Les verres métalliques sont des matériaux récents (≈ 50 ans), obtenus par refroidissement rapide d'un alliage en fusion. La structure amorphe de ces matériaux leur confère des propriétés particulières : une très grande résistance mécanique (limite à la rupture de l'ordre de 1,7 GPa pour des alliages base Zr), une déformation élastique de l'ordre de 2% mais pas ou peu de ductilité. Les compositions pouvant être élaborées à l'état amorphe, et, sous forme massive, sont en nombre limité. Le travail présenté dans ce manuscrit démontre la possibilité de consolider par frittage SPS (Spark Plasma Sintering), des poudres amorphes obtenues par atomisation (Фmoy.≈70 μm), tout en conservant majoritairement le caractère amorphe. L'optimisation de ce protocole, avec la composition Zr57Cu20Al10Ni8Ti5, a permis de retrouver le même comportement mécanique qu'un verre massif monolithe. Une cristallisation partielle du matériau se produit cependant aux points de contact des particules, mais pourrait être réduite en poursuivant le modèle de frittage esquissé dans ce manuscrit. Aux vues de ces résultats, la conception de nouvelles compositions, et leur élaboration sous forme de rubans, ont été menées. La caractérisation par nano-indentation permet d'estimer de manière fiable les propriétés mécaniques de ces alliages. Enfin, une nouvelle méthode d'évaluation du volume d'activation, qui est le volume élémentaire cisaillé initiant la déformation plastique, est présentée. Il s'agit de l'analyse statistique d'essais de pseudo-fluage en nano-indentation, réalisés à température ambiante. En conclusion, ce travail propose de nouvelles perspectives d'élaboration de verre métalliques sous forme massive dans une gamme de composition bien plus large

Cette thèse vise à avancer dans la compréhension de la formation récemment découverte de carbonates amorphes intracellulaires par des cyanobactéries. Des synthèses abiotiques ont permis de produire des carbonates similaires aux inclusions intracellulaires en termes de morphologie, structure et composition chimique. Ceci a permis notamment de discuter les conditions chimiques présentes dans le milieu intracellulaire de ces bactéries, qui semblent incompatibles avec les connaissances actuelles de l’intérieur des cyanobactéries. Plusieurs souches de cyanobactéries formant ou non des carbonates intracellulaires ont été cultivées en laboratoire. Des études de chimie des solutions sur le milieu extracellulaire ont montré que la précipitation intracellulaire est un processus actif pour la cellule, c’est-à-dire nécessitant de l’énergie. De plus, les cyanobactéries formant des carbonates de calcium intracellulaires imposent de faibles concentrations en calcium dans leur milieu de vie. Le suivi de la formation de carbonates intracellulaires dans des milieux contrôlés a aussi permis de démontrer qu’une espèce formait spécifiquement des carbonates de baryum et de strontium grâce à une affinité pour le baryum supérieure à celle pour le strontium, elle-même supérieure à celle pour le calcium. Ceci ouvre des perspectives intéressantes pour la dépollution et questionne l’utilisation des rapports Sr/Ca comme proxy des paléo-environnements. / In this thesis we study the recently discovered formation of intracellular amorphous carbonates by cyanobacteria. Abiotic syntheses produced carbonates with a morphology, structure and composition similar as intracellular inclusions. The intracellular chemical conditions in the cyanobacteria can be discussed; they seem inconsistent with our current knowledge about cyanobacteria. Several cyanobacterial strains, forming intracellular carbonates or not, were cultured in the laboratory. Analyses of the chemical composition of extracellular solutions showed that intracellular precipitation is an active process, i.e., it needs energy. Also, cyanobacteria forming intracellular calcium carbonates imposed low concentrations in calcium in their living environment. Monitoring the formation of intracellular carbonates in controlled environments also demonstrated that one species formed carbonates of barium and strontium owing to an affinity for barium higher than for strontium and higher for strontium than calcium. This feature opens interesting perspectives on bioremediation and questions the use of Sr/Ca ratios as a proxy for paleo-environments.

