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One of the main limitations of microalgae culture is the low efficiency of sunlight conversion. If the culture takes place in a closed medium, a photobioreactor, another limitation is the energy consumption. Semi-transparent solar cells technologies only absorb a part of the incident light to produce electricity while being transparent in a specific wavelength range. This will allow the photosynthesis needed for microalgae growth. To improve the overall photoconversion efficiency and provide energy support, a photobioreactor (PBR) and photovoltaic technology (PV) coupled system can be developed. Thin film solar cells based on hydrogenated amorphous silicon technology could be directly placed on the PBR surface. The first step to reach this objective is to enhance the solar cell transparency by 3% by means of a design of experiment which redefine the thicknesses of thin layers. A homemade growing test of G. sulphuraria shows that PV optical filtering does not influence the growth rate. The PV efficiency of these cells is then improved by means of optical treatments of substrates surfaces obtained by reactive ion etching. An antireflection texture with light scattering effect gives better results and the efficiency increases to 5.2 %. In a second step, the technology is adapted to a flexible substrate. The deposition step of amorphous silicon was optimized in order to obtain solar cells on PEN with a PV efficiency of 2.1%. The final part of this study focuses on the analysis of the results obtained in this thesis from concrete cases of PBR integrated into buildings in order to calculate the performance of a PV/PBR/Building system. The technologies developed in this work would make it possible to fully meet the energy demand of biofacades without damaging the growth of microalgae.; L'une des principales limites à la culture des microalgues est leur faible efficacité de conversion de la lumière du soleil. Si la culture prend place au sein d’un photobioréacteur, une autre limitation est alors sa consommation énergétique. Certaines technologies de cellules solaires n’absorbent qu’une partie de la lumière incidente pour produire de l’électricité, leur transparence dans une certaine gamme de longueurs d’onde pourrait permettre la photosynthèse. Pour améliorer le rendement global de photoconversion et apporter un support énergétique, un système couplé photobioréacteur (PBR)/photovoltaïque (PV) peut être développé. Cette thèse propose d’appliquer une cellule solaire en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) directement sur la surface illuminée des PBR. Pour être compatible avec la croissance des microalgues, la transparence des cellules a-Si:H est, dans un premier temps, améliorée de 3% grâce à un plan d’expériences qui permet d’optimiser les épaisseurs des couches minces. Le montage d’un test de croissance avec une algue G. sulphuraria permet de confirmer que la filtration de la lumière incidente par la cellule PV n’influence pas la croissance des algues. Le rendement PV de ces cellules est ensuite amélioré grâce à des traitements optiques du substrat obtenu par gravure sèche réactive. Une texturation à la fois anti-réfléchissante et légèrement diffusante est développée et permet d’augmenter le rendement jusqu’à 5,2%. Dans un second temps, la technologie est adaptée sur un substrat souple. Un travail d’optimisation du dépôt de a-Si:H a été mené pour obtenir des cellules solaires sur PEN dont le rendement PV est de 2,1%. Une dernière partie de l’étude porte sur l’analyse des résultats obtenus dans cette thèse à partir de cas concrets de PBR intégrés aux bâtiments afin de calculer les performances d’un système PV/PBR/Bâtiment. Les technologies développées dans cette thèse permettraient de répondre en intégralité à la demande énergétique des biofaçades sans dégrader le rendement global des photobioréacteurs.

