Cette thèse porte sur l'étude numérique des écoulements fluide-particules rencontrés dans l'industrie. Ces travaux se situent dans le cadre de la compréhension des phénomènes qui se déroulent dans des tambours tournants et réacteurs à lit fixe en présence de particules de forme non convexe. En effet, la forme des particules influence de manière importante la dynamique de ces milieux. A cet effet, nous nous sommes servis de la plateforme numérique parallèle Grans3D pour la dynamique des milieux granulaires et PeliGRIFF pour les écoulements multiphasiques. Dans la première partie de cette thèse, nous avons développé une nouvelle stratégie numérique qui permet de prendre en compte des particules de forme arbitrairement non convexe dans le solveur Grains3D. Elle consiste à décomposer une forme non convexe en plusieurs formes convexes quelconques. Nous avons nommé cette méthode « glued-convex ». Le modèle a été validé avec succès sur des résultats théoriques et expérimentaux de tambours tournants en présence de particules en forme de croix. Nous avons aussi utilisé le modèle pour simuler le chargement de réacteurs à lits fixes puis des lois de corrélation sur les taux de vide ont été déduites de nos résultats numériques. Dans ces travaux, nous avons aussi testé les performances parallèles de nos outils sur des simulations numériques à grande échelle de divers systèmes de particules convexes. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à l'extension du solveur PeliGRIFF à pouvoir prendre en compte la présence de particules multilobées (non convexes) dans des écoulements monophasiques. Une approche du type Simulation Numérique Directe, basée sur les Multiplicateurs de Lagrange Distribués / Domaine Fictif (DLM/FD), a alors été adoptée pour résoudre l'écoulement autour des particules. Une série d'études de convergence spatiale a été faite basée sur diverses configurations et divers régimes. Enfin, ces outils ont été utilisés pour simuler des écoulements au travers de lits fixes de particules de forme multi-lobée dans le but d'étudier l'influence de la forme des particules sur l'hydrodynamique dans ces lits. Les résultats ont montré une consistance avec les résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. / Non convex granular media are involved in many industrial processes as, e.g., particle calcination/drying in rotating drums or solid catalyst particles in chemical reactors. In the case of optimizing the shape of catalysts, the experimental discrimination of new shapes based on packing density and pressure drop proved to be difficult due to the limited control of size distribution and loading procedure. There is therefore a strong interest in developing numerical tools to predict the dynamics of granular media made of particles of arbitrary shape and to simulate the flow of a fluid (either liquid or gas) around these particles. Non-convex particles are even more challenging than convex particles due to the potential multiplicity of contact points between two solid bodies. In this work, we implement new numerical strategies in our home made high-fidelity parallel numerical tools: Grains3D for granular dynamics of solid particles and PeliGRIFF for reactive fluid/solid flows. The first part of this work consists in extending the modelling capabilities of Grains3D from convex to non-convex particles based on the decomposition of a non-convex shape into a set of convex particles. We validate our numerical model with existing analytical solutions and experimental data on a rotating drum filled with 2D cross particle shapes. We also use Grains3D to study the loading of semi-periodic small size reactors with trilobic and quadralobic particles. The second part of this work consists in extending the modelling capabilities of PeliGRIFF to handle poly-lobed (and hence non-convex) particles. Our Particle Resolved Simulation (PRS) method is based on a Distributed Lagrange Multiplier / Fictitious Domain (DLM/FD) formulation combined with a Finite Volume / Staggered Grid (FV/SG) discretization scheme. Due to the lack of analytical solutions and experimental data, we assess the accuracy of our PRS method by examining the space convergence of the computed solution in assorted flow configurations such as the flow through a periodic array of poly-lobed particles and the flow in a small size packed bed reactor. Our simulation results are overall consistent with previous experimental work.

