Ce travail a pour but de comprendre l’effet de la compensation du dopage sur les performances des cellules photovoltaïques à base de silicium de qualité solaire purifié par voie métallurgique. Après avoir développé la physique des matériaux compensés, l’influence de la compensation a été étudiée à l’échelle de la plaquette. Nous avons mis en évidence une forte réduction non prédite de la mobilité des porteurs. Au contraire, la compensation du dopage s’est avérée bénéfique à la durée de vie volumique. Nous avons précisé les propriétés recombinantes des dopants. L’étude a été transposée à l’échelle de la cellule. Des rendements de 16% ont été obtenus sur des cellules fortement dopées et compensées. La présence de nombreuses associations entre impuretés dopantes et défauts nous a conduits à l’élaboration d’un algorithme permettant de simuler la cinétique de ce type d’association. Enfin, deux techniques innovantes de mesure des teneurs en dopants et en oxygène interstitiel ont été présentées. / This study aims at understanding the influence of the dopant compensation on the performances of solar cells based on solar-grade silicon purified via metallurgical routes. We first detailed the physics of compensated semiconductors. The compensation effects were then studied at the wafer level. We found a sharp unpredicted reduction in carrier mobility at high compensation level. Conversely, the dopant compensation was shown to be very beneficial to the carrier lifetime. We specified the recombination properties of dopants. We then focused on the compensation effects at the solar cell level. We obtained conversion efficiencies of 16% on highly doped and compensated solar cells, revealing the photovoltaic potential of solar-grade silicon. Since numerous association reactions occur between dopants and defects, we built an algorithm in order to simulate the association kinetics of such reactions. Eventually, we presented two innovative characterisation techniques that allow the concentrations of dopants and light elements to be measured.

Les performances électriques des cellules photovoltaïques à base de silicium sont fortement dégradées lorsque leur température augmente. Cette problématique, pourtant bien connue, n’est pas suffisamment prise en considération dans l’industrie du photovoltaïque. Pour parer à cette dégradation, deux voies d’améliorations peuvent être explorées : diminuer la température de fonctionnement des cellules ou réduire leurs coefficients de dégradation en température. Cette étude est d’autant plus importante pour les applications sous concentrations, un éclairement élevé favorisant l’échauffement des cellules. Pour les facteurs de concentration élevés, l’utilisation de systèmes de refroidissement actifs réduit drastiquement la température de fonctionnement. Pour les faibles éclairements, le refroidissement passif est préféré, bien moins coûteux en énergie. Ce travail de thèse est focalisé sur l’étude du comportement thermo-électrique des cellules sous faible concentration du rayonnement incident. Un banc de caractérisation innovant développé dans cette thèse a rendu possible la quantification des variations de la température de la cellule avec la tension de polarisation sous différents facteurs de concentration. Avec l’augmentation de la polarisation, une évolution du facteur d’émission thermique est observée du fait des variations de la concentration de porteurs de charge minoritaires. Le refroidissement radiatif est minimal au courant de court-circuit et est maximal à la tension de circuit ouvert : la température atteinte au point de court-circuit est supérieure à celle atteinte en circuit ouvert. Pour une cellule donnée, sous un éclairement de 3 soleils, un écart de température de 6.2 °C a pu être mesuré entre ces deux points. La fabrication de cellules avec des propriétés différentes nous a permis de confirmer l’importance du dopage de la base et de l’architecture sur l’augmentation du refroidissement radiatif avec la polarisation. De plus, la comparaison du comportement thermo-électrique des cellules de type de dopages différents a mis en avant de plus faibles coefficients de dégradation en température de la tension en circuit ouvert pour les cellules ayant un substrat de type n. Par exemple, pour une température de et sous un éclairement de 1 soleil, un coefficient de dégradation en température du Voc de −0.45% %·°C-1 a été mesuré sur une cellule de type n contre −0.49%·°C-1 pour une cellule de type p. / The electrical performances of silicon based solar cells strongly degrade when increasing their temperature. However, such a well-known issue is too scarcely considered in the phovoltaic industry. To prevent the degradation of silicon based solar cells, two ways of improvement can be explored : one can either decrease