces travaux ouvrent des perspectives vers une nouvelle génération de cellules photovoltaïques. / Confining sunlight in a reduced volume of photovoltaic absorber offers new directions for high-efficiency solar cells. This can be achieved using nanophotonic structures for light trapping, or semiconductor nanowires. First, we have designed and fabricated ultrathin (205 nm) GaAs solar cells. Multi-resonant light trapping is achieved with a nanostructured TiO2/Ag back mirror fabricated using nanoimprint lithography, resulting in a high short-circuit current of 24.6 mA/cm². We obtain the record 1 sun efficiency of 19.9%. A detailed loss analysis is carried out and we provide a realistic pathway toward 25% efficiency using only 200 nm-thick GaAs absorber. Second, we investigate the properties of GaAs nanowires grown on Si substrates and we explore their potential as active absorber. High doping is desired in core-shell nanowire solar cells, but the characterization of single nanowires remains challenging. We show that cathodoluminescence (CL) mapping can be used to determine both n-type and p-type doping levels of GaAs with nanometer scale resolution. n-type III-V semiconductor shows characteristic blueshift emission due to the conduction band filling, while p-type semiconductor exhibits redshift emission due to the dominant bandgap narrowing. The generalized Planck’s law is used to fit the whole spectra and allows for quantitative doping assessment. We also use CL polarimetry to determine selectively the properties of wurtzite and zincblende phases of single nanowires. Finally, we demonstrate successful GaAs nanowire solar cells. These works open new perspectives for next-generation photovoltaics.

Nous étudions la possibilité de réaliser des cellules à base de diséléniure de cuivre, indium et gallium (CIGSe) à absorbeur ultra-mince, en réduisant l'épaisseur de la couche de CIGSe de 2500 nm jusqu'à 100 nm, tout en conservant un haut rendement de conversion.Grâce à l'utilisation d'outils de simulation numérique, nous étudions l'influence de la réduction d'épaisseur de l'absorbeur sur les paramètres photovoltaïques de la cellule. Une importante dégradation du rendement est observée, principalement attribuée à une réduction de la fraction de lumière absorbée par le CIGSe ainsi qu'à une collecte des porteurs de charge réduite dans les dispositifs ultraminces. Des solutions permettant de surmonter ces problèmes sont proposées et leur influence potentielle est numériquement simulée ; nous démontrons qu'une ingénierie de face avant (couche tampon alternative, couche anti-réfléchissante...) et de face arrière (contact arrière réfléchissant, diffusion de la lumière) sur une cellule CIGSe à absorbeur ultramince permet de potentiellement améliorer le rendement de la cellule solaire au niveau de celui d'une cellule à absorbeur référence (2.5 μm).Grâce à l'utilisation de techniques de gravure chimique sur des échantillons standards de CIGSe épais, nous réalisons des cellules solaires avec différentes épaisseurs d'absorbeurs, et nous étudions l'influence de l'épaisseur du CIGSe sur les paramètres photovoltaïques des cellules. Le comportement similaire aux simulations numériques.Une ingénierie du contact avant sur des cellules CIGSe à différentes épaisseurs est réalisée pour spécifiquement améliorer l'absorption dans la couche de CIGSe. Nous étudions l'influence d'une couche tampon alternative de ZnS, de la texturation de la fenêtre avant de ZnO:Al, et d'une couche anti-reflet sur la cellule solaire. D'importantes améliorations sont observées quelque soit l'épaisseur de la couche de CIGSe, ce qui permet d'obtenir des rendements de conversions supérieurs à ceux obtenus dans la configuration standard des dispositifs.Une ingénierie du contact arrière à basse température est également réalisée avec l'utilisation d'un procédé novateur combinant la gravure chimique du