Dans un contexte de fort déploiement du Photovoltaïque (PV), de plus en plus de recherches sont menées pour assurer une certaine fiabilité et prédictibilité de la production provenant du PV. Les investisseurs se plaignent d’un manque de visibilité dans cette filière et hésitent à investir dans le PV (surtout avec les baisses régulières des tarifs de rachats). Il est donc nécessaire pour le développement de la filière PV de faire des efforts pour étudier, comprendre les systèmes PV en fonctionnement et ainsi donner plus de visibilité pour l’amélioration des systèmes, leur monitoring, une plus grande fiabilité et pouvoir prédire plus précisément le productible PV en améliorant les modèles de prédiction du productible PV déjà existants.C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse qui a pour but de caractériser les modules PV en conditions réelles d’utilisation en fonction des différentes technologies. Nous étudions, dans cette thèse, les facteurs extérieurs qui influent sur le comportement des modules de différentes filières, pour tenter de rendre le PV plus fiable et prédictible. C’est donc un axe de recherche qui vient en complément de la caractérisation en laboratoire qui a pour objectif l’amélioration des rendements des cellules.Pour y parvenir il est nécessaire, dans un premier temps, de connaitre les paramètres extérieurs qui influent sur le fonctionnement du module et savoir comment les étudier. Une partie de la thèse est par conséquent consacrée à l'étude des facteurs météorologiques et atmosphériques ayant un impact sur le comportement électrique du module ainsi que la mise en place d'instruments et méthodes pour les mesurer. On présente également les avantages et inconvénients de la caractérisation en extérieur.Après avoir exposé tous les paramètres à prendre en compte, on décrit l'installation de plusieurs plateformes de caractérisation de modules PV entièrement automatisées que l'on a monté au cours de cette thèse au LGEP ainsi qu'à l'École Polytechnique et qui ont toutes un objectif particulier.Ce manuscrit montre par la suite les différentes applications et utilités que peuvent avoir de telles plateformes en analysant les données enregistrées régulièrement (toutes les minutes en moyenne) sur des périodes allant de quelques jours à plusieurs mois. On compare, par la même occasion, les données constructeur prises en conditions standard de test et les performances mesurées dans de nombreuses conditions de modules PV. Les résultats obtenus peuvent servir à la fois pour la recherche, l'aide à la compréhension du comportement des modules, par conséquent aide à la prévision du productible d'installation PV et peuvent avoir un rôle pédagogique dans l'enseignement du PV.Enfin, une dernière partie est dédiée à la description et à la démonstration de faisabilité d'une carte qui permet d'obtenir les caractéristiques principales de n'importe quel module PV en les extrayant de la courbe I(V) mesurée. Cette carte, développée au LGEP, a d'autres utilités telles que la recherche du point de fonctionnement maximale du module (MPPT). / Nowadays, photovoltaic (PV) keeps growing fast and an increasing number of studies is require in order to assure the reliability and predictability of the PV-produced electricity. The lack of visibility concerning this field is a continuous source of complaints from the investors who hesitate to commit to PV projects (especially after the decrease of buying prices in Europe). Therefore, to assure the successful increase of PV energy, it is necessary to provide studies aiming at better understanding PV systems in real operations conditions, that means in outdoor conditions.The goal of this doctoral work has been to characterize different PV module technologies in their real use conditions. The outdoor parameters that influence the behavior of different module technologies have been investigated. The goal was to obtain useful information which could make PV-produced electricity more reliable. Therefore, these studies can efficiently complete standard laboratory characterization tests made under a single condition, the purpose of which is usually to determine the efficiency of the different solar cells technologies.To achieve this goal, first it has been necessary to define the outdoor parameters that mainly influence the modules and the most suitable methods to be used for their investigation. For this reason, part of this doctoral work has been devoted to the study of weather and atmospheric factors affecting the electrical behavior of the modules, as well as setting up instruments and methods to measure them. Additionally, advantages and disadvantages of outdoors characterizations have been addressed.Then, after multiple fully automated PV platforms, mounted at the LGEP and at Ecole Polytechnique, thanks to a collaboration with the Laboratoire de Méteorologie Dynamique (LMD). The different applications and uses of these platforms have been highlighted by analyzing data recorded periodically (every minute on average) over periods ranging from days to several months. Manufacturer data, which are acquired in standard test conditions, and the performance measured in several conditions are compared. These results can be used for both research, understanding the behavior of the modules, help in predicting the energy yield of PV system and also to stress the educational role in teaching PV.Finally, the feasibility of an electric card that provides the main characteristics of any PV module by extracting the measured I(V) curve is described. Such electric card, developed at the LGEP, has other uses such as the determination of the maximum operating point.