the cells’ functionning temperature or either reduce the temperature degradation coefficient. As light intensity tends to favor cell heating, the study is even more important under concentrated sunlight. Regarding high light intensities, active cooling systems can be used to drastically reduce the cell temperature. For low light intensities, passive cooling systems, such as radiative cooling, are more energetically savy. The thesis aims at studying the electro-thermal behavior of cells under low light intensities. An innovative experimental set-up has been developped during this thesis to quantify the variation of the cell temperature with the applied bias voltage. When increasing the bias, an evolution of the cell emissivity is observed because of a variation of the minorities carrier concentration. The radiative cooling is at its lowest at the short circuit current and peaks its highest value at the open circuit voltage : as a result, the reached temperature is higher at the short circuit current than at the open circuit voltage. For a given solar cell, under 3 suns, a temperature shift of 6.2 °C was measured between these two points. The control of the fabrication process gives the opportunity to analyse the influence of the base doping and cell architecture on the evolution of the radiative cooling with the applied bias. Furthermore, the comparison between the electro-thermal behaviors of solar cells, which are related to their type of doping, has shown a lower thermal degradation coefficient of the open circuit voltage for n-type based dope solar cells. For example, at 60°C and under 1 sun, we measured a thermal degradation coefficient BVoc = −0.45% %·°C-1 for a n type solar cell whereas the p type solar cell recorded BVoc = −0.49% %·°C-1.

Le contexte actuel de forte croissance des besoins en énergie dans le monde nécessite une diversification de sa production, notamment vers des sources renouvelables tout en limitant autant qu’il est possible l’émission de gaz à effet de serre. Parmi les énergies renouvelables une des plus prometteuses et abondantes est l’énergie solaire et il apparaît évident que l’énergie solaire, thermique ou photovoltaïque, représente un enjeu crucial pour diminuer la consommation d’énergie fossile. Actuellement 90 % des générateurs solaires sont élaborés en silicium cristallin, ce qui pose un problème d’approvisionnement en matière première, les producteurs de silicium n’ayant pas su anticiper la forte expansion de la filière solaire. Des concepts innovants présentent une forte potentialité en termes de coût de production et d’application, notamment les filières organiques et hybrides (organique/oxyde métallique). En Europe, la France est très active dans ce domaine de recherche, en particulier en ce qui concerne l’utilisation de nouveaux matériaux nanostructurés organiques ou de structures hybrides. C'est pourquoi Disasolar, une start-up française spécialisée dans le photovoltaïque souple, souhaite développer cette activité en élaborant des modules solaires souples par impression jet d'encre. Les objectifs de cette thèse sont d'étudier des nouveaux matériaux d'interface imprimables et d'évaluer l'effet de la dimension des nanoparticules sur la topologie et les performances des dispositifs. Et dans un deuxième temps l'étude portera sur l'impression des matériaux d'interface et la stabilité des cellules solaires organiques. / The current context of strong growth in energy demands in the world requires diversification of its production, in particular towards renewable sources while limiting as far as possible the emission of greenhouse gases. Among the most promising and abundant renewable energies is solar energy and it is evident that solar, thermal or photovoltaic energy represents a crucial issue to reduce the consumption of fossil energy. Currently 90% of the solar generators are made of crystalline silicon, which poses a problem of supply of raw material, as silicon producers did not know how to anticipate the strong expansion of the solar sector. Innovative concepts present a high potential in terms of cost of production and application, in particular organic and hybrid (organic / metal oxide) dies. In Europe, France is very active in this area of research, particularly with regard to the use of new organic nanostructured materials or hybrid structures. This is why Disasolar, a French start-up specializing in flexible photovoltaics, wants to develop this activity by developing flexible solar modules by inkjet printing. The objectives of this thesis are to study new printable interface materials and to evaluate the effect of nanoparticle size on the topology and performance of devices. And secondly, the study will focus on the printing of interface materials and the stability of organic solar cells.