Les verres métalliques sont des matériaux récents (≈ 50 ans), obtenus par refroidissement rapide d'un alliage en fusion. La structure amorphe de ces matériaux leur confère des propriétés particulières : une très grande résistance mécanique (limite à la rupture de l'ordre de 1,7 GPa pour des alliages base Zr), une déformation élastique de l'ordre de 2% mais pas ou peu de ductilité. Les compositions pouvant être élaborées à l’état amorphe, et, sous forme massive, sont en nombre limité. Le travail présenté dans ce manuscrit démontre la possibilité de consolider par frittage SPS (Spark Plasma Sintering), des poudres amorphes obtenues par atomisation (Фmoy.≈70 μm), tout en conservant majoritairement le caractère amorphe. L’optimisation de ce protocole, avec la composition Zr57Cu20Al10Ni8Ti5, a permis de retrouver le même comportement mécanique qu’un verre massif monolithe. Une cristallisation partielle du matériau se produit cependant aux points de contact des particules, mais pourrait être réduite en poursuivant le modèle de frittage esquissé dans ce manuscrit. Aux vues de ces résultats, la conception de nouvelles compositions, et leur élaboration sous forme de rubans, ont été menées. La caractérisation par nano-indentation permet d’estimer de manière fiable les propriétés mécaniques de ces alliages. Enfin, une nouvelle méthode d’évaluation du volume d’activation, qui est le volume élémentaire cisaillé initiant la déformation plastique, est présentée. Il s’agit de l’analyse statistique d’essais de pseudo-fluage en nano-indentation, réalisés à température ambiante. En conclusion, ce travail propose de nouvelles perspectives d’élaboration de verre métalliques sous forme massive dans une gamme de composition bien plus large / The metallic glasses are relatively new materials (≈ 50 years), produced by quenching a molten alloy. The amorphous structure of these materials gives them unique properties: very high strength (fracture stress is about 1.7 GPa for Zr based alloys), an elastic deformation reaching 2%, but little or no ductility. The compositions, which could produce both amorphous and bulk samples, are limited. The work, detailed in this manuscript, shows the possibility of sintering using SPS (Spark Plasma Sintering) amorphous powders obtained by atomization (Фaverage ≈ 70 microns). The result is a fully densified and near fully amorphous sample. The optimization of this technique, with the composition Zr57Cu20Al10Ni8Ti5, gave samples for which mechanical behaviour is close to the bulk metallic glass behaviour. However, partial crystallization of the material occurs, localized at the contact points of particles, but could be reduced by deepening the sintering model outlined in this manuscript. In view of these results, new compositions are designed, and the production of ribbons was conducted. The characterization by nano-indentation estimates reliably the mechanical properties of these alloys. Finally, a new method, evaluating the activation volume, which is the elementary volume initiating plastic deformation, is presented. This technique is a statistical analysis of pseudo-creep tests performed by nano-indentation, at room temperature. In conclusion, this work opens new perspectives to develop bulk samples in broad range of compositions

Ce travail a pour but d'implémenter des procédés d’implantation ionique pour des cellules solaires à hétérojonctions de silicium (SHJ) afin d'en simplifier le procédé de fabrication ou d’en augmenter les performances.Nous avons d'abord étudié le procédé pour réaliser le dopage des couches de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). Par ce nouveau procédé, il est possible de réaliser des dopages localisés de manière simple, à travers des masques, ce qui peut permettre une diminution des coûts de fabrication de certains types de cellules SHJ comme les cellules à contacts interdigités à l'arrière. Les implantations de phosphore et de bore ont été étudiées, pour la réalisation de dopage respectivement de type n et p. Les comportements et les conclusions sont très différents pour ces deux types de dopage. Le phosphore étant plus lourd que le bore, il est possible de l'implanter dans des couches très minces sans endommager fortement l'interface avec le silicium cristallin, mais la création très importante de défauts dans le a-Si:H, résistant à des recuits post-implantation, conduit à de fortes dégradations des propriétés électriques du a-Si:H, et il n'a pas été possible d'atteindre des niveaux de conductivité suffisants. Au contraire, pour le bore, conformément à des résultats de la littérature, les atomes sont activés plus facilement par un recuit post-implantation grâce à la forte diminution de la