Ce travail porte sur la synthèse de couches minces de nanoparticules de silicium (np-Si) encapsulées dans une matrice diélectrique en vue d’une application en tant que couche active pour les cellules solaires de 3ème génération. La technique utilisée pour la synthèse des np-Si est la pyrolyse laser. Cette technique nous a permis d’obtenir des np-Si cristallines d’environ 5 nm de diamètre avec une distribution en taille étroite. Par ailleurs, l’utilisation de gaz précurseurs spécifiques (PH₃, B₂H₆) dans le mélange réactionnel a rendu possible le dopage (type n ou p) des np-Si. Le dopage effectif des np-Si a pu être mis en évidence par des mesures de résonance paramagnétique électronique (RPE). Des films de np-Si seules ont pu être déposés in-situ via la création d’un jet supersonique de gaz contenant les particules de silicium. Les caractérisations optoélectroniques de ces couches ont montré un effet de confinement quantique fort au sein de films, garantissant ainsi un élargissement important du gap du silicium de 1.12 eV (pour le silicium massif) à environ 2 eV (pour les np-Si) ; prérequis indispensable pour réaliser une cellule tandem tout silicium. Des mesures de résistivité sur ces films ont permis de confirmer l’activité des dopants au sein des np-Si. Pour les np-Si dopées au phosphore une diminution de la résistivité de plus de 5 ordres de grandeurs par rapport au np-Si intrinsèques a été observée. Le couplage entre la pyrolyse laser et la pulvérisation magnétron via notre dispositif original de synthèse s’est révélé parfaitement adapté à l’élaboration de couches minces nanocomposites np-Si/SiO₂. Un comportement de type diode a pu être mis en évidence sur une jonction constituée par la superposition d’une couche nanocomposites (type n) sur un substrat de silicium massif (type p). Au-delà de la simple application au photovoltaïque, le procédé couplé, largement éprouvé et optimisé au cours de ce travail de thèse, pourrait permettre la réalisation d’une multitude de couches nanocomposites différentes, puisque la nature chimique des particules et de la matrice peuvent être choisies indépendamment. / This work focuses on the synthesis of thin films composed of silicon nanoparticles (np- Si) embedded in a dielectric matrix for application as an active layer for the third generation solar cells. The technique used for the synthesis of np-Si is the laser pyrolysis. This technique allowed us to obtain 5 nm cristalline np -Si with a narrow size distribution. Furthermore, the use of specific precursor gases (PH₃, B₂H₆) in the reaction mixture enables doping (n or p -type) of np -Si. Effective np -Si doping has been demonstrated by measurements of electron paramagnetic resonance (EPR). Films made of np-Si only, have been deposited in situ by creating a supersonic jet of gas containing the silicon particles. Optoelectronic characterization of these layers showed a strong quantum confinement effect in films, thus ensuring a significant widening of the gap of 1.12 eV silicon (for bulk silicon) to about 2 eV (np -Si); which is an essential prerequisite to achieve a silicon tandem cell. Resistivity measurements on these films have confirmed the dopants activity in the np -Si. For np -Si doped with phosphorus, a significant decrease of the resistivity of more than five orders of magnitude compared to the intrinsic np -Si was observed. Coupling between laser pyrolysis and magnetron sputtering through our original synthesis device proved to be perfectly suited for the elaboration of nanocomposite thin films np-Si/SiO₂. A diode-type behavior has been highlighted on a junction formed by the superposition of a nanocomposite layer (n-type) on a bulk silicon substrate (p-type ). Beyond the simple application to photovoltaics , the coupled process, widely used and optimized during this work could allow the production of a multitude of different nanostructured layers , since the chemical nature of the particles and the matrix can be chosen independently.

Ce travail concerne le domaine des cellules solaires sensibilisé à colorant à l’état solide et plus particulièrement le développement de nouvelles électrodes poreuses de TiO2 à base de nanocristaux synthétisés par pyrolyse laser. Deux types de poudres à base de TiO2 ont été synthétisés : TiO2 dopé à l’azote avec une teneur en azote contrôlée et des nanocomposites TiO2/MWNTC (Multi Wall Carbon Nanotubes). Dans le premier cas, le rendement des cellules élaborées varie en fonction de la teneur en N dans la poudre, cet effet étant relié à la localisation des atomes d’azote au sein du TiO2. Le dopage conduit à une augmentation du taux de recombinaison des charges. Cet effet limitant pour les performances, est partiellement compensé par une augmentation de la conductivité électrique avec le taux d’azote. Pour des taux de dopage modérés, les rendements des cellules sont ainsi sensiblement améliorés par rapport aux cellules à base de TiO2 non dopé. Concernant les nanocomposites TiO2/MWNTC, la synthèse par pyrolyse en une étape à partir d’une suspension contenant des MWCNT conduit à une dispersion très homogène des nanotubes au sein de la poudre de TiO2. La méthode favorise de plus l’enrobage des nanotubes par les particules d’oxyde, conduisant à des interactions électroniques efficaces. Les cellules solaires élaborées à partir de ce composite présentent des rendements améliorés de près de 20% par rapport aux cellules de référence. Cette amélioration est principalement attribuée à un drainage des charges photo-générées vers les électrodes favorisé en présence des nanotubes qui s’accompagne d’une réduction sensible des phénomènes de recombinaison. / This work is related to the development of new TiO2 porous photo-electrodes based on nanopowders synthesized by laser pyrolysis for application in solid-state dye-sensitized solar cells. Two different types of TiO2 powders were synthesized: TiO2 nanoparticles doped with different levels of nitrogen, and TiO2/MWNTC (Multi Wall Carbon Nanotubes) nanocomposites. In the first case, the efficiency of the solar cells is dependent on the nitrogen amount in the powder, in relation with the localization of the dopants in the TiO2 structure. High nitrogen contents are associated with high defect densities at the TiO2 nanoparticle surface, leading to intense charge recombination. Although this effect limits the performance of the cells, it can be counterbalanced by an increased electrical conductivity due to the presence of N atoms. Finally, for moderate doping levels, the incorporation of nitrogen can improve the efficiency of the cells, compared to reference devices. Regarding the use of TiO2/MWNTC nanocomposites, the one step synthesis by laser pyrolysis from a precursor mixture including MWNTC leads to nanopowders where nanotubes appear very homogeneous dispersed of. The nanotubes are also highly coated with TiO2 particles, improving their electrical interactions with the TiO2 particles. The efficiencies of the solar cells made from such composites are found to be 20% larger than that of reference cells. This improvement is mainly attributed to faster charge collection and reduced charge recombination rates.