Ce travail de thèse a pour but de comprendre l’impact des propriétés électriques du silicium cristallin sur les performances des cellules solaires Silicium à HétéroJonction (SHJ) et de déterminer des spécifications matériaux nécessaires en termes de durée de vie des porteurs de charge et de résistivité.Dans une première partie de cette thèse, le potentiel du silicium mono-like a été évalué pour la fabrication de cellules solaires SHJ. La forte productivité de cette technique permet de réduire considérablement les coûts de fabrication des plaquettes. Des rendements de conversion de 20% équivalents à ceux des matériaux du marché ont été obtenus ainsi qu’un rendement de 21.6% avec l’utilisation d’un procédé de fabrication de cellules haut rendements. Ces valeurs ont été obtenues pour des durées de vie volumiques moyennes sur les plaquettes supérieures à 1ms. Les principaux limitations de la qualité du matériau mono-like ont été identifiés. D’abord, la présence de zones multicristallines sur certaines plaquettes rend le matériau incomptable avec le procédé SHJ notamment en ce qui concerne les étapes de texturation des surfaces et ensuite l’uniformité en épaisseur des couches déposées. Ce type de défauts fait chuter en premier lieu la Jcc, puis la Vco et le FF et finalement le rendement de conversion. De plus, la présence de contamination et la génération de dislocations aux extrémités du lingot font également chuter la durée de vie volumique et les paramètres photovoltaïques des cellules. Finalement, seulement 30% de la hauteur de lingot a pu être utilisé pour des hauts rendements de conversion.La deuxième partie a été consacrée à l’étude et l’optimisation, avec la technologie SHJ, d’une technique de dopage innovante remplaçant celles utilisant des impuretés dopantes, telle que le phosphore, en générant des donneurs thermiques dans le substrat silicium cristallin. Cette méthode de dopage présente l’avantage d’utiliser l’oxygène naturellement présent dans le silicium en transformant en dopant par des recuits à 450°C. Cette technique est uniquement valable avec une procédé basse température tel que celui utilisé dans ce travail de thèse et permettrait de contrôler les propriétés électriques du silicium sur l’ensemble d’un lingot Cz afin d’augmenter le rendement matière. La compatibilité du silicium cristallin dopé par des DT a été validée pour une gamme de résistivité de 3-10Ω.cm et durées de vie volumique de 3-10ms. La limite d’utilisation des DT pour l’obtention de hauts rendements correspond à une concentration inférieure à 7x1014cm-3 (3Ω.cm, 3ms). La technique de dopage a été transférée avec succès à l’échelle du lingot et a permis d’obtenir de rendement de 20.7% avec un procédé industriel et même de 21.7% avec une métallisation « smart-wire ». Une perte de FF a été observée par rapport aux références, liées à une résistance série élevée dont l’origine n’a pas encore été confirmée mais dont la source la plus probable serait l’inhomogénéité radiale de résistivité générée par le dopage. / This study aims to understand the electrical properties impact of the crystalline Silicon on the HeteroJunction (SHJ) solar cells performances and define the required material specifications in terms of minority carrier lifetime and bulk resistivity.In the first part of this work, the potential of the mono-like silicon was evaluated for SHJ solar cells production The high productivity of the crystallization method allows to significantly reduce the material cost. 20% efficiencies comparable to reference wafers were obtained for industrial process and had reached 21.6% values have been reached with a high efficiency process. Values above 1ms bulk lifetime were mandatory to obtain these results. The main limitations of the material properties were identified. First, the presence of multicrystalline zones on the material is incompatible with the SHJ process especially regarding the texturization step and then layers thickness’ uniformity. This defects drive down, at the first order, the Jsc and then the Voc and FF. Moreover, the metallic contamination and the dislocations generation at the ingots ends induce also a bulk lifetime degradation and PV performances drop. Finally, only 30% of the ingot height was usable to obtain high solar cell efficiencies.In the second part of this work, an innovative doping method, replacing the ones which use doping impurities, such as phosphorus, by generating thermal donors (TD) was studied. The advantages of this doping method are to use the oxygen naturally content in the silicon to generate the doping after 450°C annealing. This method is only possible if low temperature solar cell process is performed such the one used in this work. It could control the electrical properties of the crystalline silicon throughout a complete Cz ingot and increase the material yield. For a resistivity range of 3-10Ω.cm and bulk lifetime between 3 and 10ms, the TD doped material is compatible with SHJ technology. The maximum TD concentration for a SHJ application was estimated to 7x1014cm-3.The doping method was successfully transferred to the ingot scale and allowed reaching 20.7% efficiency with an industrial process and 21.7% with the “smart-wire” improved metallization. A FF loss was observed compared to the references, related to high series resistances. The origin has not been confirmed yet, but the most likely source would be the radial resistivity inhomogeneity generated by doping on silicon bulk.