One of the main limitations of microalgae culture is the low efficiency of sunlight conversion. If the culture takes place in a closed medium, a photobioreactor, another limitation is the energy consumption. Semi-transparent solar cells technologies only absorb a part of the incident light to produce electricity while being transparent in a specific wavelength range. This will allow the photosynthesis needed for microalgae growth. To improve the overall photoconversion efficiency and provide energy support, a photobioreactor (PBR) and photovoltaic technology (PV) coupled system can be developed. Thin film solar cells based on hydrogenated amorphous silicon technology could be directly placed on the PBR surface. The first step to reach this objective is to enhance the solar cell transparency by 3% by means of a design of experiment which redefine the thicknesses of thin layers. A homemade growing test of G. sulphuraria shows that PV optical filtering does not influence the growth rate. The PV efficiency of these cells is then improved by means of optical treatments of substrates surfaces obtained by reactive ion etching. An antireflection texture with light scattering effect gives better results and the efficiency increases to 5.2 %. In a second step, the technology is adapted to a flexible substrate. The deposition step of amorphous silicon was optimized in order to obtain solar cells on PEN with a PV efficiency of 2.1%. The final part of this study focuses on the analysis of the results obtained in this thesis from concrete cases of PBR integrated into buildings in order to calculate the performance of a PV/PBR/Building system. The technologies developed in this work would make it possible to fully meet the energy demand of biofacades without damaging the growth of microalgae.; L'une des principales limites à la culture des microalgues est leur faible efficacité de conversion de la lumière du soleil. Si la culture prend place au sein d’un photobioréacteur, une autre limitation est alors sa consommation énergétique. Certaines technologies de cellules solaires n’absorbent qu’une partie de la lumière incidente pour produire de l’électricité, leur transparence dans une certaine gamme de longueurs d’onde pourrait permettre la photosynthèse. Pour améliorer le rendement global de photoconversion et apporter un support énergétique, un système couplé photobioréacteur (PBR)/photovoltaïque (PV) peut être développé. Cette thèse propose d’appliquer une cellule solaire en silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) directement sur la surface illuminée des PBR. Pour être compatible avec la croissance des microalgues, la transparence des cellules a-Si:H est, dans un premier temps, améliorée de 3% grâce à un plan d’expériences qui permet d’optimiser les épaisseurs des couches minces. Le montage d’un test de croissance avec une algue G. sulphuraria permet de confirmer que la filtration de la lumière incidente par la cellule PV n’influence pas la croissance des algues. Le rendement PV de ces cellules est ensuite amélioré grâce à des traitements optiques du substrat obtenu par gravure sèche réactive. Une texturation à la fois anti-réfléchissante et légèrement diffusante est développée et permet d’augmenter le rendement jusqu’à 5,2%. Dans un second temps, la technologie est adaptée sur un substrat souple. Un travail d’optimisation du dépôt de a-Si:H a été mené pour obtenir des cellules solaires sur PEN dont le rendement PV est de 2,1%. Une dernière partie de l’étude porte sur l’analyse des résultats obtenus dans cette thèse à partir de cas concrets de PBR intégrés aux bâtiments afin de calculer les performances d’un système PV/PBR/Bâtiment. Les technologies développées dans cette thèse permettraient de répondre en intégralité à la demande énergétique des biofaçades sans dégrader le rendement global des photobioréacteurs.

Le mémoire qui suit vise à vérifier si la formation de traces latentes par des ions lourds et rapides passe par une phase liquide. Compte tenu du fait que le processus de formation des traces est trop rapide pour être directement étudié, notre expérience vise à mesurer après coup des éléments qui seraient indicateurs d’une fusion. Dans cette optique, nous étudierons s’il y a eu une redistribution d’ions d’or (initialement présents par dopage dans des échantillons de silicium amorphe) à la suite de l’irradiation des échantillons. Cette redistribution d’or s’expliquerait par le phénomène de raffinage de la zone fondue, qui surviendrait pendant une hausse de température lors de la création de traces ioniques latentes prévue par le modèle théorique du pic thermique. Les échantillons étudiés sont des membranes de silicium amorphes de 2 µm d’épaisseur, dopés à l’or selon différents pourcentages (pur, moyen et élevé) et irradiés avec des ions lourds rapides d’or à 1,1 GeV ou d’argent