CIGSe avec un " lift-off " mécanique de la couche de CIGSe afin de la séparer du substrat de Molybdène. De nouveaux matériaux fortement réflecteur de lumière et précédemment incompatible avec le procédé de croissance du CIGSe sont utilisés comme contact arrière pour des cellules CIGSe ultra-minces. Une étude comparative en fonction de l'épaisseur de CIGSe entre des cellules avec contact arrière réfléchissant en Or (Au) et cellules solaires avec contact arrière standard Mo est effectuée. Le contact Au permet d'augmenter significativement le rendement de conversion des cellules solaires à absorbeur sub-microniques comparé au contact standard Mo avec un rendement de conversion supérieur à 10% obtenu sur une cellule CIGSe de 400 nm (comparé à 7.9% avec Mo).Afin de réduire encore plus l'épaisseur de la couche de CIGSe, jusque 100-200 nm, les modèles numériques montrent qu'il est nécessaire d'utiliser un réflecteur lambertien sur la face arrière de la cellule afin de maximiser l'absorption de la lumière. Un dispositif preuve de concept expérimental est réalisé avec une épaisseur de CIGSe de 200 nm et un réflecteur arrière lambertien, et ce dispositif est caractérisé par spectroscopie de transmission/réflexion. La réponse spectrale est déterminée en combinant des valeurs issues de simulation numérique et la mesure expérimental de l'absorption du dispositif. Nous calculons un courant de court circuit de 26 mA.cm-2 pour ce dispositif avec réflecteur lambertien, bien supérieur à ce qui est calculé pour la même structure sans réflecteur (15 mA.cm-2), et comparable au courant mesuré sur une cellule de référence de 2500 nm (28 mA.cm-2). L'utilisation de réflecteur lambertien pour des cellules CIGSe ultraminces est donc particulièrement adaptée pour maintenir de hauts rendements.

Ce travail s'inscrit dans la perspective d'obtenir des gaz quantiques dipolaires : condensat<br />de Bose-Einstein du 52Cr et mer de Fermi dégénérée du 53Cr. Le fort moment magnétique de 6 µB<br />dans l'état fondamental, la structure électronique en lambda et la présence d'un isotope fermionique rendent<br />en effet l'atome de chrome attractif pour des expériences d'atomes froids.<br />Le dispositif expérimental mis en place ressemble à une expérience de piégeage sur un atome<br />usuel. Néanmoins, des solutions technologiques spécifiques pour réaliser un four à haute température<br />ou générer un faisceau laser à 425,5 nm non modulé ont été adoptées. De plus, deux projets que j'ai<br />menés à bien sont détaillés : l'asservissement en température d'une cavité Fabry Perot et le système<br />d'imagerie par absorption.<br />Les pièges magnéto-optiques de 52Cr et de 53Cr obtenus contiennent respectivement 4.10^6 et<br />5.10^5 atomes pour des densités de 8.10^10 et 2,5.10^10 cm^−3. Ces deux pièges présentent des caractéristiques<br />similaires : un fort taux de collisions à deux corps de l'ordre de 5.10^−9 cm^−3.s^−1 et un taux<br />de pertes à un corps de 169 s^−1 pour le 52Cr et de 280 s^−1 pour le 53Cr dû à une desexcitation vers<br />des états métastables. Cette dernière propriété permet d'accumuler en continu 2.10^7 atomes de 52Cr<br />et 8.10^5 atomes de 53Cr dans un piège quadripolaire formé par les bobines du piège magnéto-optique.<br />La première obtention et caractérisation d'un piège magnéto-optique mixte d'un mélange 52Cr-53Cr<br />est aussi exposée.<br />L'accumulation d'atomes bosoniques métastables dans un piège optique superposé à un piège<br />magnétique linéaire est étudiée. Ce piège original permet de réaliser le premier piège optique d'atomes<br />dans des états métastables. En un temps très rapide de 100 ms, le piège optique contient 2.10^6 atomes<br />métastables avec une densité de 10^11 cm^−3. Ce résultat constitue une première étape vers l'obtention<br />d'un piège optique croisé où les atomes seront polarisés puis refroidis sous le seuil de condensation.

