Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les interactions plasma-paroi représentent l'un des principaux problèmes à résoudre pour avancer dans la recherche sur la fusion contrôlée. Ce travail de thèse a pour objectif de développer une source d'hydrogène atomique à basse pression (< Torr) dans un réacteur à configuration hélicon en mélange H2/Ar pour étudier la gravure chimique du graphite et de composites à fibres de carbone utilisés dans le tokamak Tore Supra. Selon les conditions expérimentales, le réacteur peut générer les modes de couplages capacitif, inductif, Trivelpiece-Gould et hélicon à bas champ. Leur caractérisation a montré que le mode inductif est, dans ce cas, celui présentant le plus grand intérêt pour la source d'hydrogène atomique. Les études en mode inductif ont révélé un phénomène de décroissance de la densité relative de deux niveaux métastables de l'ion Ar+ et d'un niveau métastable de l'argon neutre lors de l'augmentation du champ magnétique de confinement. Un modèle simple a confirmé que ces niveaux métastables sont détruits par collisions électroniques vers des niveaux de plus grande énergie. La gravure du graphite par la source d'hydrogène atomique est relativement efficace (jusqu'à 3 µm/h) à 10 mTorr et diminue avec la pression. Une analyse qualitative de la cinétique de l'hydrogène atomique a permis de conclure que cette baisse de la vitesse de gravure est due au flux d'hydrogène atomique arrivant sur l'échantillon qui décroît lorsque la pression augmente. Les premières observations de la surface après gravure ont mis en évidence la présence de structures carbonées (agglomérats de nanoparticules et dépôts). Ces structures ressemblent à celles observées dans différents tokamaks / Plasma-wall interactions are one of the main issues in fusion research and must be thoroughly studied to progress in this topic. The objective of this work is to develop an atomic hydrogen source at low pressure (< Torr) in a helicon configuration reactor working in H2/Ar gas mixture. This source is then used to study the chemical etching of graphite and carbon fiber composites composing the limiter of the Tore Supra tokamak. Depending on the experimental conditions, the RF power coupling of the reactor can be in capacitive, inductive, Trivelpiece-Gould or low field helicon mode. The characterization of these modes determined that in this case the inductive one presents the greatest interest for the atomic hydrogen source. Further studies in inductive mode showed that increasing the confinement magnetic field leads to a decrease of measured relative densities of two metastable levels of argon ion and one metastable state of neutral argon. A simple model simulating neutral metastable state behavior confirmed that these levels are destroyed by electronic collisions towards upper levels. The chemical etching of graphite exposed to the atomic hydrogen source is relatively efficient (up to 3 µm/h) at 10 mTorr and drops with the pressure. A qualitative analysis of atomic hydrogen kinetics concluded that this behavior is due to the decrease of atomic hydrogen flux on the sample with increasing pressure. Finally, first observations of the etched surface underlined different structures (nanoparticles clusters and deposits). These can be compared to the ones observed in different tokamaks

Cette thèse est un des premiers travaux sur les transistors bipolaires à hétérojonction (TBH)de la filière InP ayant une base en GaAsSb. Une méthode de mesure précise des offsets des<br />hétérojonctions de type II par électroluminescence, associée aux mesures électriques a permis de clarifier les conditions du transport électronique dans le système InP/GaAsSb et d'initier l'utilisation d'un émetteur en InGaAlAs. Deux briques technologiques spécifiques ont été développées : la gravure chimique sélective de InGaAlAs par rapport à GaAsSb et la réalisation de contacts ohmiques très faiblement résistifs sur p-GaAsSb. Ceci a permis l'assemblage d'un procédé de fabrication de TBH ultra-rapides dans cette filière. La faisabilité de ce procédé a été démontrée par la réalisation de TBH submicroniques ayant des fréquences ( fT ; fmax) de (155 ; 162) GHz. Son optimisation, protégée par deux brevets, montre des perspectives pour atteindre des fréquences ( fT ; fmax) de (380 ; 420) GHz.

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.

Afin de poursuivre la tendance de réduction des dimensions des dispositifs optiques ou électroniques, les nanostructures sont pressenties comme une solution aux limites des technologies micro-électroniques actuelles. Néanmoins, leur exploitation n'est possible que si leur taille, leur densité et leur positionnement latéral sont précisément contrôlés. Pour un gain de temps, ces nano-objets sont réalisés par croissance collective, et l'ordre latéral n'apparaît en général que si la surface est préalablement préparée. Dans ce contexte, nous avons développé un substrat nanostructuré par la révélation d'un réseau régulier bidimensionnel de dislocations enterrées obtenu lors d'un collage par adhésion moléculaire de plaques de silicium (001). L'utilisation de gravure chimique préférentielle a été optimisée pour révéler les lignes de dislocations formant en surface un réseau carré de nano-plots de silicium séparés par des nano-tranchées plus ou moins profondes. Ce type de surface a été testé pour induire un ordre latéral d'îlots de Ge et de nanostructures métalliques (Ni, Au, Ag). Nous avons montré que l'auto-organisation de ces nanostructures n'était possible que si la barrière énergétique induite par les profondeurs de tranchées était suffisamment grande pour bloquer les effets cinétiques. Dans ces conditions, les îlots ordonnés de Ge ont été analysés par des techniques de rayons X et les nanostructures métalliques par des mesures de résonance plasmon.