La qualité d’un réseau électrique se mesure notamment par sa résilience, à savoir sa capacité à continuer de fournir, de façon stable, une électricité de qualité malgré les incidents. Cette continuité d’alimentation est notamment assurée par le réglage de la fréquence, ce dernier faisant office de moyen de coopération entre les différentes sources du réseau. Les travaux de cette thèse étudient en profondeur les différentes façons d’assurer ce réglage de la fréquence sur des microréseaux alternatifs îlotés au regard des problématiques nouvelles : intégration croissante de sources d’énergie renouvelables intermittentes et baisse (voire disparition) de l’inertie inhérente aux groupes synchrones tournants. L’objectif principal est de proposer un ensemble de modèles analytiques permettant d’appréhender le comportement dynamique de la fréquence et des puissances actives transitant sur un microréseau, quelle que soit la topologie de ce dernier, afin de constituer une aide au dimensionnement. À cet objectif global s’ajoute un certain nombre de sous-objectifs qui structurent et guident l’ensemble des travaux :- Un objectif pédagogique : les couplages entre l’équilibre des puissances actives et la fréquence sur un réseau alternatif sont clairement explicités, que ces couplages relèvent de la structure et des paramètres physiques du microréseau ou qu’ils soient liés aux lois et paramètres de commande. La lecture des modèles doit ainsi permettre de comprendre analytiquement les différents liens de cause à effet entre les paramètres du système, la fréquence et les puissances,et les spécificités propres à chaque topologie de microréseau.- Un objectif de simplicité et de modularité : les modèles proposés doivent pouvoir être adaptés selon les cas particuliers de topologies, afin que tout lecteur puisse les réutiliser facilement en dehors du cadre de cette étude. Pour ce faire, ces travaux utilisent des modèles mathématiques sous forme de schémas blocs, intégrables sous Matlab.- Enfin, un objectif de modélisation « grand signal » : pour trancher avec l’approche petit signal de beaucoup de modélisations de microréseaux classiques, et pour permettre d’appréhender le comportement du microréseau sur une large plage de déséquilibre de puissance / The quality of an electricity grid is measured by its resilience, namely its ability to continue to provide electricity despite the incidents. This continuity of supply is ensured by the frequency control, acting as a means of cooperation between the different sources of the grid. This thesis examines in depth the different ways to ensure this frequency control on stand-alone microgrids with regard to new issues: increasing integration of intermittent energy sources and decreasing (or disappearing) of the synchronous rotating groups with their inertia. The main objective is to propose a set of analytical models explaining the dynamic behavior of the frequency and the active powers transiting on a microgrid, whatever the topology, in order to constitute an aid to the sizing. To this overall objective is added a number of sub-objectives that structure and guide this work:- An educational objective: the nature of the link between the balance of active powers and the frequency on an AC microgrid is clearly explained, whether this link is based on physical parameters or is related to control laws. The goal is to understand the different links of cause and effect between the paramers of the system, the frequency and the active power and thespecificities to each topology of microgrid. - An objective of simplicity and modularity: the models proposed must be adaptable to particular cases, so that any reader can reuse easily outside the scope of this study. To do this, mathematical models in the form of block diagrams which can be integrated in Matlab are used. - Finally, a "big signal" simulation objective: to decide with the small signal approach of many traditional microgrid models, and to make it possible to understand the behavior of the microgrid over a wide range of power imbalance.