L’amincissement des cellules solaires semi-conductrices est motivé par la réduction des coûts de production et l’augmentation des rendements de conversion. Mais en deçà de quelques centaines de nanomètres, il requiert de nouvelles stratégies de piégeage optique. Nous proposons d’utiliser des concepts de la nanophotonique et de la plasmonique pour absorber la lumière sur une large bande spectrale dans des couches ultrafines de GaAs. Nous concevons et fabriquons pour ce faire des structures multi-résonantes formées de réseaux de nanostructures métalliques. Dans un premier temps, nous montrons qu’il est possible de confiner la lumière dans une couche de 25 nm de GaAs à l’aide d’une nanogrille bidimensionnelle pouvant servir de contact électrique en face avant. Nous analysons numériquement les modes résonants qui conduisent à une absorption moyenne de 80% de la lumière incidente entre 450 nm et 850 nm. Ces résultats sont validés par la fabrication et la caractérisation de super-absorbeurs ultrafins multi-résonants. Dans un second temps, nous appliquons une approche similaire dans le but d’obtenir des cellules photovoltaïques dix fois plus fines que les cellules GaAs records, avec des absorbeurs de 120 nm et 220 nm seulement. Un miroir arrière nanostructuré en argent, associé à des contacts ohmiques localisés, permet d’améliorer l’absorption tout en garantissant une collecte optimale des porteurs photo-générés. Nos calculs montrent que les densités de courant de court-circuit (Jsc) dans ces structures optimisées peuvent atteindre 22.4 mA/cm2 et 26.0 mA/cm2 pour les absorbeurs d’épaisseurs respectives t=120 nm et t=220 nm. Ces performances sont obtenues grâce à l’excitation d’une grande variété de modes résonants (Fabry-Pérot, modes guidés,…). En parallèle, nous avons développé un procédé de fabrication complet de ces cellules utilisant la nano-impression et le transfert des couches actives. Les mesures montrent des Jsc records de 17.5 mA/cm2 (t=120 nm) et 22.8 mA/cm2 (t=220 nm). Ces résultats ouvrent la voie à l’obtention de rendements supérieurs à 20% avec des cellules solaires simple jonction d’épaisseur inférieure à 200 nm. / The thickness reduction of solar cells is motivated by the reduction of production costs and the enhancement of conversion efficiencies. However, for thicknesses below a few hundreds of nanometers, new light trapping strategies are required. We propose to introduce nanophotonics and plasmonics concepts to absorb light on a wide spectral range in ultrathin GaAs layers. We conceive and fabricate multi-resonant structures made of arrays of metal nanostructures. First, we design a super-absorber made of a 25 nm-thick GaAs slab transferred on a back metallic mirror with a top metal nanogrid that can serve as an alternative front electrode. We analyze numerically the resonance mechanisms that result in an average light absorption of 80% over the 450nm-850nm spectral range. The results are validated by the fabrication and characterization of these multi-resonant super-absorbers made of ultrathin GaAs. Second, we use a similar strategy for GaAs solar cells with thicknesses 10 times thinner than record single-junction photovoltaic devices. A silver nanostructured back mirror is used to enhance the absorption efficiency by the excitation of various resonant modes (Fabry-Perot, guided modes,…). It is combined with localized ohmic contacts in order to enhance the absorption efficiency and to optimize the collection of photogenerated carriers. According to numerical calculations, the short-circuit current densities (Jsc) can reach 22.4 mA/cm2 and 26.0 mA/cm2 for absorber thicknesses of t=120 nm and t=220 nm, respectively. We have developed a fabrication process based on nano-imprint lithography and on the transfer of the active layers. Measurements exhibit record short-circuit currents up to 17.5 mA/cm2 (t=120 nm) and 22.8 mA/cm2 (t=220 nm). These results pave the way toward conversion efficiencies above 20% with single junction solar cells made of absorbers thinner than 200 nm.