concentration de défauts localisés. Cependant, le bore, implanté plus profondément, atteint e plus facilement l'interface, ce qui nécessite des recuits à plus haute température pour guérir les défauts d'interface. Néanmoins, pour des couches de a-Si:H de l'ordre de 25 nm, nous avons pu trouver des conditions technologiques permettant d'obtenir des propriétés comparables à celles obtenues par le procédé classique de dépôt de (p) a Si:H assisté par plasma, à savoir des valeurs élevées de conductivités du a-Si:H (10-4 Ω-1cm-1) et de passivation d’interface (i VOC > 700 mV).Une deuxième partie de ce travail est consacrée à l’étude d’une nouvelle cellule, dite à homo hétérojonction de silicium (HHJ) comprenant un homo-émetteur additionnel (p+) c-Si à l’hétéro-interface côté émetteur. Le but est d’améliorer la passivation de l’interface afin d’augmenter le rendement de la cellule. Des simulations numériques ont mis en évidence une augmentation de FF de la cellule HHJ, que nous avons pu attribuer à une meilleure passivation par effet de champ et à une diminution de la résistance globale du a-Si:H due à des modifications des courbures de bandes. Elles ont aussi montré la nécessité d’un homo-émetteur suffisamment mince et fortement dopé (5×1018 cm-3). De ce fait, nous avons utilisé le procédé d’implantation ionique pour développer des profils de bore adéquats et avons pu vérifier expérimentalement que l'incorporation de la couche de (p+) c-Si permet la diminution de la résistance de contact et l'amélioration de la passivation de l'interface (i) a-Si:H/(p+) c-Si par effet de champ lorsque la concentration de bore en surface n'est pas trop importante. Ces deux améliorations ont pu être concrétisées dans la réalisation de cellules présentant une amélioration du facteur de forme et de meilleurs rendements de conversion par rapport à des cellules SHJ de référence. Cette réalisation constitue la première preuve de concept pour les cellules de type HHJ. / This work aims at investigating the use of ion implantation to process silicon heterojunction solar cells (SHJ) in order to improve the ratio of cost to produced power (€/Wp) of the cells either by cost reduction due to manufacturing simplification or by increase of the cell performance.A first part of the work consists in doping hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) layers by ion implantation. Using hard masks, doping of localized regions required in cell architectures like interdigitated back contact cells can thus be easily achieved at lower cost. Both boron and phosphorus implantation have been studied for p- and n-type doping, respectively. These two types behave very differently. Phosphorous being heavier than boron, very shallow implantation can be achieved on thin a-Si:H layers onto crystalline wafers without damaging the interface. However very high defect densities are created in a-Si:H which cannot be annealed out by post-implantation annealing treatments. Therefore it was not possible to reach conductivity values suitable for solar cell applications. For B implantation, consistently with previous work, the activation of B atoms has been achieved upon annealing thanks to a decrease of localized bandgap states. Also, boron can penetrate deeper and reach high concentration at the a-Si:H/c-Si interface, which requires higher temperature annealing compared to P implantation to recover a good interface passivation quality. Nevertheless, for a-Si:H layers of about 25 nm process conditions allowing similar properties to PECVD-doped (p) a-Si:H deposition (i.e. conductivity of 10-4 Ω-1cm-1 and interface passivation allowing i-VOC > 700 mV) have been obtained.A second study is dedicated to the study of a new cell concept, named silicon homo-heterojunction (HHJ) which comprise an additional homo-emitter (p+) c-Si at the emitter interface. The goal is to improve the interface passivation in order to increase the cell efficiency. Numerical simulations have evidenced an improved fill factor in this cell that is attributed to a field effect passivation improvement and a decrease in series resistance related to band bending changes in the a-Si:H layers. The need of sufficiently shallow and strongly doped (> 5×1018 cm-3) emitter has also been evidenced. Therefore, ion implantation has been used to develop suitable boron profiles and both the increase in fill factor and the decrease in contact resistances have been obtained when the boron surface concentration is not too high. These improvements have been validated by processing HHJ solar cells that exhibit a fill factor improvement and an improved efficiency compared to SHJ cells. This achievement is a first proof of concept of the HHJ architecture.