Cette thèse est consacrée à l'évaluation des échanges entre le réservoir tropical et les moyennes latitudes au travers de la barrière dynamique stratosphérique subtropicale de l'hémisphère sud. La stratégie consiste à reconstituer le transport sur des surfaces isentropes avec le modèle d'advection de contours à haute résolution MIMOSA. Ce modèle a été alimenté par les champs de vorticité potentielle calculé sur 26 années consécutives (1980-2005) à partir des champs de vents et de température du modèle européen ERA-40. L'algorithme DYBAL a calculé l'intensité des barrières dynamiques (barrière subtropicale et vortex polaire) et du mélange. Couplé à l'algorithme des k-moyennes, il a permis la détection en coordonnées géographiques de la position des barrières et donc le calcul de l'extension méridienne des réservoirs stratosphériques. Cet algorithme a également été utilisé pour reconstituer les épisodes filamentaires caractéristiques du transport isentrope. Enfin, la perméabilité de la barrière subtropicale a été évaluée par le suivi des échanges et les routes privilégiées de ces échanges ont été mises en évidence. L'implication de ces événements sur le transport de l'ozone a été estimée ainsi que l'influence de l'oscillation quasi-biennale (QBO) et du cycle solaire de 11 ans. Les résultats présentent la variabilité dynamique de la stratosphère sur l'isentrope 600 K et montrent une augmentation de la taille du réservoir tropical et des moyennes latitudes en correspondance avec le rétrécissement du vortex polaire. Une diminution de l'intensité des échanges à travers la barrière dynamique subtropicale depuis les années 1980 est également mise en évidence.

Pour mieux comprendre les structures de la couronne solaire de température élevée et leurs évolutions, des méthodes de vision à 3 dimensions à partir des images EUV de SOHO/EIT ont été développées. Des anaglyphes ont servi à mieux comprendre le rôle du champ magnétique et des intéractions entre champs<br />fermés et ouverts. Il est apparu que la reconnection entre des trous coronaux (CH) et des régions actives (AR) peut expliquer certaines disparitions de boucles coronales fermées. De plus, des analyses multi-instruments ont montré que la structuration des<br />CHs résulte parfois de changements dans l'activité magnétique voisine.<br />Les mesures d'incertitudes sur les reconstructions par stéréovision n'ont pas permis de valider une méthode générale pour visualiser la couronne globalement en 3D. Par contre, le principe a pu être utilisé avec succès pour la reconstruction en 3 dimensions de boucles coronales. Ainsi après analyse des paramètres physiques de 30 boucles EUV de températures intermédiaires d'une région active, il est apparu que contrairement aux boucles chaudes en X, elles étaient en équilibre hydrostatique.<br />Les boucles d'une région active émergentes sont apparues comme se détorsadant au fur et à mesure de son grandissement ce qui correspond à un transfert de l'hélicité.<br />Des corrélations entre des brusques détorsadages et des éruptions ont aussi été établis dans les cas où la torsion initiale est trop importante et permet le développement<br />d'instabilités.<br />Ces études 3D vont pouvoir permettre de mieux contraindre les bilans énergétiques pour le chauffage coronal gràce à la conservation de l'hélicité et d'améliorer la prévision de la météorologie spatiale. L'utilisation de techniques d'imageries adaptées (comme<br />le dégrillage ou le Modèle de Vision Multi-échelle) a permis de faire ressortir certains détails dans la formation de CMEs par exemple.