Au cours des dernières années, la communauté scientifique s'est intéressée de plus en plus à l'acquisition de sources d'énergie renouvelables vertes et propres par rapport aux combustibles fossiles traditionnels. Le rayonnement solaire est une source particulièrement abondante d'énergie renouvelable qui a été largement utilisée dans les véhicules, les machines et les bâtiments, entre autres. Il y a généralement deux manières différentes d'utiliser l'énergie solaire: la chaleur et l'électricité. La principale motivation de ce travail de thèse est d'utiliser cette abondante source d'énergie pour produire une petite fraction de la tension et du courant continu de sortie. Puisque le spectre solaire se situe dans les longueurs d'onde à l'échelle nanométrique ou dans la bande térahertz, les antennes optiques seront utilisées comme une nouvelle technologie de nanotechnologie pour capter et récolter l'énergie solaire. Les antennes optiques ont des propriétés similaires à celles de leurs homologues micro-ondes, mais leur avantage réside dans des moyens sans précédent pour adapter les champs électromagnétiques dans tous leurs aspects et applications. Par conséquent, avec les détails mentionnés ci-dessus, l'idée principale de cette thèse est de capturer le rayonnement infrarouge solaire et l'utiliser pour produire une tension continue de sortie. La première partie de cette thèse est consacrée à la compréhension du fonctionnement de la collecte d'énergie par radiofréquence (RF) et à la présentation d'un concept de rectenna. La deuxième partie traite de l'introduction et de la simulation d'antennes optiques à base de résonateurs diélectriques (DR) car elles offrent moins de pertes à la bande THz. Deux conceptions de DR différentes sont proposées fonctionnant à la fréquence centrale de 193,5 THz (longueur d'onde 1550 nm). La troisième partie traite de la contribution principale à ce travail en termes de conception, simulation et fabrication d'une antenne optique Yagi-uda à haut gain et large bande. La technique de lithographie par faisceau d'électrons est utilisée pour réaliser la structure proposée. En dehors de la conception de l'élément unique Yagi-uda, diverses configurations de réseau ont été simulées avec la réalisation d'un réseau d'éléments 100 x 100 fabriqué sur un substrat de silicium. Pour produire une certaine quantité de tension de sortie, deux techniques ont été utilisées pour tester le réseau d'antennes optiques Yagi-uda. La première technique impliquait l'intégration du réseau Yagi-uda avec une diode fermionique du commerce qui produisait une tension de sortie de 0,15 V par excitation à partir d'une lumière visible et de 0,52 V par excitation directe à partir d'un laser à 1550 nm. La deuxième technique est basée sur la dissipation thermique entre des métaux dissemblables produisant une tension de sortie. Quatre lasers à longueurs d'onde différents (532 nm, 650 nm, 940 nm et 1550 nm) ont excité trois conceptions de nantenna réalisées. Parmi ces conceptions, la tension de sortie maximale de 0,82 V a été produite par le réseau Yagi-uda lorsqu'il est excité via un laser de 1550 nm. / Recent years have witnessed an increased interest by the scientific community to acquire green and clean renewable sources of energy compared to traditional fossil fuels. Solar radiation is one particular abundant source of renewable energy that has been widely applied in vehicles, machines, and buildings, among others. There are generally two different ways in which solar energy is used – heat and electricity. The main motivation of this thesis work is to utilize that abundant source of energy in producing a small fraction of output DC voltage and current. Since the solar spectrum lies in the nano scale wavelengths or terahertz band, optical antennas as a novel nano fabrication technology will be used to capture and harvest the solar