Nous étudions la possibilité de réaliser des cellules à base de diséléniure de cuivre, indium et gallium (CIGSe) à absorbeur ultra-mince, en réduisant l’épaisseur de la couche de CIGSe de 2500 nm jusqu’à 100 nm, tout en conservant un haut rendement de conversion.Grâce à l’utilisation d’outils de simulation numérique, nous étudions l’influence de la réduction d’épaisseur de l’absorbeur sur les paramètres photovoltaïques de la cellule. Une importante dégradation du rendement est observée, principalement attribuée à une réduction de la fraction de lumière absorbée par le CIGSe ainsi qu’à une collecte des porteurs de charge réduite dans les dispositifs ultraminces. Des solutions permettant de surmonter ces problèmes sont proposées et leur influence potentielle est numériquement simulée ; nous démontrons qu’une ingénierie de face avant (couche tampon alternative, couche anti-réfléchissante…) et de face arrière (contact arrière réfléchissant, diffusion de la lumière) sur une cellule CIGSe à absorbeur ultramince permet de potentiellement améliorer le rendement de la cellule solaire au niveau de celui d’une cellule à absorbeur référence (2.5 μm).Grâce à l’utilisation de techniques de gravure chimique sur des échantillons standards de CIGSe épais, nous réalisons des cellules solaires avec différentes épaisseurs d’absorbeurs, et nous étudions l’influence de l’épaisseur du CIGSe sur les paramètres photovoltaïques des cellules. Le comportement similaire aux simulations numériques.Une ingénierie du contact avant sur des cellules CIGSe à différentes épaisseurs est réalisée pour spécifiquement améliorer l’absorption dans la couche de CIGSe. Nous étudions l’influence d’une couche tampon alternative de ZnS, de la texturation de la fenêtre avant de ZnO:Al, et d’une couche anti-reflet sur la cellule solaire. D’importantes améliorations sont observées quelque soit l’épaisseur de la couche de CIGSe, ce qui permet d’obtenir des rendements de conversions supérieurs à ceux obtenus dans la configuration standard des dispositifs.Une ingénierie du contact arrière à basse température est également réalisée avec l’utilisation d’un procédé novateur combinant la gravure chimique du CIGSe avec un « lift-off » mécanique de la couche de CIGSe afin de la séparer du substrat de Molybdène. De nouveaux matériaux fortement réflecteur de lumière et précédemment incompatible avec le procédé de croissance du CIGSe sont utilisés comme contact arrière pour des cellules CIGSe ultra-minces. Une étude comparative en fonction de l’épaisseur de CIGSe entre des cellules avec contact arrière réfléchissant en Or (Au) et cellules solaires avec contact arrière standard Mo est effectuée. Le contact Au permet d’augmenter significativement le rendement de conversion des cellules solaires à absorbeur sub-microniques comparé au contact standard Mo avec un rendement de conversion supérieur à 10% obtenu sur une cellule CIGSe de 400 nm (comparé à 7.9% avec Mo).Afin de réduire encore plus l’épaisseur de la couche de CIGSe, jusque 100-200 nm, les modèles numériques montrent qu’il est nécessaire d’utiliser un réflecteur lambertien sur la face arrière de la cellule afin de maximiser l’absorption de la lumière. Un dispositif preuve de concept expérimental est réalisé avec une épaisseur de CIGSe de 200 nm et un réflecteur arrière lambertien, et ce dispositif est caractérisé par spectroscopie de transmission/réflexion. La réponse spectrale est déterminée en combinant des valeurs issues de simulation numérique et la mesure expérimental de l’absorption du dispositif. Nous calculons un courant de court circuit de 26 mA.cm-2 pour ce dispositif avec réflecteur lambertien, bien supérieur à ce qui est calculé pour la même structure sans réflecteur (15 mA.cm-2), et comparable au courant mesuré sur une cellule de référence de 2500 nm (28 mA.cm-2). L’utilisation de réflecteur lambertien pour des cellules CIGSe ultraminces est donc particulièrement adaptée pour maintenir de hauts rendements. / In this thesis, we investigate on the possibility to realize ultrathin absorber Copper Indium Gallium Di-Selenide (CIGSe) solar cells, by reducing the CIGSe thickness from 2500 nm down to 100 nm, while conserving a high conversion efficiency.Using numerical modeling, we first study the evolution of the photovoltaic parameters when