In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen zu amorphen Zink-Zinn-Oxid Dünnschichten beschrieben. Unter anderem wurde eine Methode zur Herstellung von Dünnschichten mit lateralem Kompositionsgradienten mittels gepulster Laserabscheidung genutzt. Die untersuchten elektrischen und optischen Eigenschaften der Dünnschichten in Abhängigkeit vom Zink-Zinn-Verhältnis werden hier dargelegt und mit den Eigenschaften von Filmen verglichen, welche keinen Kompositionsgradienten haben. Des Weiteren werden gleichrichtende Schottky-Kontakte diskutiert. Zunächst wird auf den Kontaktaufbau und die Auswahl des geeigneten Schottky-Metalls eingegangen. Dann wird die Modellierung des Stromtransports durch die Dioden vorgestellt. Mittels Defektspektroskopie gefundene Störstellenniveaus werden anschließend diskutiert. Untersuchungen an mittels gepulster Laserabscheidung ausschließlich bei Raumtemperatur gezüchteten pn-Dioden, welche die p-leitenden Materialien Zink-Kobalt-Oxid bzw. Nickeloxid beinhalten, werden dargelegt. Hierbei wird neben der Optimierung der Herstellungsparameter die Nutzung von flexiblem Polyimid als Substrat diskutiert. Die hergestellten Dioden wurden verschieden starken Verbiegungen ausgesetzt, um zu testen, ob sie grundlegend für die Anwendung in flexiblen Schaltungen geeignet sind. Im letzten Teil der Arbeit werden Untersuchungen an Sperrschicht-Feldeffekttransistoren beschrieben. Deren Gate-Struktur wird durch die vorher beschriebenen pn-Dioden realisiert. Es wird hierbei der Einfluss des Gate-Materials auf die Transistorkennlinien beschrieben. Zusätzlich werden auf den Transistoren basierende Inverterstrukturen diskutiert. Sowohl die Sperrschicht-Feldeffekttransistoren als auch die Inverter wurden außerdem auch auf flexiblen Substraten abgeschieden. Die Eigenschaften der Proben, bevor und nachdem sie mechanischem Stress durch Verbiegen ausgesetzt wurden, werden in der Arbeit verglichen.

Les cellules à hétérojonctions de silicium (HET-Si) sont basées sur un substrat de silicium cristallin (c-Si) dopé n (p), une couche très fine de passivation (en général du silicium amorphe (a-Si:H) non dopé), et une couche d’une dizaine de nanomètres de silicium amorphe dopé p (n). Ces cellules atteignent aujourd’hui des rendements de l’ordre de 26% (record de 26,6% par l’entreprise Kaneka en 2017). Un des axes importants de recherche sur les cellules HET-Si porte sur l’étude de l’interface c-Si/a-Si:H qui est un élément clé dans le rendement des cellules. Ce rendement dépend en particulier de la présence d’états recombinants à l’interface c-Si/a-Si:H. Nous nous sommes donc tout particulièrement intéressés aux défauts d’interface en développant un calcul basé sur le modèle du réservoir de défauts (Defect-Pool Model ou DPM) dans le silicium amorphe et en corrélant nos résultats de modélisation avec des résultats expérimentaux de mesure de durée de vie. Afin de déterminer les caractéristiques de l’interface c-Si/a-Si:H, nous avons procédé comme suit : (1) Calcul de la densité d’états (DOS) volumique dans les couches de a-Si:H (dopé et non dopé), en nous appuyant sur le DPM. Dans ce modèle, la DOS varie en fonction notamment de la position du niveau de Fermi par rapport au bord de bande. La courbure des bandes de la jonction a-Si:H/c-Si implique ainsi une variation spatiale de la DOS dans le a-Si:H. (2) Calcul de la DOS surfacique à l'interface par projection des états volumiques présents à l’interface dans le a-Si:H. (3) Calcul des taux de recombinaison puis de la durée de vie effective sur des structures symétriques a-Si:H/c-Si/a-Si:H et comparaison avec des résultats expérimentaux. Nous avons ainsi pu étudier l’impact des paramètres matériaux du a-Si:H sur la durée de vie effective des porteurs minoritaires. L’évolution de la durée de vie avec les paramètres du a-Si:H est parfois contre-intuitive car deux phénomènes de passivation liés à la position du niveau de Fermi à l’interface s’opposent : passivation par la diminution de la densité d’états à l’interface et passivation par effet de champ. Le seul calcul de la DOS à l’interface ne suffit pas toujours à expliquer les variations de durées de vie, un calcul complet sous lumière est nécessaire. Nous avons montré que l’impact de certains paramètres du DPM peut-être grand sur la DOS mais faible sur la durée de vie effective à cause de cette compensation entre les phénomènes de passivation. Nous avons également étudié des structures correspondant aux faces avant : (p)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)c-Si(PIn) et arrière : (n)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)c-Si(NIn) des cellules HET-Si. Nos simulations permettent de montrer que les interfaces NIn sont moins