Les travaux de cette thèse concernent l'étude d'une méthode d'évaluation des constantes diélectriques du béton d'ouvrage à risque par une approche problème inverse. Pour cela des mesures radar de type GPR et un modèle électromagnétique de ces mêmes mesures seront utilisés. Les deux premiers chapitres de la thèse présentent les concepts clés, le contexte et un historique des travaux déjà réalisés dans le domaine. Le chapitre 2 propose en outre une adaptation des travaux déjà réalisés à la recherche de gradients de propriétés diélectriques dans le béton en profondeur. Cette recherche préliminaire nous a permis de redéfinir le processus de mesures pour le rendre plus adapté à nos besoins. Ainsi le chapitre 3 présente une campagne de mesure réalisée à l'aide d'un nouveau dispositif radar sur des corps d'épreuve conditionnés de telle sorte que la répartition de la teneur en eau soit maîtrisée. Dans ce chapitre, nous détaillons également un nouveau modèle numérique 3D du dispositif qui nous permet de simuler nos mesures de façon réaliste Ces simulations sont nécessaires à l'expression du problème inverse. à partir de ces mesures, dans le quatrième chapitre, nous définissons tout d'abord le problème inverse, puis en utilisant des mesures sur les corps d'épreuves saturés, pouvant être considérés comme homogènes d'un point de vue diélectrique, nous résolvons ce problème inverse par un algorithme d'optimisation basé sur celui de Levenberg-Marquardt. Les résultats obtenus par notre processus d'inversion sont cohérents avec les valeurs physiques que l'on pouvait attendre et sont indépendants des valeurs données à nos inconnues lors de l'initialisation. Ces résultats correspondent effectivement à un minimum de la fonction coût qui mesure la distance entre mesures et simulations. Nous avons ensuite étudié des stratégies pour diminuer le temps de calcul de notre processus d'inversion. Une première approche consiste à utiliser un modèle simplifié en 2D du dispositif, qui permet d'initialiser l'inversion 3D avec un point plus proche de la solution. Une autre idée consiste à utiliser au mieux les performances d'une machine multiprocesseurs en parallélisant le code 3D. Dans le chapitre 5 nous nous intéressons à des mesures sur des corps d'épreuve en béton dont la teneur en eau est une fonction affine de la profondeur. Dans ces conditions nous avons fait l'hypothèse, en première approche, que les constantes diélectriques suivent aussi ce type de loi. Après avoir redéfini les inconnues de notre problème inverse et adapté l'algorithme, nous montrons que le processus d'inversion fourni des résultats cohérents en ce qui concerne la permittivité diélectrique, mais insatisfaisant pour la conductivité. Après analyse de ces résultats nous avons proposé diverses pistes pour améliorer et valider la méthode d'inversion. Finalement en comparant l'ensemble des résultats, il apparaît que notre méthode d'inversion permet de caractériser des gradients de permittivité, mais pas de conductivité. Cela représente néanmoins une avancée significative pour la mesure de la teneur en eau dans les bétons, facteur principal influençant la constante diélectrique de ce matériau, dans le contexte du contrôle non destructif des ouvrages du génie civil. / That thesis aims to propose an assessment method of the concrete electromagnetic properties by using radar measurements in a context of building sustainability, by inverse problem. For that purpose Ground Penetrating Radar (GPR) measurements are used as well as a numerical model of the radar device. The first two chapters of the thesis present the key concepts, the context of the study, as well as the history of the research on that topic in particular in our laboratory. Chapter 2 also expands those early works on the search of electromagnetic properties of concrete in depth. That preliminary work helped us to develop a measurement device that is more fitted to our needs. Chapter 3 presents a measurement campaign that was carried out by using a new measurement device on specially made reinforced concrete slabs whose water content is monitored. In that chapter a 3D model of the device is also described. That model allows us to simulate the measurements very precisely. Those simulations are a critical link on the inverse process. Chapter 4 details the formulation of the inverse problem for the case of concrete slabs saturated with water, which can be therefore considered to have homogeneous electromagnetic properties. The problem is solved by using an optimization algorithm based on Levenberg-Marquardt method. The values obtained by the inverse process are physically acceptable and independent of the values given to the unknowns when initializing the algorithm. Those values are the minimum of the cost function that computes the distance between measured and simulated electromagnetic fields. We then studied some strategies to reduce the computing time of the inverse process. A first approach consists in the use of a 2D simplified model of our device to initialize the 3D inversion with values closer to the searched solution. Another idea is to better take advantage of all the resources of a multiprocessor computer by implementing a parallel version of the 3D code. In chapter 5 we focus on the concrete slab with water content being an affine function of depth. We define the new parameters that represent the unknowns of our problem and we adapt the previous algorithm. Then we show that the inverse process gives satisfying results with regard to the dielectric permittivity only. We suggest some ways to improve the method. Finally we conclude that our method allows to retrieve the permittivity of the concrete, but not its conductivity. Nevertheless that result represents a significant step for the measuring of water content in reinforced concrete in particular when a gradient is present, by using radar measurements.

