Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Le dopage du silicium par implantation ionique pour le photovoltaïque est une application relativement récente dont l'essor se heurte encore aujourd'hui aux coûts élevés d'intégration au sein des lignes de fabrication des cellules solaires. L'implantation ionique par immersion plasma promet de répondre aux futures exigences du secteur en termes de coûts et de productivité.Ces travaux de thèse ont permis le développement de procédés d'implantation ionique par immersion plasma de l'équipement PULSION®, conçu par IBS, dédiés à la fabrication de cellules solaires en silicium monocristallin. Dans un premier temps, nous montrons qu'il permet la réalisation de profils de dopage d'émetteur de type n variés, répondant aux exigences des cellules solaires à haut rendement. Les émetteurs fabriqués sont caractérisés de manière chimique, physique et électrique afin de démontrer leur excellente qualité. L'intégration de l'implantation ionique des émetteurs au sein d'un processus de fabrication industriel et peu coûteux, développé par l'INES sur silicium monocristallin de type p, permet d'atteindre des rendements de conversion supérieurs à 19,3%, soit un gain de plus de 0,5% par rapport aux rendements obtenus avec des cellules usuelles à émetteurs dopés par diffusion POCl3.La réalisation d'émetteurs de type p est également étudiée dans ce mémoire afin de préparer la transition technologique vers les cellules solaires sur silicium monocristallin de type n. Confirmant les atouts et le potentiel de la technologie d'implantation ionique par immersion plasma, les travaux menés au cours de cette thèse débouchent sur la conception d'un prototype industriel PULSION® dédié au photovoltaïque. / Ion implantation is a major process technology for manufacturing integrated circuits. However, silicon doping by ion implantation for photovoltaics is a relatively recent application, and its growth still faces high costs of integration into solar cell production lines. Plasma-immersion ion implantation (PIII) promises to meet the future industry requirements in terms of costs and productivity.This thesis work has led to the development of processes dedicated to silicon-based solar cell manufacturing using the plasma-immersion ion implanter – PULSION® – designed by IBS. First, we show that PIII enables the realization of various doping profiles for phosphorus-doped emitters which fit the requirements of high-efficiency solar cells. Emitters thus fabricated are chemically, physically and electrically characterized to demonstrate their excellent quality. Those emitters, implanted through plasma immersion and integrated into a low cost solar cell manufacturing line from INES on monocrystalline silicon, enable to raise the conversion efficiency, obtained with conventional POCl3-diffused solar cells, by more than 0.5% absolute to reach efficiencies above 19.3%.Fabrication of p-type boron implanted emitters is also studied in order to improve conversion efficiencies of p-type silicon based solar cells, but also in order to anticipate the technological shift from p-type to n-type silicon material. Thanks to this thesis work, the strength and potential of PIII for photovoltaic applications have been proven and this has convinced IBS to design a PULSION® equipment dedicated to solar cell manufacturing.

Cette thèse est axée sur la fabrication et l’optimisation d’une nouvelle structure permettant théoriquement d’améliorer les performances des cellules à base de silicium cristallin. Cette nouvelle architecture de cellule utilise la technologie des hétérojonctions de silicium a-Si:H/ c-Si (Si-HJ) appliquée sur des structures à contacts interdigités en face arrière (IBC). Le potentiel de rendement des cellules IBC Si-HJ est supérieur à 25%, mais leur fabrication nécessite une localisation des couches de a-Si:H de dopage différent et de leurs métallisations. L’intégration de ces étapes dans un procédé simplifié utilisant des techniques industrielles (PECVD, pulvérisation, sérigraphie et laser) a été étudiée. De plus, une structure obtenue sans séparation entre le BSF et l’émetteur est présentée, permettant de réduire le nombre d’étapes de fabrication. Les avantages ainsi que les limites liés à cette architecture simplifiée ont été illustrés du point de vue expérimental et par simulation. Dans le cadre de ces travaux, le rendement maximum atteint sur les dispositifs IBC Si-HJ simplifiés de 25cm² est de 19% (substrats de type n), ce qui constitue le 3e meilleur résultat au niveau mondial. Les performances des cellules restent encore limitées par l’absorption des couches de a-Si:H utilisées pour la passivation de la face avant, et par la conductivité des couches dopées en face arrière. De nombreuses pistes d’amélioration sont explorées dans cette étude. Un procédé de métallisation innovant a également été élaboré pour le passage sur des substrats de grande taille (150cm²). Il permet de limiter les pertes résistives tout en offrant de la flexibilité au niveau de la géométrie des contacts. La mise en module de cellules ayant ce design de métallisation a ensuite été étudiée, et un module de 4 cellules IBC Si-HJ a pu être fabriqué. / This thesis studies the fabrication and the optimization of a new structure to enhance the efficiency of crystalline silicon based solar cells. This new cell design uses a-Si:H/c-Si heterojunction (Si-HJ) technology applied on interdigitated back contact structures (IBC). With IBC Si-HJ solar cells, the efficiency potential is theoretically higher than 25%. Their fabrication requires to pattern doped a-Si:H and the associated metallization on the same side. The implementation of those process steps has been carefully studied. All processes used in this study are potentially industrial (PECVD, sputtering, screen-printing, and laser) and the obtained structure without buffer layer between the BSF and the emitter allows to reduce fabrication steps. Issues linked to this design have been investigated. Within the frame of this work, the maximum efficiency reached on reduced size devices (25cm²) with n-type substrate and is 19% which is the 3rd best result worldwide. The cell performances are still limited by the absorption of front surface passivating layer (a-Si:H) and by the low doped layer conductivity. Several optimization ways are explored in this study. An innovative metallization process is then elaborated to allow large area solar cell fabrication while limiting resistive losses and offering more flexibility on metallized pattern. The interconnection and the encapsulation of cells with this metallization design have been illustrated and a module with 4 cells has been fabricated.