critiques en terme de recombinaisons que les interfaces de type PIn. Nous montrons que la recombinaison aux interfaces PIn est dominée par la capture des électrons par les liaisons brisées de silicium chargées positivement. Nous montrons également que l’énergie d’Urbach est un paramètre qui joue de manière importante dans le calcul de la durée de vie effective et que l’utilisation de valeurs fixes de cette énergie d’Urbach dans la couche de passivation ne permet pas de reproduire les tendances expérimentales dans les structures avec des interfaces PIn. Nous proposons un modèle de variation de l’énergie d’Urbach avec l’épaisseur de la couche de passivation, qui permet de reproduire les tendances expérimentales pour les faibles épaisseurs de la couche de passivation mais qui demande à être complété pour de plus grandes épaisseurs. / Silicon heterojunction (Si- HET) solar cells are based on an n-doped (p-doped) crystalline silicon (c-Si) substrate, a very thin (a few nanometers) passivation layer of undoped hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) and a layer of p-doped (n-doped) a-Si:H, approximately 10 nanometer- thick. These cells currently lead the performance of silicon solar cells with conversion efficiencies in the order of 26% (with a record of 26.6% being achieved by the Kaneka company in 2017). One of the major focal points of research in Si- HET cells is the study of the c-Si/a-Si:H interface, which is a key factor in the cells' efficiency. In particular, this efficiency is strongly dependent on the recombination states at the interface between c-Si and a-Si:H. We therefore focused on developing a model of recombination through interface defects, which were evaluated based on the Defect-Pool Model (DPM) in a-Si:H. We calculated the effective lifetime vs excess carrier density curves and their dependence on the undoped a-Si:H passivation layer thickness and compared them to experimental results.In order to determine the characteristics of the c-Si/a-Si:H interface, we proceeded as follows: (1) Calculation of the volumic density of states (DOS) in a-Si:H layers (doped and undoped) using the DPM. In this model, the DOS varies as a function of the position of the Fermi level in relation to the band edge. The band bending at the a-Si:H/c-Si interface thus implies a spatial variation of the DOS in a-Si:H. (2) Calculation of the surface DOS at the interface by projection from the volumic states present in a-Si:H at the interface. (3) Calculation of the recombination rates and of the effective lifetime curves for symmetrical a-Si:H/c-Si/a-Si:H structures and comparison with experimental results. Thus we were able to study the impact of material parameters of a-Si:H on the effective lifetime curves. The change in lifetime as a function of a-Si:H parameters is sometimes counter-intuitive because two passivation mechanisms, namely passivation by field-effect or by the reduction of the DOS at the a-Si:H/c-Si interface, have opposed behavior in relation to the position of the Fermi level at the interface. A simple calculation of the DOS at the interface is not, therefore, sufficient to explain variations in lifetime, and a complete calculation of effective lifetime under illumination is required and has been performed. We demonstrate that the impact of certain DPM parameters may have a significant effect on the DOS but only a minor effect on the effective lifetime due to the compensation by the field-effect passivation. Moreover we have studied both types of silicon heterojunctions, (p)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)c-Si(PIn), and (n)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)c-Si(NIn) that are used as front emitter and back surface field junctions, respectively, in double-side contacted silicon Si-HET solar cells. Our simulations allowed us to emphasize that NIn interfaces are less critical in terms of recombination than PIn interfaces. We demonstrate that recombination at PIn interfaces is dominated by the capture of electrons by positively charged silicon dangling bonds. We further show that the Urbach energy is the major a-Si:H parameter that determines the effective lifetime in Si-HET solar cells and that the use of fixed values for this Urbach energy in the passivation layer whatever the layer thickness does not permit the experimental trends of PIn interfaces to be reproduced. Instead, we propose a model featuring that the Urbach energy decreases with the thickness of the passivation layer, which does allow experimental trends to be reproduced for very thin passivation layers (< 10 nm), but which requires further elaboration for larger thicknesses, for instance with a combined bandgap variation.