L’objectif de ce travail de thèse est l’élaboration du silicium polycristallin en phase liquide, sur substrat de verre borosilicate, en utilisant l’irradiation par laser continu de forte puissance d’un film de silicium amorphe. Des simulations numériques modélisant l’interaction laser-silicium amorphe ont été effectuées grâce à un modèle que nous avons développé sur l’outil COMSOL. Nous avons ainsi pu suivre l’évolution des transferts thermiques dans les différentes structures Si/verre irradiées par laser et ainsi pu évaluer l’impact des paramètres expérimentaux tels que la vitesse de balayage, la puissance du laser, la température du substrat sur les seuils de transition de phase du Si amorphe (fusion, cristallisation, évaporation). Ces résultats de simulation ont été confrontés à des données réelles obtenues en réalisant différentes expériences d’irradiation de films Si amorphe. Les résultats de cette comparaison ont été largement discutés. Dans une deuxième partie, nous avons étudié les propriétés structurales et morphologiques de films Si polycristallin obtenus par l’irradiation laser de films Si amorphe. En particulier, nous avons mis en évidence les effets de la présence d’impuretés tels que l’hydrogène ou l’argon présent dans les couches Si amorphe préalablement au traitement laser. Nous avons également montré que la croissance des cristaux silicium s’opère par épitaxie à partir d’un effet de gradient thermique latéral et longitudinal, produit respectivement par le profil énergétique du faisceau laser et la diffusion thermique par conduction, et par convection thermique dans la direction de balayage. L’optimisation des conditions opératoires nous a permis de réaliser des films Si polycristallin à larges grains, jusqu’à plusieurs centaines de µm de long sur plusieurs dizaines de µm de large. Ces structures sont très intéressantes pour des applications en électronique et en photovoltaïque. / The objective of this thesis is the elaboration of polycrystalline silicon, on borosilicate glass substrate, by a Continuous Wave laser annealing of amorphous silicon operating in the liquid phase regime. Numerical simulations of the laser-amorphous silicon interaction have been carried out using COMSOL tool. We were able to monitor the evolution of the heat transfer in the different laser irradiated Si/glass structures. Thus, we have evaluated the effects of experimental parameters such as the scan speed, the laser power, the substrate temperature on the phase transition thresholds (melting, crystallization, evaporation). The modeling data were compared to the experimental data obtained on laser irradiated amorphous Si films, and the results were thoroughly discussed. In a second part, we have investigated the structural and morphological properties of polysilicon films prepared by CW laser irradiation of different amorphous silicon. We have shown that the presence of impurities such as hydrogen or argon in the amorphous silicon affects strongly the quality of the formed polysilicon film. We also found that the Si crystal growth occurs epitaxially from lateral and longitudinal thermal gradient produced respectively by the laser beam profile and thermal conduction, and by thermal convection in the scanning direction. The optimization of the experimental procedure led to the formation of polysilicon films with large grains up to several hundred microns long and tens microns in width. Such materials are of great interest to electronic and photovoltaic devices.