De part leur grande consommation, les pièces en élastomère vulcanisé sont une source importante de déchets. Une des voies de revalorisation de ces matériaux est leur réutilisation sous forme de particules dans des composites à matrice polymère, afin de diminuer leur rigidité et d'augmenter leur résistance aux chocs de faible énergie. Cette étude est ainsi née d'une collaboration entre le LIMATB et la Technische Universität Chemnitz, qui développe ce concept de matériaux.<br /><br />L'objectif de cette étude est la caractérisation expérimentale et la modélisation du comportement mécanique de composites thermoplastiques élastomères (TPE). Ces matériaux sont composés d'une matrice en homopolymère polypropylène isotactique (PP) et de particules d'élastomère recyclées à base d'éthylène propylène diène monomère (EPDM). La nature complexe du PP nous a incité à développer un modèle micromécanique, en distinguant dans ce polymère une phase amorphe et une phase cristalline. A partir d'un motif représentatif permettant d'estimer les propriétés élastiques du PP en fonction du taux de cristallinité, un modèle micromécanique de type autocohérent généralisé est comparé à un modèle macroscopique plus simple pour décrire son comportement élastoviscoplastique. La loi de comportement des TPE est construite, via une démarche d'homogénéisation, à partir du comportement mécanique des particules d'EPDM et de la loi macroscopique déterminée pour le PP. Les prévisions des modèles sont analysées et comparées aux résultats d'essais de flexion, de traction et d'indentation. Les modèles développés ont été implantés dans le code « éléments finis » Abaqus afin de permettre le calcul de pièces industrielles.

Nous démontrons une version d'un théorème d'Heckman permettant de préciser le lien qui unit la théorie des représentations des groupes compacts à celle des matrices aléatoires à valeurs dans l'algèbre de Lie du groupe compact connexe K et dont la loi est K-invariante.<br />Les groupes de Lie classiques, qu'on note K(n), sont les ensembles de matrices unitaires de taille n*n à entrées dans le corps des réels, des complexes ou des quaternions. Pour chacun d'eux, nous étudions plus précisément deux types d'ensembles invariants. Le premier est l'ensemble k(n) - algèbre de Lie de K(n) - muni de la mesure gaussienne. Les règles de branchement classiques nous permettent de calculer la loi des mineurs principaux des matrices de ces ensembles. Le deuxième est une généralisation de l'ensemble unitaire de Laguerre (LUE). Au sein de la théorie des représentations, celle des cristaux de Kashiwara nous permet d'étudier cet ensemble. <br />Pickrell a montré que dans le cas complexe la limite d'une famille consistante de mesures K(n)-invariantes sur k(n) est ergodique si et seulement si elle est la loi d'une combinaison linéaire de matrices indépendantes de type Gaussien ou Laguerre. Nous montrons que son résultat reste vrai pour les autres groupes de Lie classiques.<br />La généralisation du LUE que nous proposons est obtenue en considérant des sommes de matrices aléatoires de rang un. L'étude de ces perturbations et des mineurs principaux fait apparaître des processus entrelacés. Nous montrons qu'une large classe d'entre eux sont déterminantaux et donnons leur noyau de corrélation.