à 75 MeV. Aucune image SAXS n’a pu révéler la présence de traces ioniques latentes pour les échantillons irradiés par des ions argent à 75 MeV. Bien que le pouvoir d’arrêt de ceux-ci est bas (9,5 keV/nm) [1], il dépasse tout de même le seuil observé pour plusieurs autres phénomènes associés avec des traces. [2] [3] Nous aurions donc trouvé un régime où il y a des effets causés par des ions lourds et rapides, mais sans signature visible en SAXS. À l’inverse, les échantillons irradiés d’ions d’or ont démontré la présence de traces ioniques latentes via des images SAXS. Ces images démontrent un motif de diffusion caractéristique à des traces de type core-shell. Toutefois, ces résultats ne démontrent pas de différences de ségrégation d’or selon le niveau de dopage initial. Tous les échantillons (dopage pur, moyen et élevé) présentent un noyau de rayon de (2,5 ± 0,1)nm et un rayon total de (9,9 ± 0,5)nm, ce qui rejoint des valeurs similaires à ceux obtenus dans la littérature. [4] Par contre, l’absence de différence selon le dopage pourrait s’expliquer par le fait que la resolidification après la fusion serait trop rapide au point où l’or subirait du solute trapping qui empêcherait la ségrégation. Une autre explication possible serait qu’il n’y aurait pas de fusion du tout lors de la formation de la trace. En premier lieu, ce mémoire traite de toutes les étapes nécessaires à la conception des échantillons, soit leur amorphisation, l’implantation d’impuretés d’or, puis l’irradiation. Deux catégories d’échantillons sont abordées : les échantillons de validation, puis les véritables échantillons qui ont été étudiés. Par la suite, ce mémoire aborde la détection des traces ioniques latentes, d’abord avec un AFM (qui s’est avéré insuffisant), puis avec des mesures SAXS. Finalement, un code théorique pour reproduire les mesures expérimentales obtenues a été développé en se basant sur la littérature. Il génère des résultats numériques prometteurs par rapport aux données expérimentales obtenues., The following thesis aims to verify whether the formation of latent traces by heavy and fast ions passes through a liquid phase. Given the fact that the process of trace formation is too fast to be directly studied, our experience aims to measure after the fact elements that would be indicative of a merger. In this context, we will study whether there has been a redistribution of gold ions (initially present by doping in amorphous silicon samples) following the irradiation of the samples. This redistribution of gold could be explained by the phenomenon of refining the melted zone, which would occur during a rise in temperature during the creation of latent ionic traces predicted by the theoretical model of the thermal peak. The samples studied are amorphous silicon membranes of 2 µm in thickness, doped with gold at different percentages (pure, medium and high) and irradiated with fast heavy ions of gold at 1.1 GeV or silver at 75 MeV. No SAXS image was able to reveal the presence of latent ionic traces for samples irradiated with silver ions at 75 MeV. Although the stopping power of the latter is low (9.5 keV/nm), it exceeds the threshold observed for several other phenomena associated with traces. [2] [3] We would therefore have found a regime where there are effects of heavy and fast ions, but without a visible signature in SAXS. In contrast, irradiated samples of gold ions demonstrated the presence of latent ionic traces via SAXS images. These images demonstrate a diffusion pattern characteristic of core-shell type traces. However, these results do not show differences in gold segregation according to the initial doping level. All samples (pure, medium and high doping) have a core radius of (2.5 ± 0.1) nm and a total radius of (9.9 ± 0.5) nm, which are values similar to those obtained in the literature. [4] On the other hand, the absence of a difference according to the doping could be explained by the fact that the resolidification after the fusion would be too fast, to the point where the gold would undergo solute trapping which would prevent the segregation. Another possible explanation would be that there would be no fusion at all during the formation of the trace. First of all, this thesis deals with all the steps necessary for the design of the samples, namely their amorphization, the implantation of gold impurities, then the irradiation. Two categories of samples are discussed: the validation samples, then the actual samples that were studied. Subsequently, this thesis addresses the detection of latent ion traces, first with an AFM (which proved to be insufficient), then with SAXS measurements. Finally, a theoretical code to reproduce the experimental measurements obtained was developed based on the literature. It generates promising numerical results compared to the experimental data obtained.