Le phénomène connu sous l'appellation "méandrement" (ou meandering) désigne les variations aléatoires de la trajectoire du sillage aérodynamique d'une éolienne. Ce phénomène est responsable de contraintes mécaniques particulières sur les éoliennes positionnées dans le sillage d'autres éoliennes et joue donc rôle dans la conception et dans la prévision de production des parcs éoliens.Ce travail propose d'étudier le méandrement par des moyens expérimentaux et numériques. La problématique est traitée en deux parties, la première portant sur la modélisation de l'écoulement de couche limite atmosphérique, avec une attention particulière portée à la modélisation des grandes échelles de la turbulence atmosphérique. La seconde partie porte sur l'étude du sillage d'un disque actuateur soumis à un écoulement atmosphérique. Chacune de ces parties comporte un volet expérimental et un volet numérique. La modélisation numérique instationnaire de l'écoulement atmosphérique fait intervenir une technique de génération stochastique de champs de vitesse turbulente avec évolution temporelle, spécialement développée au cours de la présente thèse et à laquelle un chapitre spécifique est dédié.L'un des principaux résultats est que le méandrement du sillage est fortement corrélé avec les grandes échelles de la turbulence atmosphérique. / The phenomenon known as meandering describes the unsteady trajectory variations of the wake of a wind turbine. This phenomenon is responsible for specific mechanical stresses on turbines positioned in the wake of other turbines. As such, this phenomenon must be accounted for in the design and operation of wind turbine plants.This work uses numerical fluid simulation and wind tunnel testing in order to study the meandering of the wake of a wind turbine. The subject is discussed in two parts. The first part discusses the modeling of the atmospheric boundary layer, with a focus on the large scales of the atmospheric turbulence. The second part is a study of the behavior of the wake of an actuator disc model in atmospheric wind conditions.Both parts include experimental and numerical work. The numerical simulation of the atmospheric boundary layer involves the generation of synthetic turbulent velocity time series by mean of a stochastic technique developed during this thesis, to which a chapter is dedicated.One of the main results of this work is that the meandering is highly correlated with the large scales of the atmospheric turbulence.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans un thème de recherche portant sur l’optimisation de la phase de conception et la préparation de la fabrication par estampage de pièces de formes complexes. Le préformage des renforts tissés secs est un enjeu important pour plusieurs procédés de production de pièces en matériaux composites tel que, par exemple, le procédé RTM (Resin Transfer Molding). Au cours de cette phase, la préforme est soumise à des déformations importantes. La connaissance du comportement du tissu sec est alors un enjeu majeur en vue de l’optimisation des procédés de mise en forme. Pour mettre en œuvre les renforts tissés, il est nécessaire de tenir compte de leurs caractéristiques intrinsèques aux différentes échelles, de leurs très grandes déformations en cisaillement et du comportement fortement orienté de ces matériaux. Un point important réside dans la détermination des orientations des renforts après formage. Face à la complexité de mise au point expérimentale de la mise en forme des renforts tissés, la simulation est un outil important pour l’optimisation de conception de pièces composites. Dans ce travail, une nouvelle approche hybride discrète non linéaire, basée sur l’association d’éléments continus hypoélastiques (comportement en cisaillement non linéaire) avec des connecteurs spécifiques de comportement non linéaire a été abordée. Elle permet de prédire les contraintes au niveau des fibres et de déterminer avec plus de précision, les angles de cisaillement en se basant sur la modification de l’orientation en grande déformation. En outre, elle permet d’analyser et de prévoir le comportement global du tissu à partir de sa structure interne. Le nombre de paramètres à identifier est faible et le temps de calcul est raisonnable. Cette approche a été programmée via une routine VUMAT et implémentée dans le code de calcul élément fini ABAQUS/Explicit. L’identification et la validation du modèle ont été effectuées en utilisant des essais de caractérisation standard des tissus. Les résultats de mise en forme des renforts tissés ont été comparés à des résultats expérimentaux. / This thesis is part of a research theme dealing with the optimization of the design process and thepreparation for a manufacturing process by stamping of complex shaped parts. The preforming ofdry woven reinforcements is one of the most important steps during production of complexcomposite material parts such as RTM (Resin Transfer Molding) process. In this stage, thedeformation of preform (fabric) is