Le calcul des flux organiques dérivant du bassin versant et de la production lacustre du Petit Lac<br />d'Annecy a été réalisé sur une carotte sédimentaire recouvrant les 6000 dernières années, en combinant deux<br />méthodes analytiques : l'une pétrographique (palynofaciès) et l'autre géochimique (pyrolyse Rock Eval). La<br />calibration des marqueurs organiques a été effectuée en caractérisant les différents types de matière organique<br />(MO) sur leurs sites de production (colonne d'eau, substrats géologiques et pédologiques du bassin versant).<br />L'évolution des marqueurs organiques a permis de montrer que l'on pouvait scinder les derniers 6000<br />ans en deux périodes durant lesquelles l'Homme a influé ou non sur les apports sédimentaires organiques.<br />- Du Néolithique final jusqu'au milieu du Moyen-âge, l'action de l'Homme sur le couvert végétal - déforestations<br />et mises en culture – n'a pas de conséquence directe sur les variations des flux sédimentaires organiques que l'on<br />estime directement dépendantes des fluctuations climatiques.<br />- A partir de 1100 cal. AD, période correspondant à l'implantation monastique dans les Alpes, on observe une<br />augmentation des flux sédimentaires allochtones, qui passent du simple au quadruple et qui coïncident avec une<br />phase intense de déforestation et de mise en culture C'est également le cas des flux de MO d'origine lacustre<br />soulignant ainsi l'impact de l'Homme sur le niveau trophique du lac.<br />Bien que l'impact de l'Homme soit important à partir de 1100 cal. AD, les flux organiques entre 1100<br />cal. AD et aujourd'hui varient également en fonction des variations climatiques du Petit Age Glaciaire. C'est en<br />particulier le cas des flux de MO lacustre, sensibles aux variations de température et/ou à la luminosité. Les<br />minima de production lacustre coïncident précisément avec les minima d'activité solaire (Wolf, Maunder, Dalton<br />et Spörer). Les mêmes concordances entre production lacustre et activité solaire sont observées de 3800 cal. BC<br />à 1100 cal. AD.

En raison de leur mise en forme facile et de leur faible coût, les matériaux organiques font l'objet de nombreuses études en vue d'applications industrielles. C'est le cas des dispositifs photovoltaïques plastiques. Le rendement de conversion et la stabilité de ces systèmes sont les points les plus importants à améliorer. <br />La première partie de notre travail porte sur la réalisation et la caractérisation d'une cellule photovoltaïque à base du composite poly(2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene (MEH-PPV) et [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM). L'insertion des couches interfaciales, le traitement de surface et l'amélioration de la morphologie de la couche active nous ont permis d'accroître significativement les performances photovoltaïques de la structure par rapport aux performances antérieures.<br />Les deuxième et troisième parties portent, respectivement, sur l'évaluation de nouveaux matériaux organiques dans les cellules à base de composite et sur le développement d'une nouvelle structure de cellules photovoltaïques améliorant leur stabilité.

L'enjeu de ce travail est la conception et l'expérimentation d'un procédé thermochimique de production de froid à -28 °C à partir de chaleur basse température (70 °C) issue de capteurs solaires plans. Une analyse exergétique du dipôle thermochimique et des cycles thermodynamiques idéaux a conduit à la définition d'un procédé solaire original. Ce procédé met en œuvre deux cycles en cascade fonctionnant en parallèle. Le cycle est discontinu et présente une phase de chauffage et de régénération diurne et une phase de production de froid nocturne. Une simulation dynamique a permis d'analyser son fonctionnement en fonction des conditions météorologiques et du dimensionnement du procédé. Un prototype permettant de couvrir les besoins de froid d'une chambre froide perdant 40 W en continu a été réalisé et expérimenté en conditions réelles sur le site de Perpignan. Il a démontré la faisabilité de ce concept innovant et permis de valider les hypothèses émises lors du développement du modèle. Une étude du fonctionnement du procédé en fonction des conditions climatiques et de la source chaude utilisée (solaire, géothermale ou rejet de chaleur industrielle) a également été menée par simulation. Elle a démontré les potentialités du concept.