Cette thèse a pour but d'étudier l'environnement électronique et structural du chrome en substitution de l'aluminium dans des cristaux isolants cubiques, et de discuter son influence sur la variation du champ cristallin. Nous avons combiné des spectroscopies sélectives du chrome (EXAFS et XANES au seuil K), une approche ab initio (calculs de minimisation d'énergie et de spectres XANES) et une approche multiélectronique (simulation du dichroïsme linéaire naturel des rayons X). Des développements théoriques ont été effectués puis appliqués au cas de la section efficace d'absorption X, afin d'extraire les propriétés spectroscopiques d'un site individuel à partir de celles du cristal cubique.<br /><br />L'environnement structural relaxé autour du Cr a été déterminé pour le spinelle MgAl2O4:Cr3+ (rouge) et pour les grenats pyrope Mg3Al2Si3O12:Cr3+ (rouge) et grossulaire Ca3Al2Si3O12:Cr3+ (vert). La sphère de coordination du Cr est voisine de celle observée dans le pôle pur chromifère correspondant (MgCr2O4, Mg3Cr2Si3O12 et Ca3Cr2Si3O12, respectivement), du point de vue des distances interatomiques et de la symétrie locale. La variation de la distance moyenne Cr-O joue un rôle important dans celle du champ cristallin, mais ne permet pas d'expliquer à elle seule l'évolution du celui-ci au sein des solutions solides, entre les cristaux dilués et entre les cristaux concentrés. Nous montrons que la nature de la liaison Cr-O est un facteur important et que l'environnement à moyenne distance autour du chrome exerce une influence sur ses propriétés spectroscopiques. En particulier, les deuxièmes voisins ont un effet privilégié sur la distance Cr-O et la nature de cette liaison.

L'objet de ce travail est une étude expérimentale et théorique des transitions de réorientation de spin dans les ferrites grenats de terres rares dilués à l'yttrium, R_{x}Y_{3-x}Fe_{5}O_{12}, le but étant de vérifier que les effets de champ cristallin peuvent parfaitement rendre compte de ces transitions à condition d'être traités sans les approximations usuellement utilisées jusqu'à maintenant.<br />La terre rare la plus favorable pour cette étude étant l'holmium, nous avons d'abord déterminé expérimentalement les diagrammes de phases de Ho_{x}Y_{3-x}Fe_{5}O_{12} (x = 0.24 et 0.43) par des mesures d'aimantation sur monocristaux dans des champs magnétiques statiques intenses (23 T), appliqués selon les trois directions principales du cube <111>, <110> et <100>.<br />En utilisant Scilab, nous avons ensuite fait une étude exhaustive des modèles basés sur des approximations du type Hamiltonien de spin effectif (ESH) et en particulier du modèle d'Ising. Nous avons bâti un calcul complet de l'énergie libre du système pour toutes les phases possibles, incluant les six sites locaux de terre rare de la structure. Nous avons ainsi pu montrer que ces modèles n'étaient pas suffisants pour rendre compte de façon véritablement quantitative des transitions observées.<br />Nous avons alors traité les effets du champ cristallin (CEF) dans le cadre du formalisme des opérateurs tensoriels irréductibles de Racah et substitué dans le calcul précédent, pour chaque site, les formules du modèle ESH par la diagonalisation directe de l'hamiltonien complet (i.e., CEF + Zeeman). Les interactions d'échange sont remplacées comme précédemment par un champ effectif et l'anisotropie du sous-réseau fer est négligée. Les paramètres de champ cristallin utilisés ont été obtenus sans ajustement par interpolation à partir de données spectroscopiques sur des gallates isomorphes. Malgré des temps de calculs plus importants, nous avons pu montrer que l'accord avec l'expérience est excellent.<br />Nous avons soigneusement préparé des poudres de différentes concentrations (i.e., x=0, 0.24, 0.43, 0.67, 1 et 3). Des mesures de diffraction de neutrons, aussi bien élastiques qu'inélastiques ont été effectuées pour vérifier et éventuellement ajuster les paramètres de champ cristallin choisis. Bien que nous n'ayons pas encore eu le temps d'analyser complètement ces données, elles permettent d'ores et déjà de valider les valeurs des paramètres utilisés.