energy. Optical antennas have properties similar to their microwave counterparts, but the advantage they have is in terms of unprecedented means to tailor electromagnetic fields in all its aspects and applications. Therefore, with the aforementioned details, the main idea of this thesis is to capture the solar infrared radiation and utilize it for producing output DC voltage. The first part of this thesis is dedicated to understanding the working of radio frequency (RF) energy harvesting and presenting a rectenna design. The second part deals with the introduction and simulation of optical antennas based of dielectric resonators (DR) as they offer fewer losses at the THz band. Two different DR designs are proposed working at the center frequency of 193.5 THz (1550 nm wavelength). The third part discusses the main contribution to this work in terms of design, simulation and fabrication of a high gain and wideband Yagi-uda optical antenna. E-beam lithography technique is used to realize the proposed structure. Apart for the single element Yagi-uda design, various array configurations have been simulated with realization of a 100 x 100 elements array fabricated on a silicon substrate. To produce a certain amount of output voltage, two techniques were deployed in testing the realized Yagi-uda optical antenna array. The first technique involved integration of the Yagi-uda array with a commercial fermionic diode that produced output voltage of 0.15 V via excitation from a visible light and 0.52 V with direct excitation from a 1550 nm laser. The second technique is based on thermal dissipation among dissimilar metals producing an output voltage. Four different wavelength (532 nm, 650 nm, 940 nm and 1550 nm) lasers excited three realized nantenna designs. Among these designs, the maximum output voltage of 0.82 V was produced by the Yagi-uda array when excited via 1550 nm laser.

La connaissance du flux UltraViolet (UV) solaire et de sa variabilité dans le temps est un problème clé aussi bien dans le domaine de l'aéronomie qu'en physique solaire. Alors que l'extrême UV, entre 10 et 121 nm, est important pour la caractérisation de l'ionosphère, l'UV entre 121 et 300 nm l'est tout autant pour les modélisations climatiques. La mesure continue de l'irradiance dans l'UV est cependant une tâche ardue. En effet, les instruments spatiaux étant dans un environnement hostile se dégradent rapidement. De nombreux modèles basés sur des indices solaires sont alors utilisées lorsque peu de données sont disponibles. Pourtant, l'utilisation de ces indices ne permet pas d'atteindre aujourd'hui une précision suffisante pour les différentes applications en météorologie de l'espace. Comme alternative, ce travail de thèse met en avant l'utilisation de bandes passantes pour reconstruire l'irradiance solaire dans l'UV. En utilisant des méthodes d'analyse statistique multivariée, ce travail met tout d'abord en évidence la forte cohérence de la variabilité spectrale de l'irradiance dans l'UV, ainsi que ses principales caractéristiques. Une première étape consiste à utiliser des bandes passantes existantes afin de tester la faisabilité de notre approche: le flux UV peut ainsi être reconstruit avec une erreur relative d'environ 20%, une bien meilleure performance qu'avec l'utilisation d'indices solaires. Ce travail propose ensuite plusieurs choix pour définir un futur instrument d'un genre nouveau. Afin de limiter les problèmes de dégradation liés à l'utilisation de filtres, les nouveaux détecteurs à matériaux à large bande interdite permettent de sélectionner la bande spectrale, notamment pour l'UV à partir de 120 nm. Enfin, une modélisation de l'impact du flux UV solaire sur l'atmosphère de Ganymède est exposée. Les émissions atmosphériques pour quelques espèces sont alors calculées, afin de proposer quelques recommandations pour les futures missions pour Jupiter.