Des silice-alumines (SA) avec des propriétés acides améliorées et une fraction plus élevée d’aluminium acides ont été préparées en utilisant deux stratégies de synthèse. Leurs propriétés texturales ont été étudiées par physisorption de N2 et leurs propriétés acides par suivi FTIR de l’adsorption de molécules sondes (pyridine ou CO). Par ailleurs, la réaction d’isomérisation du 33DMB1 a été utilisée pour caractériser leurs performances catalytiques et leurs propriétés acides. La première stratégie de synthèse a été de désaluminer des silice-alumines commerciales avec de l’acetylacetone ou de l’acide citrique (CA). CA est plus actif et plus sélectif que Acac et permet de retirer jusqu’à 87% des Al initialement présents tout en augmentant la quantité de sites acides (jusqu’à 41%) et en multipliant par 5 la fraction d’Al acides. La seconde stratégie a été de greffé des précurseurs d’aluminium (Al(OPri)xL3-x, TIBA, DiBAH) sur des silices. Toutes les SA obtenues par greffage présentent une activité catalytique plus élevées que les SA commerciales et la zéolithe, mais seules certaines de SA obtenues par greffage de DiBAH ont des sites acides de Bronsted forts. Des SA représentatives de ces deux séries ont été caractérisées par RMN, avec comme objectif d’étudier la structure des sites acides en utilisant des séquences RMN 1D et 2D, homo- et héteronucléaires impliquant 1H et 27Al. Cette étude a mis en évidence: (i) la présence, pour la plupart des SA, de deux phases, l’une d’alumine, l’autre de silice alumine (27Al DQ-SQ NMR); (ii) une localisation des atomes d’Al près de la surface sur la base de leur flexibilité de coordination 27Al NMR (DP and 3Q MAS); (iii) l’implication possible des AlV (en plus des AlIV) dans les sites acides de Bronsted (27Al-1H D-HMQC 2D NMR); (iv) la probable différence de structure des sites acides des SA par rapport à ceux des zéolithes (1H-27Al REAPDOR). / ASAs with enhanced acidity and a higher fraction of acidic Al were prepared by two experimental strategies. Their textures have been investigated by N2 adsorption–desorption and their acidic properties by FTIR of adsorbed probe molecule (pyridine or CO). Besides, isomerization of 33DMB1 was selected as model reaction to check their activity and characterize their acidity. The first strategy is based on dealumination of commercial ASAs with acetylacetone (Acac) or citric acid (CA). CA is superior to Acac for selective dealumination. It allows removing up to 87% of Al, increases total acidity up to 41%, and fraction of acidic Al by a 5 fold factor. The second strategy is based on the grafting Al precursor (Al(OPri)xL3-x, TIBA, DiBAH) on silica. All the grafted ASAs display better performance for 33DMB1 isomerization than commercial ASA and zeolite, but strong Brønsted acid sites are observed solely for some DiBAH derived samples. Representative samples of these two series were selected as model ASAs for advanced NMR characterization, with the purpose to investigate the structure of acid sites by a combination of one and two-dimensional homo- and heteronuclear 1H and 27Al NMR. On most ASAs, two separate phases are present: alumina and silica-alumina (27Al DQ-SQ NMR). Localization of most of the Al atoms was evidenced based on the flexibility of their coordination (27Al NMR DP and 3Q MAS). Brønsted acidity may be associated with both AlIV and AlV (27Al-1H D-HMQC 2D NMR) but the structure of these sites is probably different from those of zeolites (1H-27Al REAPDOR).

Les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si atteignent un rendement record de 24.7% en laboratoire. La passivation de la surface du c-Si est la clé pour obtenir de hauts rendements. En effet, la brusque discontinuité de la structure cristalline à l'interface amorphe/cristal induit une forte densité de liaisons pendantes créant une grande densité de défauts dans la bande interdite. Ces défauts sont des centres de recombinaison pour les paires électron-trou photogénérées dans le c-Si. Différentes couches diélectriques peuvent être utilisées pour passiver les wafers dopés n et dopés p : (i) le SiO₂ réalisé par croissance thermique, (ii) l’Al₂O₃ déposé par ALD, (iii) le a-SiNₓ:H et l’a-Si:H déposés par PECVD. La couche de passivation la plus polyvalente est a Si:H puisqu’elle peut passiver aussi bien les wafers dopés n que ceux dopés p. De plus sa production est peu coûteuse en énergie car sa croissance est réalisée à une température d’environ 200°C. L’inconvénient de cette couche de passivation est que lorsqu’elle est dopée p elle ne supporte pas des températures supérieures à 200°C, en raison de l’exodiffusion des atomes d’hydrogène qu’elle contient. Cependant, afin d'avoir un bon contact électrique, TCO et électrodes métalliques, il est souhaitable de recuire à plus haute température (entre 300°C et 500°C). Nous avons implanté des ions Argon de façon contrôlée dans des précurseurs de cellules solaires à des énergies comprises entre 1 et 30 keV, pour contrôler la profondeur à laquelle nous créons les défauts. En variant la fluence entre 10¹² Ar.cm⁻² et 10¹⁵ Ar.cm⁻² nous contrôlons la concentration de défauts créés. Nous montrons qu’une implantation à une énergie de 5 keV avec