In this thesis we have studied in detail the mechanical properties of gold nanowires and nanoporous gold with and without an amorphous silicon coating (a-Si). This work was done using molecular dynamics simulation. We first studied the cyclic deformation of gold nanowires (Au-NW) and gold-silicon core-shell nanowires (AuSi-NW). These simulations showed that the Au-NW is deformed during cyclic loading by two main mechanisms: extensive twinning and the slip of a single atomic plane. Cycling gradually alters the morphology of the structure by increasing the number and size of defects created on the surface. The cyclic deformation of the AuSi-NW shows that the a-Si coating delocalizes the plasticity along the structure and allows to better preserve the initial morphology of the core. We then developed an original method for generating nanoporous gold. This method was validated by structural and mechanical comparison with experimental results. Then we studied the tensile and compressive deformation of different structures generated by this method. In both cases, we have highlighted the deformation mechanisms of ligaments. In tension, our simulations have brought new results to better understand why nanoporous gold is brittle while bulk gold is ductile. In particular, we studied how the catastrophic failure of ligaments occurs by stress transfer between them. In compression we have shown, for example, that pore collapse and the creation of grain boundaries are responsible for the increase of stress at the transition from flow to densification. Tensile and compression tests simulations on the same structures but coated with amorphous silicon show several interesting results. For example, the strength of the structures is increased by a factor of 2 to 4. In addition, the coating has the effect of delocalizing the plasticity, which increases ductility, particularly in tension. In compression, the transition from flow to densification is advanced probably due to the decrease in pore size caused by the coating.; Dans cette thèse nous avons étudié en détail les propriétés mécaniques de l’or sous forme de nanofils et de structures nanoporeuses revêtues ou non de silicium amorphe (a-Si). Ces travaux ont été effectués par dynamique moléculaire. Nous avons dans un premier temps étudié la déformation cyclique de nanofils d’or (NF-Au) et de nanofils cœur-coquille or-silicium amorphe (NF-AuSi). Ces simulations ont montré que le NF-Au est déformé au cours des cycles par deux mécanismes prépondérants : le maclage extensif puis le glissement d’un unique plan atomique. Le cyclage a pour effet d’altérer progressivement la morphologie de la structure en augmentant le nombre et la taille des défauts créés en surface. La déformation cyclique du NF-AuSi montre que le revêtement de a-Si délocalise la plasticité le long de la structure et permet de mieux conserver la morphologie initiale du cœur. Nous avons ensuite développé une méthode originale de génération de l’or nanoporeux. Cette méthode a été validée par la comparaison structurale et mécanique avec des résultats expérimentaux. Puis nous avons étudié la déformation en traction et en compression de différentes structures générées par cette méthode. Nous avons dans les deux cas mis en évidence les mécanismes de déformation des ligaments. En traction, nous avons apporté de nouveaux résultats permettant de mieux comprendre pourquoi l’or nanoporeux est fragile alors que l’or massif est ductile. En particulier, nous avons étudié comment s’opère la fracture en cascade des ligaments par transfert de contrainte entre ceux-ci. En compression nous avons entre autres montré que l’effondrement des pores et la création de joints de grains est responsable de l’augmentation de la contrainte à la transition écoulement-densification. Les simulations de traction et de compression des mêmes structures mais revêtues de silicium amorphe montrent plusieurs résultats intéressants. Par exemple, la résistance des structures est augmentée d’un facteur 2 à 4. De plus, le revêtement a pour effet de délocaliser la plasticité ce qui augmente la ductilité notamment en traction. En compression, la transition écoulement-densification est avancée probablement en raison de la diminution de la taille des pores causée par le revêtement.

In this thesis we have studied in detail the mechanical properties of gold nanowires and nanoporous gold with and without an amorphous silicon coating (a-Si). This work was done using molecular dynamics simulation. We first studied the cyclic deformation of gold nanowires (Au-NW) and gold-silicon core-shell nanowires (AuSi-NW). These simulations showed that the Au-NW is deformed during cyclic loading by two main mechanisms: extensive twinning and the slip of a single atomic plane. Cycling gradually alters the morphology of the structure by increasing the number and size of defects created on the surface. The cyclic deformation of the AuSi-NW shows that the a-Si coating delocalizes the plasticity along the structure and allows to better preserve the initial morphology of the core. We then developed an original method for generating nanoporous gold. This method was validated by structural and mechanical comparison with experimental results. Then we studied the tensile and compressive deformation of different structures generated by this method. In both cases, we have highlighted the deformation mechanisms of ligaments. In tension, our simulations have brought new results to better understand why nanoporous gold is brittle while bulk gold is ductile. In particular, we studied how the catastrophic failure of ligaments occurs by stress transfer between them. In compression we have shown, for example, that pore collapse and the creation of grain boundaries are responsible for the increase of stress at the transition from flow to densification. Tensile and compression tests simulations on the same structures but coated with amorphous silicon show several interesting results. For example, the strength of the structures is increased by a factor of 2 to 4. In addition, the