reducing the absorber thickness. A strong decrease of the efficiency of the solar cell is observed, mainly related to a reduced light absorption and carrier collection for thin and ultrathin CIGSe solar cells. Solutions to overcome these problems are proposed and the potential improvements are modeled; we show that front side (buffer layer, antireflection coating) and back side (reflective back contact, light scattering) engineering of an ultrathin device can potentially increase the conversion efficiency up to the level of a standard thick CIGSe solar cell.By using chemical bromine etching on a standard thick CIGSe layer, we realize solar cells with different absorber thicknesses and experimentally study the influence of the absorber thickness on the photovoltaic parameters of the devices. Experiments show a similar trends to that observed in numerical modeling.Front contact engineering on thin CIGSe solar cell is realized to increase the specific absorption in CIGSe, including alternative ZnS buffer, front ZnO:Al window texturation and anti-reflection coating. Substantial improvements are observed whatever the CIGSe thickness, with efficiencies higher that the default configuration.A back contact engineering at low temperature is realized by using an innovative approach combining chemical etching of the CIGSe and mechanical lift-off of the CIGSe from the original Molybdenum (Mo) substrate. New highly reflective materials previously incompatible with the standard solar cell process are used as back contact for thin and ultrathin CIGSe solar cells, and a comparative study between standard Mo back contact and alternative reflective Au back contact solar cells is performed. The Au back reflector significantly enhance the efficiency of solar cell with sub-micrometer absorbers compared to the standard Mo back reflector; an efficiency higher than 10 % on a 400 nm CIGSe is obtained with Au back contact (7.9% with standard Mo back contact). For further reduction of the absorber thickness down to 100-200 nm, numerical modeling show that a lambertian back reflector is needed to fully absorb the incident light in the CIGSe. An experimental proof of concept device with a CIGSe thickness of 200 nm and a lambertian back reflector is realized and characterized by reflection/transmission spectroscopy, and the experimental spectral response is determined by combining simulation and experimentally measured absorption. A short circuit current of 26 mA.cm-2 is determined with the lambertian back reflector, which is much higher than what is obtained for the same device with no reflector (15 mA.cm-2), and comparable to the short circuit current measured on a reference 2500 nm thick CIGSe solar cell (28 mA.cm-2). Lambertian back reflectors are therefore found to be the most effective way to enhance the efficiency of an ultrathin CIGSe solar cell up to the level of a reference thick CIGSe solar cell.

Dans la perspective d'étudier les interactions dipolaires dans des gaz de bosons et de fermions dégénérés, nous avons mis en place un dispositif expérimental pour refroidir et piéger les atomes de chrome (Cr). Il faut pour cela recourir à des solutions technologiques particulières, comme l'utilisation d'un four à haute température (∼ 1500◦C) et d'un dispositif laser délivrant une puissance lumineuse élevée à 425nm. Nos expériences permettent d'obtenir des pièges magnéto-optiques pour les deux isotopes majoritaires du Cr (le 52Cr bosonique et le 53Cr fermionique). Ces pièges sont caractérisés par des forts taux de collisions inélastiques assistées par la lumière, que nous avons étudié expérimentalement et théoriquement. La présence de fuites vers des états métastables permet l'accumulation dans des pièges magnétiques d'un nombre conséquent d'atomes. Nous avons aussi étudié la possibilité de modifier la forme de ces pièges, à l'aide de champs RF. Les propriétés collisionelles des états métastables sont étudiées en détail. Finalement, nous avons mis en oeuvre une nouvelle méthode de chargement en continu d'un piège optique avec plus d'un million d'atomes métastables de 52Cr, à 100μK. La polarisation des atomes de Cr dans l'état minimal en énergie du niveau fondamental ouvre des perspectives pour atteindre la condensation de Bose-Einstein du chrome par refroidissement évaporatif.