quite important. Understand the woven behavior is an essentialstep in the study of shaping processes. In order to use woven reinforcements to produce industrialparts, it is compulsory to take into account their intrinsic characteristics at different scales, theirvery large shear deformations and the high oriented behavior of these materials. Further more, thedetermination of the reinforcement orientations after forming is an important task. The complexityof the experimental development of the shaping of woven reinforcements makes simulation animportant tool for optimizing the design of composite parts. This work presented a new non-lineardiscrete hybrid approach, based on the association of hypoelastic continuous elements (non-linearshear behavior) with specific non-linear behavior connectors. This approach able to predict thestresses at the level of the fiber to determine with more precision, the shear angles based on themodification of the orientation in large de formation. In addition, it allows the overall behavior of thetissue to be analyzed and predicted from its internal structure. The number of parameters to be identified is limited and the calculation time is reasonable. This approach was implemented in the Finite element code ABAQUS/Explicit via a VUMAT routine code. The identification and validationof the model was performed using standard fabric characterization tests. The woven reinforcement forming results were compared with experimental results.

Nous avons étudié l'effet d'une réaction chimique sur le transfert de matière pour des systèmes à deux phases sous écoulement. La phase continue est une phase fluide et la phase dispersée est constituée de particules de catalyseur au sein desquelles une réaction chimique irréversible de premier ordre a lieu. Le soluté réactif est transporté par l'écoulement externe de fluide et pénètre dans la particule par diffusion, il se produit alors une réaction chimique qui consomme cette espèce. Nous modélisons le problème par un couplage interne-externe des équations de bilan et au moyen de deux conditions limites de raccordement: continuité de la concentration et équilibre des flux de masse à la surface des particules. Le cas d'une seule sphère isolée est traitée en premier lieu de manière théorique et numérique. Nous proposons un modèle pour prédire le coefficient de transfert de masse (nombre de Sherwood «réactif») en tenant compte de la convection-diffusion externes et du couplage diffusion-réaction internes. Nous validons le modèle en le comparant à des simulations numériques directes pleinement résolues (DNS boundaryfitted) sur un maillage adapté à la géométrie des particules. Pour la simulation de systèmes multiparticules, nous mettons en œuvre une méthode d'interface «Sharp» pour traiter les fronts raides de concentration. Nous validons la mise en œuvre de la méthode sur des solutions analytiques existantes en cas de diffusion, de diffusion-réaction et par comparaison avec des corrélations de convection-diffusion disponibles dans la littérature. Dans le cas d'une réaction chimique en présence de convection-diffusion, nous validons la méthode et nous évaluons sa précision en comparant avec les simulations pleinement résolues de référence. Ensuite, nous étudions le problème de l'écoulement et du transfert autour de trois sphères alignées soumis à une réaction chimique interne. Nous proposons un modèle de nombre de Sherwood «réactif» en complément d'une prédiction de transfert pour chaque sphère disponible dans la littérature. Nous validons le modèle par comparaison avec des simulations numériques directes pour une large gamme de paramètres adimensionels. Ensuite, nous étudions la configuration du lit fixe de particules de catalyseur. Nous modélisons le profil de concentration moyenne, en tenant compte de la réaction chimique dans le lit et les profils de concentration moyenne surfacique et volumique des particules. Nous introduisons un modèle pour le nombre de Sherwood «réactif» qui est comparé à des simulations numériques pour en évaluer les limites de validité / We studied the effect of a first order irreversible chemical reaction on mass transfer for two-phase flow systems in which the continuous phase is a fluid and the dispersed phase consists in catalystspherical particles. The reactive solute is transported by the fluid flow and penetrates through the particle surface by diffusion. The chemical reaction takes place within the bulk of the particle. Wehandle the problem by coupling mass balance equations for internal-external transfer with two boundary conditions: continuity of concentration and mass flux at the particle surface. We start with the case of a single isolated sphere. We propose a model to predict mass transfer coefficient (`reactive' Sherwood number) accounting for the external convection-diffusion along with internal diffusion-reaction. We validate the model through comparison with fully resolved Direct Numerical Simulations (DNS) performed by means of a