coating has the effect of delocalizing the plasticity, which increases ductility, particularly in tension. In compression, the transition from flow to densification is advanced probably due to the decrease in pore size caused by the coating.; Dans cette thèse nous avons étudié en détail les propriétés mécaniques de l’or sous forme de nanofils et de structures nanoporeuses revêtues ou non de silicium amorphe (a-Si). Ces travaux ont été effectués par dynamique moléculaire. Nous avons dans un premier temps étudié la déformation cyclique de nanofils d’or (NF-Au) et de nanofils cœur-coquille or-silicium amorphe (NF-AuSi). Ces simulations ont montré que le NF-Au est déformé au cours des cycles par deux mécanismes prépondérants : le maclage extensif puis le glissement d’un unique plan atomique. Le cyclage a pour effet d’altérer progressivement la morphologie de la structure en augmentant le nombre et la taille des défauts créés en surface. La déformation cyclique du NF-AuSi montre que le revêtement de a-Si délocalise la plasticité le long de la structure et permet de mieux conserver la morphologie initiale du cœur. Nous avons ensuite développé une méthode originale de génération de l’or nanoporeux. Cette méthode a été validée par la comparaison structurale et mécanique avec des résultats expérimentaux. Puis nous avons étudié la déformation en traction et en compression de différentes structures générées par cette méthode. Nous avons dans les deux cas mis en évidence les mécanismes de déformation des ligaments. En traction, nous avons apporté de nouveaux résultats permettant de mieux comprendre pourquoi l’or nanoporeux est fragile alors que l’or massif est ductile. En particulier, nous avons étudié comment s’opère la fracture en cascade des ligaments par transfert de contrainte entre ceux-ci. En compression nous avons entre autres montré que l’effondrement des pores et la création de joints de grains est responsable de l’augmentation de la contrainte à la transition écoulement-densification. Les simulations de traction et de compression des mêmes structures mais revêtues de silicium amorphe montrent plusieurs résultats intéressants. Par exemple, la résistance des structures est augmentée d’un facteur 2 à 4. De plus, le revêtement a pour effet de délocaliser la plasticité ce qui augmente la ductilité notamment en traction. En compression, la transition écoulement-densification est avancée probablement en raison de la diminution de la taille des pores causée par le revêtement.

Le silicium amorphe est le système canonique pour l’étude des matériaux désordonnés de par son importance technologique et son intérêt théorique fondamental. En effet les détails de sa structure atomique sont encore aujourd’hui mal connus, et son étude théorique se base essentiellement sur des simulations numériques. Mais les méthodes Monte Carlo pour la génération des réseaux aléatoires continus voient leur réalisme dépendre fortement de la description du paysage énergétique considérée. Alors que les approches ab initio fournissent une description fidèle, leur application se limite à des systèmes de quelques centaines d’atomes au maximum. Les potentiels empiriques constituent en revanche une alternative efficace permettant la simulation de systèmes allant jusqu’à un million d’atomes au prix d’une fiabilité réduite. Cependant les avancées récentes en apprentissage automatique ont permis l’émergence de modèles génératifs profonds capables d’approximer des fonctions complexes en haute dimension à partir d’observations, qui ont démontré un grand succès dans des tâches de synthèse d’images et sonore. De par leur efficacité, ces derniers ouvrent alors la voie à un meilleur compromis entre performance et réalisme pour la modélisation des systèmes désordonnés. Dans le but d’étudier cette alternative, un réseau de neurones convolutif a été entraîné avec succès pour approximer la surface d’énergie potentielle de Stillinger-Weber du silicium amorphe avec une erreur quadratique moyenne 5.095 meV par atome, correspondant à 0,16% de l’énergie atomique. Ensuite, un modèle génératif profond, l’Auto- Encodeur de Wasserstein, a été entraîné pour l’apprentissage de la distribution atomique du silicium amorphe. Celui-ci génère des configurations qualitativement réalistes présentant un désordre structurel trop prononcé, ce qui confirme la viabilité de la méthode., Amorphous silicon is a canonical system for the study of disordered materials because of both its technological importance and fundamental interest. The details of its atomic structure are not yet well-known, and its theoretical study relies mainly on numerical simulations. But Monte Carlo approaches for generating continuous random networks show a realism that depend heavily on the considered description of the energy landscape. Ab initio methods provide a faithful description but are limited to small systems, typically of a few hundreds of atoms. On the other hand, empirical potentials are efficient alternatives as they enable the modeling of large-scale systems up to a million atoms, at the price of a reduced reliability. Recent advances in machine learning have led to the emergence of powerful deep generative models that are able to approximate complex high-dimensional functions from a dataset, which have shown great success in difficult generation tasks such as image and audio synthesis. Their efficiency lead the way to a better compromise between performance and realism for the modelization of disordered systems. In order to explore this alternative, a convolutional neural network is trained to approximate the potential energy surface of amorphous silicon as given by the Stillinger- Weber potential, which resulted in a root mean square error of 5.05 meV per atom, corresponding to 0,16% of the atomic energy. Then a deep generative model, the Wasserstein Auto-Encoder, is trained to generate amorphous configurations. The resulting model generates qualitatively realistic configurations, although with a strong structural disorder, thus confirming viability of the method.