Mesurer la teneur en eau et l'angle des microfibrilles est un enjeu important pour les sciences du bois car ces deux paramètres influencent fortement le comportement macroscopique du bois. Par exemple, le retrait, les propriétés mécaniques, la conductivité thermique et acoustique sont dépendants de la teneur en eau et leur caractère anisotrope est en grande partie régi par l'angle des microfibrilles. L'objectif cette thèse est l'utilisation d'un rayonnement X avec un spectre poly-énergétique, pour mesurer sans contact la teneur en eau et l'angle de microfibrilles du bois.Nous avons exploité la légère différence entre le coefficient d'atténuation des rayons X pour l'eau et pour le bois dans des essais de transmission. Malheureusement, les résultats montrent que cette différence entre les coefficients d'atténuation est insuffisante pour permettre la mesure précise de la teneur en eau. En revanche, malgré la proximité de ces coefficients d'atténuation, des essais de diffusion cohérente du rayonnement montrent des effets sensibles. Ainsi, en utilisant un faisceau X poly-énergétique et un système de mesure spectrométrique du rayonnement transmis et diffusé, nous avons pu discriminer le composant cristallin (cellulose du bois) du composant amorphe (eau) dans un échantillon du bois humide car pour un angle donné ces phases diffractent à des énergies différentes. Par ailleurs, le dispositif créé spécialement nous a permis d'étudier la phase cristalline du bois. Nous avons pu confronter des profils de diffraction expérimentaux avec des profils de diffraction théoriques, obtenus au moyen d'une simulation rigoureuse, dans l'objectif d'estimer l'angle moyen de microfibrilles et son écart type.

Ce travail est consacré à l'étude des ions Ce3+ et Pr3+ dans des monocristaux de fluorures et d'oxydes pour une émission laser accordable dans le domaine UV basée sur la transition vibronique 5d - 4f. Il s'agit d'étudier le fonctionnement laser de l'ion Ce3+ dans les cristaux de LiLuF4 et LiYF4 puis d'explorer d'autres systèmes dopés avec les ions Pr3+ ou Ce3+. Après une brève description de la technique Czochralski utilisée pour synthétiser les cristaux de fluorures et un rappel de leurs propriétés optiques et structurales, le premier chapitre présente l'effet du champ cristallin sur les niveaux d'énergie de la configuration 4f5d ainsi que les propriétés spectroscopiques liées aux transitions interconfigurationelles 4fn ↑ 4fn-15d1. Le chapitre II est consacré à l'étude du fonctionnement laser de LiLuF4:Ce3+ ainsi qu'à des mesures de gain et de perte dans les cristaux de LiYF4:Ce3+ et LiLuF4:Ce3+ afin de déterminer les facteurs qui limitent le rendement laser de ces matériaux. Des simulations numériques sont également décrites afin de calculer le gain et le rendement laser de ces systèmes. Le chapitre III porte sur l'étude expérimentale et théorique des niveaux d'énergie de la configuration 4f5d de l'ion Pr3+ en vue d'un pompage par étapes. Un montage d'absorption dans l'état excité (AEE) permettant de sonder les niveaux 4f5d depuis des niveaux métastables de la configuration 4f2 est présenté. Les spectres enregistrés par cette technique sont par la suite interprétés à l'aide d'un modèle théorique prenant en compte l'effet du champ cristallin. Le chapitre IV présente les résultats expérimentaux et théoriques concernant le pompage par étapes de l'ion Pr3+ dans différents matériaux. Un transfert d'énergie Pr3+ - Ce3+ efficace est également démontré en vue d'utiliser l'ion Pr3+ comme sensibilisateur de l'ion Ce3+. Enfin, ce travail se termine par des mesures de gain, lesquelles se sont révélées positives dans le cas des phosphates YPO4:Ce3+ et LuPO4:Ce3+.

Cette étude doctorale porte sur une matrice polyamide 6.6, utilisé dans les matériaux renforcé fibre de verre courtes, et consiste en la mise en place d'une modélisation thermomécanique, autour de la transition mécanique α du polymère. Une première partie consiste en la mise en évidence expérimentale du comportement thermomécanique du matériau de l'étude. Une campagne d'essais mécanique en traction et cisaillement a été menée, où un effort important sur le protocole expérimental a été mené. Les techniques d'analyse de déformation par corrélation d'images, et de suivi pyrométrique de la température ont, par exemple, été utilisées. La construction de la base expérimentale met à profit les équivalences vitesses / températures, sur une gamme de température comprise entre -10° et +60°, et une gamme de vitesse de déformation comprise entre 10-4 et 10 s-1, soit 21 décades suivant la grandeur caractéristique de ces essais, i.e. la vitesse de déformation équivalente à une température de référence. Une seconde partie consiste en un développement d'un modèle de comportement visco-hyperélastique, décrit dans le cadre formel de la thermodynamique des processus irréversible, et physiquement basé sur les modèles de statistique de chaînes modifiés. L'introduction d'un processus de relaxation, d'une partie de l'énergie élastique emmagasinée dans le réseau comme source d'anélasticité entropique a été proposée, puis confrontée avec la base expérimentale. Le modèle prend en compte les couplages thermomécaniques forts, et permet, avec un nombre de paramètres réduits, de représenter le comportement global de l'ensemble de nos essais expérimentaux.