boundary-fitted mesh method. For the simulation of multi-particle systems, we implemented a Sharp Interface Method to handle strong concentration gradients. We validate the implementation of the method thoroughly thanks to comparison with existing analytical solutions in case of diffusion, diffusion-reaction and by comparison with previously established correlations for convection-diffusion mass transfer. In case of convectiondiffusion- reaction, we validate the method and we evaluate its accuracy through comparisons with single particle simulations based on the boundary-fitted method. Later, we study the problem of three aligned-interacting spheres with internal chemical reaction. We propose a `reactive' Sherwood number model based on a known non-reactive prediction of mass transfer for each sphere. We validate the model by comparison with direct numerical simulations for a wide range of dimensionless parameters. Then, we study the configuration of a fixed bed of catalyst particles. We model the cup-mixing concentration profile, accounting for chemical reaction within the bed, and the mean surface and volume concentration profiles of the particles. We introduce a model for `reactive' Sherwood number that accounts for the solid volume fraction, in addition to the aforementioned effects. We compare the model to numerical simulations to evaluate its limitations

Ces travaux de recherche concernent le domaine de l’ingénierie des connaissances pour laconception de produits et plus particulièrement les phases amont du couple produit-simulation dansle processus de conception.Au cours de ces différentes phases amont, les acteurs d’un même projet utilisent simultanément denombreuses modélisations géométriques et comportementales du produit. Ils peuvent aussi avoirrecours à plusieurs outils logiciels hétérogènes, communiquant très difficilement entre eux.Dans ce contexte, le partage des connaissances entre les différents modèles métiers apparait commeune nécessité. En effet, concevoir un produit implique une gestion des connaissances d’unegranularité fine en tenant compte de leur niveau de maturité et de leur cohérence.Le recours à de nouvelles méthodes et de nouveaux outils est alors nécessaires dans le but desoutenir l’approche globale PLM et continuer à optimiser et rationaliser le processus de conceptionde produits.Dans ce cadre, nous proposons une approche qualifiée de KCM – Knowledge ConfigurationManagement, basée sur la gestion des connaissances de granularité fine, en configurations. Cetteapproche est de nature à favoriser la collaboration entre les acteurs d’un projet, en améliorant lacapitalisation, la traçabilité, la réutilisation et la cohérence des connaissances, utiliséessimultanément dans plusieurs activités en parallèle du processus de conception.Les principaux résultats de notre travail de recherche se structurent autour de trois axes :· Une méthodologie de gestion des connaissances en configurations qualifiée de KCMethod.· Un méta-modèle, baptisé KCModel, de structuration des concepts manipulés parKCMethod.· Une maquette de faisabilité sous forme d’outil logiciel ADES, permettant d’expérimenteret valider notre approche.L’ensemble des résultats obtenus s’articule autour d’une solution logicielle de nouvelle génération,qualifiée de KCManager, permettant de déployer en entreprise l’ensemble de la démarche proposée. / This research work deals with the field of knowledge engineering for product design, especially theupstream phases of the design-simulation couple in the product design process.In these phases, the project participants use many geometric and behavioural models of the productin parallel, while using multiple heterogeneous software tools, with difficulties to communicatebetween each other. However, especially in the upstream phases of the design process, designing aproduct requires sharing fine granularity knowledge between the different expert models, takinginto account their levels of maturity and consistency. Consequently, new methods and tools arethen needed in order to support the overall PLM approach and continue to optimize and streamlinethe product design process.Thus, in this research context, we propose an approach referred to as KCM – KnowledgeConfiguration Management, based on management of fine granularity knowledge in configuration.This approach is likely to improve collaboration between project participants, improvingcapitalization, traceability, reuse and consistency of the knowledge used simultaneously on severalactivities in parallel within the design process.The main results of our research are structured around three axes :· A methodology for knowledge configuration management qualified as KCMethod.· A meta-model, called KCModel, structuring concepts manipulated by KCMethod.· A model of feasibility, namely ADES software tool, allowing testing and validation ourapproach.The overall results are articulated around a next-generation software solution, described asKCManager, in order to deploy the approach proposed.