Les microsystèmes électrostatiques se sont développés depuis une vingtaine d'année et ont constitué un événement marquant du développement technologique. La présentation abordera les travaux effectués en termes de modélisation du micro usinage de volume et en termes de développement technologique relatif au micro usinage de surface. Elle s'appuiera également sur des exemples de microsystèmes opto électro mécaniques à vocation applicatives tant dans le domaine des télécommunications que des applications militaires. Les prospectives de recherches aborderont les nouveaux développements relatifs à l'introduction des matériaux polymères dans les technologies silicium tout en restant dans le cadre des applications à l'optique.

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.

Le contexte énergétique actuel est un enjeu sociétal. L'utilisation de l'énergie solaire au travers de cellules solaires photovoltaïques à bas-coût et à haut rendement, est une des voies envisagées pour répondre aux besoins énergétiques. Ce travail de thèse a permis de démontrer la faisabilité de cellules solaires hybrides, basées sur une jonction de type " cœur/coquille " entre des nanofils de silicium obtenus par gravure chimique et du PEDOT polymérisé par voie électrochimique. Les principaux avantages d'une telle structure sont à la fois la simplicité et le faible coût des méthodes utilisées pour la réalisation de la cellule. Les nanofils de silicium, grâce à leur capacité à piéger la lumière, conduisent à des propriétés d'anti-reflet très intéressantes avec notamment des valeurs de réflexion inférieures à 3% sur toute la gamme spectrale du visible. La réalisation de telles jonctions a fait l'objet d'une étude poussée sur les différentes caractéristiques de dépôt du polymère, tels que l'intensité lumineuse, le potentiel appliqué et la durée du procédé. L'influence de ces paramètres sur la mesure I(V) de la cellule solaire hybride complète a également été étudiée. On peut noter en particulier que l'on obtient ainsi une densité de courant de fuite très faible et une résistance de fuite très élevée, permettant d'émettre l'hypothèse d'une bonne passivation des états de surface. Ceci constitue une voie prometteuse pour obtenir un bon transport de charges en polarisation inverse.

Les cellules solaires à base de nanofils de silicium offrent une alternative intéressante pour la réalisation de panneaux photovoltaïques à haut rendement et à faible coût. Elles bénéficient notamment des excellentes propriétés optiques des nanofils qui forment une surface à très faible réflectivité tout en piégeant efficacement la lumière. Dans cette thèse, nous utilisons et améliorons une méthode de gravure chimique peu coûteuse et industrialisable pour la fabrication de forêts de nanofils de silicium. En adaptant la mouillabilité du substrat et des nanofils, nous avons remédié au problème d'agglomération inhérent à cette méthode lorsqu’on veut obtenir des forêts denses et désordonnées de nanofils. En combinant cette méthode de gravure chimique à la lithographie assistée par nanosphères, nous avons pu fabriquer des réseaux ordonnés de nanofils avec un contrôle précis des propriétés géométriques (diametre des nanofils et distance entre eux). Les propriétés optiques de ces réseaux ont été étudiées théoriquement et expérimentalement afin d'identifier les configurations optimales. Nous avons ensuite fabriqué des cellules solaires à partir de ces différents types de nanofils et deux types de structures. Le premier type, des cellules solaires HIT (Hétérojonction avec couche mince Intrinsèque) à base de nanofils de silicium, a été fabriqué par RF-PECVD. L'optimisation des conditions de dépôt plasma nous a permis d'obtenir des cellules solaires hautement performantes: rendements de 12,9% et facteurs de forme au-delà de 80%. Le second type, des cellules solaires hybrides, est basé sur la combinaison d'une couche organique et des nanofils de silicium. La caractérisation des cellules fabriquées montre des rendements prometteurs. Enfin, nous présentons des résultats préliminaires pour transférer ces concepts à une technologie couches minces. / Silicon Nanowire (SiNW) based solar cells offer an interesting choice towards low-cost and highly efficient solar cells. Indeed solar cells based on SiNWs benefit from their outstanding optical properties such as extreme light trapping and very low reflectance. In this research project, we have fabricated disordered SiNWs using a low-cost top-down approach named the Metal-Assisted-Chemical-Etching process (MACE). The MACE process was first optimized to reduce the strong agglomeration observed at the top-end of the SiNWs by tuning the wettability properties of both the initial substrate and the SiNWs surface. By combining the MACE process with the nanosphere lithography, we have also produced ordered SiNW arrays with an accurate control over the pitch, diameter and length. The optical properties of these SiNW arrays were then investigated both theoretically and experimentally in order to identify the geometrical configuration giving the best optical performance. Disordered and ordered SiNW arrays have been integrated into two types of solar cells: heterojunction with intrinsic thin layer (HIT) and hybrid devices. SiNW based HIT devices were fabricated by RF-PECVD and the optimization of the process conditions has allowed us to reach efficiency as high as 12.9% with excellent fill factor above 80%. Hybrid solar cells based on the combination of SiNWs with an organic layer have also been studied and characterized. The possible transfer of this concept to the thin film technology is finally explored.