une fluence de 10¹⁵ Ar.cm⁻² n’est pas suffisante pour endommager l’interface a-Si:H/c-Si. La durée de vie effective des porteurs minoritaires mesurée par photoconductance (temps de décroissance de la photoconductivité) passe de 3 ms à 2,9 ms après implantation. En revanche les implantations à 10 keV, 10¹⁴ Ar.cm⁻² ou à 17 keV, 10¹² Ar.cm⁻² sont suffisantes pour dégrader la durée de vie effective de plus de 85%. Suite aux implantations les cellules solaires ont subi des recuits sous atmosphère contrôlée à différentes températures et ce jusqu’à 420°C. Nous avons découvert que le recuit permet de guérir les défauts introduits par l’implantation. Mais surtout, dans certains cas, d’obtenir des durées de vie après implantation et recuit supérieures aux durées de vies initiales. En combinant l’implantation ionique et les recuits, nous conservons de bonnes durées de vies effectives des porteurs de charges (supérieures à 2 ms) même avec des recuits jusqu’à 380°C. Nous avons utilisé une grande variété de techniques telles que la photoconductance, la photoluminescence, l’ellipsométrie spectroscopique, la microscopie électronique en transmission, la Spectroscopie de Masse d’Ions Secondaires, la spectroscopie Raman et l’exodiffusion de l’hydrogène pour caractériser et analyser l’ensemble des résultats et phénomènes physico-chimique intervenant dans la modification des précurseur de cellules solaires. Nous discutons ici de plusieurs effets tels que l’augmentation de la durée de vie et la tenue en température par la conservation de l’hydrogène dans la couche de silicium amorphe et ceci même après les recuits. Cette conservation peut s’expliquer par l’augmentation du nombre de liaisons Si-H au sein du silicium amorphe et par la formation de cavités lors de l’implantation. Durant les recuits l’hydrogène qui diffuse est piégé puis libéré par les cavités et/ou les liaisons pendantes, ce qui limite son exo-diffusion et le rend de nouveau disponible pour la passivation des liaisons pendantes. / A-Si:H/c-Si heterojunction solar cells have reached record efficiencies of 24.7%. The passivation of c-Si is the key to achieve a high-efficiency. Indeed, the abrupt discontinuity in the crystal structure at the amorphous/crystal interface induces a high density of dangling bonds creating a high density of defects in the band gap. These defects act as recombination centers for electron-hole pairs photogenerated in c-Si. Several dielectric layers can be used to passivate n-type and p-type wafers: (i) SiO₂ produced by thermal growth, (ii) Al₂O₃ deposited by ALD, (iii) a-SiNₓ:H and a-Si:H deposited by PECVD. The most versatile passivation layer is a-Si: H because it is effective for both p-type and n-type wafers. In addition, this process has a low thermal budget since the deposition is made at 200°C. The drawback of this passivation layer, in particular when p-type doped, is that it does not withstand temperatures above 200°C. However, in order to have a good electrical contact, TCO and metal electrodes require high temperature annealing (between 300°C and 500°C).We implanted Argon ions in solar cell precursors with energies between 1 and 30 keV, which allows to control the depth to which we are creating defects. By varying the fluence between 10¹² Ar.cm⁻² and 10¹⁵ Ar.cm⁻² we control the concentration of defects. We show that implantation with an energy of 5 keV and a fluence of 10¹⁵ Ar.cm⁻² is not sufficient to damage the a-Si:H/c-Si interface. The effective lifetime of the minority charge carriers, measured using a photoconductance technique (decay time of photoconductivity), decreases only from 3 ms to 2.9 ms after implantation. On the other hand the implantations at 10 keV, 10¹⁴ Ar.cm⁻² or at 17 keV, 10¹² Ar.cm⁻² are sufficient to degrade the effective lifetime by more than 85%.Following implantation the solar cells have been annealed in a controlled atmosphere at different temperatures and this up to 420°C. We show that annealing can heal the implantation defects. Moreover, under certain conditions, we obtain lifetimes after implantation and annealing greater than the initial effective lifetime. Combining ion implantation and annealing leads to robust passivation with effective carrier lifetimes above 2 ms even after annealing our solar cell precursors at 380°C. We used a large variety of techniques such as photoconductance, photoluminescence, spectroscopic ellipsometry, Transmission Electron Microscopy, Secondary Ion Mass Spectrometry, Raman spectroscopy and hydrogen exodiffusion to characterize and analyze the physico-chemical phenomena involved in the modification of solar cells precursors. We discuss here several effects such as the increase of the effective lifetime and the temperature robustness by the preservation of hydrogen in amorphous silicon layer and this even after annealing. This hydrogen preservation can be explained by the increase of the number of Si–H bonds in amorphous silicon and the formation of cavities during implantation. In the course of annealing the hydrogen which diffuses is trapped and then released by cavities and dangling bonds, which limits its exodiffusion and makes it available for dangling bonds passivation.