Le sujet concerne l’influence des effets tridimensionnelles sur les champs de déformation et de contrainte au voisinage d’une éprouvette chargée en mode I. La loi de comportement caractéristique des polymères amorphes avec un seuil d’écoulement viscoplastique suivi d’un adoucissement et d’un durcissement à mesure que la déformation augmente est prise en compte. La loi est implantée dans une UMAT abaqus. Les champs au voisinage de l’entaille sont analysés et les résultats 3D comparés à ceux correspondant à un calcul 2D sous l’hypothèse de déformation plane. L’influence de l’épaisseur de l’échantillon est étudiée et nous montrons qu’au-delà d’un rapport épaisseur t sur rayon d’entaille rt, t/rt>20, les champs de déformation plastique sont qualitativement similaires entre les calculs 3D et 2D. En revanche, nous montrons que la répartition des contraintes et notamment celle de la contrainte moyenne est sur-estimée avec un calcul 2D en comparaison à une simulation 3D. Nous prenons en compte par la suite la rupture par craquelage, modélisée avec un modèle cohésif. Une étude paramétrique est menée afin de définir une procédure d’identification des paramètres caractéristiques du modèle cohésif. Par ailleurs les simulations montrent qu’au-delà d’un rapport t/rt supérieur à 20, une ténacité minimum peut être estimée : ceci constitue un résultat important pour la détermination expérimentale de la ténacité des polymères ductiles. / We investigate 3D effect of crack tip palsticity and the influence of the thickness on 3D glassy polymer fracture. The characteristuc constitutive law with a viscoplastic yield stress followed by softening and progressive hardening is accoutne for and implemented in a UMAt routine, in abaqus. The crack tip fields are investigated and 2D plasne strain versus 3D calculations compared. Qualitatively, the palstic distribution are comparableas soon as the ratio thickness over crack tip radius is larger than 20. However, the 2D calculations over estimate the stress distribution compared to the 3D cases. We have accounted for failure by crazing that is described with a cohesive models. A parametric study sheds light on the methodology to use for the calibration of the cohesive parameters. The simulations show that for a ratio thickness over craci tip radius larger than 20, a minimum tuoghness can be observed. This results has implication on the definition of a thickness larger enough experimentally.

La technologie des cellules photovoltaïques silicium à hétérojonction (HET) a montré un intérêt croissant ces dernières années. En alliant les avantages des technologies couches minces et silicium cristallin (c-Si), elle permet un meilleur compromis coûts-performances que les cellules purement c-Si. Cette thèse a pour but d'améliorer la compréhension des mécanismes physiques qui régissent les performances de ces cellules, en mettant à profit des compétences spécifiques de caractérisation et de simulation issues de la microélectronique. Nos travaux se focalisent sur l'étude de la face avant de la cellule HET de type n, composée d'un empilement de couches minces d'oxyde d'indium dopé à l'étain (ITO) et de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). Nous commençons par une étude théorique et expérimentale de la conduction des couches d'a-Si:H en fonction de la température, du dopage et des défauts qu'elles contiennent. Prendre en compte l'équilibre dopant/défaut de ces couches est primordial mais nous montrons aussi que le travail de sortie des électrodes en contact, comme l'ITO, peut influer fortement sur la position du niveau de Fermi dans les films nanométriques d'a-Si:H. Nous présentons ensuite une évaluation de sept techniques de caractérisation du travail de sortie afin d'identifier les plus adaptées à l'étude de semiconducteurs dégénérés tels que l'ITO. Nous montrons notamment l'intérêt de techniques originales de la microélectronique comme les mesures de capacité C(V), de courant de fuite I(V) et de photoémission interne (IPE) sur des empilements ITO/biseau d'oxyde/silicium. Nous mettons clairement en évidence que les propriétés volumiques de l'ITO peuvent être optimisées, mais que les interfaces ont un effet prépondérant sur les valeurs de travaux de sortie effectifs (EWF) extraits. Une bonne cohérence globale a été obtenue pour les techniques C(V), I(V) et IPE sur biseau de silice (SiO2) ; les valeurs extraites ont notamment permis d'expliquer des résultats expérimentaux d'optimisation des cellules. Nous montrons que la tension de circuit ouvert (Voc) des cellules est finalement peu sensible au travail de sortie, contrairement au Facteur de Forme (FF), grâce à la couche d'a-Si:H. Plus cette dernière est dopée, défectueuse et épaisse, plus elle est capable d'écranter les variations électrostatiques d'EWF. Aussi, le travail de sortie doit être suffisamment élevé pour pouvoir réduire les épaisseurs de couche p d'a-Si:H et ainsi gagner en courant de court-circuit (Jsc) sans perdre en FF ni Voc. Enfin, il nous a été possible d'appliquer cette méthodologie à d'autres oxydes transparents conducteurs (TCO) que l'ITO. Le meilleur candidat de remplacement de l'ITO doit non seulement présenter une transparence optique élevée, être un bon conducteur et avoir un fort travail de sortie effectif, mais il faut également prêter une attention particulière à la dégradation éventuelle des interfaces causée par les techniques de dépôt. / By combining the advantages of thin-films and crystalline silicon (c-Si), the silicon heterojunction solar cell technology (HET) achieves a better cost-performance compromise than the technology based only on c-Si. The aim of this thesis is to improve the understanding of the physical mechanisms which govern the performance of these cells by taking advantage of specific characterization and simulation skills taken from microelectronics. Our study focuses on the front-stack of the n type cell composed of thin layers of indium tin oxide (ITO) and hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H). We begin with a theoretical and experimental study of the conductivity of a-Si:H layers as a function of temperature, doping concentration and bulk defects density. It is important to properly take into account the dopant/defect equilibrium of these layers but we also show that the work function of the electrodes in contact, such as the ITO, can strongly influence the Fermi level in the nano-films of a-Si:H. Then, we evaluate seven characterization techniques dedicated to the work function extraction in order to identify the most suitable one for studying degenerate semiconductors such as the ITO. We particularly show the interest of using original microelectronics techniques such as capacitance C(V), leakage current I(V) and internal photoemission (IPE) measurements on ITO/bevel oxide/silicon test structures. We clearly demonstrate that the ITO bulk properties can be optimized, yet the interfaces have a major influence on the extracted values of the effective work function (EWF). A good overall consistency has been obtained for C(V), I(V) and IPE measurements on a silicon dioxide bevel (SiO2) ; the extracted values enabled us to explain experimental results concerning the optimization of HET cells. We show that the open circuit voltage (Voc) of these devices is finally barely sensitive to work function, unlike the Fill Factor (FF). This is due to the a-Si:H layer. The more it is doped, defective and thick, the more it is able to screen the electrostatic variations of EWF. Thus, EWF must be sufficiently high to be able to reduce the p a-Si:H layer thickness and, in turn, to gain in short-circuit current (Jsc) without losing either in FF or Voc. Finally, we successfully applied this methodology to other types of transparent conductive oxides (TCO) differing from ITO. The best candidate to replace ITO must not only have a high optical transparency, be a good conductor and have a high EWF, but we must also pay close attention to the possible interface degradations caused by the deposition techniques.

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