L'objectif de cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de cellules solaires à jonction radiale à base d'assemblée de nanofils de silicium cristallin. Une étude sur la croissance des nanofils à partir de deux catalyseurs métalliques (cuivre et aluminium) dans une machine de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à pression réduite est présentée. L'influence des conditions de croissance sur la morphologie, le dopage et la contamination des nanofils par le catalyseur est analysée par des mesures électriques, chimiques (SIMS, Auger) et structurales (SEM, TEM, Raman). Le cuivre est utilisé pour la fabrication d'une cellule solaire avec des nanofils de type p et une jonction radiale créée avec du silicium amorphe de type n. Les performances photovoltaïques de la cellule solaire sont ensuite mesurées et interprétées. Un rendement de conversion de 5% est mesuré sur une cellule avec des nanofils de hauteur 1,5µm.

La croissance des plantes est limitée par la toxicité métallique. Des études suggèrent que le stress métallique peut être limité par l'absorption de silicium (Si). Cependant la phytodisponibilité du silicium n'a pas encore été clairement évaluée. Ainsi dans un premier temps cette étude a pour objectifs d'évaluer la disponibilité de Si issu de différents minéraux du sol et la signification des différents extractants utilisés pour l'extraction de Si du sol en terme de disponibilité lors d'une culture en continu de blé dur. Pour ce faire, des extractants acides et alcalins ont été comparés sur une série de sols non contaminés de nature différente, puis la validité de Na2CO3 pour l'estimation de la fraction disponible de Si pour une culture continue de blé dur (Triticum turgidum L.) a été testée sur une série de sols contrastés. Ensuite on a tenté de déterminer le rôle spécifique de Si dans la croissance de plantules de blé dur et la suppression des stress associés à la présence de Cd et Cu dans le milieu de croissance, à la fois en conditions hydroponiques et sur support solide simplifié en comparant un alumino-silicate et une diatomite. Finalement, l'apport de silicium amorphe (ASi) (et disponible) a été testé en pot sur les plantes de blé ayant poussé sur des sols multi-contaminés ou contaminés en Cd. ASi extrait par Na2CO3 (ASiNa) est apparu bien corrélé aux concentrations dans les parties aériennes du blé dur ayant poussé en pot sur différents sols non contaminés et, pour cette raison, pourrait être utilisé pour l'évaluation de la fraction phytodisponible. / Plant growth is seriously limited by heavy metal toxicity. Studies suggest that silicon (Si) can alleviate the metal stress in plants but its bioavailability in soil is not well defined. This study aims at assessing the bioavailability of Si from different soil minerals, the meaning of various extractants in terms of availability in relation with continuous plant uptake, and the specific role of Si on the plant growth and alleviation of cadmium (Cd) and copper (Cu) toxicity in durum wheat. For this purpose a series of experiments were performed both in soil and hydroponic conditions. Firstly, the significance of acid and alkaline methods was assessed in order to determine the bioavailable Si in soil and the applicability of the Na2CO3 extraction method was determined by repeated croppings of durum wheat on a variety of soils. Secondly, two hydroponic experiments were carried out to study the physiological response of wheat under Cd and Cu stress treated or not with Si. Thirdly, efficiency of different minerals to release bioavailable silica and its effect on reducing Cd and Cu toxicity was assessed. Finally, the effects of amorphous silica (ASi) application were investigated on metal stressed wheat plant grown in uncontaminated and contaminated soils. ASi extracted with Na2CO3 (ASiNa) was well correlated with the Si in plants shoots in our pot experiment with different soils. We showed that ASiNa can also be used for a good proxy of Si bioavailable to plants. Si present as amorphous Si (diatomite) added to the soil is available for plant uptake. However, in soils with large clay content, clay may be a significant source of Si for plants.