Silicon heterojunction (Si- HET) solar cells are based on an n-doped (p-doped) crystalline silicon (c-Si) substrate, a very thin (a few nanometers) passivation layer of undoped hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) and a layer of p-doped (n-doped) a-Si:H, approximately 10 nanometer- thick. These cells currently lead the performance of silicon solar cells with conversion efficiencies in the order of 26% (with a record of 26.6% being achieved by the Kaneka company in 2017). One of the major focal points of research in Si- HET cells is the study of the c-Si/a-Si:H interface, which is a key factor in the cells' efficiency. In particular, this efficiency is strongly dependent on the recombination states at the interface between c-Si and a-Si:H. We therefore focused on developing a model of recombination through interface defects, which were evaluated based on the Defect-Pool Model (DPM) in a-Si:H. We calculated the effective lifetime vs excess carrier density curves and their dependence on the undoped a-Si:H passivation layer thickness and compared them to experimental results.In order to determine the characteristics of the c-Si/a-Si:H interface, we proceeded as follows: (1) Calculation of the volumic density of states (DOS) in a-Si:H layers (doped and undoped) using the DPM. In this model, the DOS varies as a function of the position of the Fermi level in relation to the band edge. The band bending at the a-Si:H/c-Si interface thus implies a spatial variation of the DOS in a-Si:H. (2) Calculation of the surface DOS at the interface by projection from the volumic states present in a-Si:H at the interface. (3) Calculation of the recombination rates and of the effective lifetime curves for symmetrical a-Si:H/c-Si/a-Si:H structures and comparison with experimental results. Thus we were able to study the impact of material parameters of a-Si:H on the effective lifetime curves. The change in lifetime as a function of a-Si:H parameters is sometimes counter-intuitive because two passivation mechanisms, namely passivation by field-effect or by the reduction of the DOS at the a-Si:H/c-Si interface, have opposed behavior in relation to the position of the Fermi level at the interface. A simple calculation of the DOS at the interface is not, therefore, sufficient to explain variations in lifetime, and a complete calculation of effective lifetime under illumination is required and has been performed. We demonstrate that the impact of certain DPM parameters may have a significant effect on the DOS but only a minor effect on the effective lifetime due to the compensation by the field-effect passivation. Moreover we have studied both types of silicon heterojunctions, (p)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)c-Si(PIn), and (n)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)c-Si(NIn) that are used as front emitter and back surface field junctions, respectively, in double-side contacted silicon Si-HET solar cells. Our simulations allowed us to emphasize that NIn interfaces are less critical in terms of recombination than PIn interfaces. We demonstrate that recombination at PIn interfaces is dominated by the capture of electrons by positively charged silicon dangling bonds. We further show that the Urbach energy is the major a-Si:H parameter that determines the effective lifetime in Si-HET solar cells and that the use of fixed values for this Urbach energy in the passivation layer whatever the layer thickness does not permit the experimental trends of PIn interfaces to be reproduced. Instead, we propose a model featuring that the Urbach energy decreases with the thickness of the passivation layer, which does allow experimental trends to be reproduced for very thin passivation layers (< 10 nm), but which requires further elaboration for larger thicknesses, for instance with a combined bandgap variation., Les cellules à hétérojonctions de silicium (HET-Si) sont basées sur un substrat de silicium cristallin (c-Si) dopé n (p), une couche très fine de passivation (en général du silicium amorphe (a-Si:H) non dopé), et une couche d’une dizaine de nanomètres de silicium amorphe dopé p (n). Ces cellules atteignent aujourd’hui des rendements de l’ordre de 26% (record de 26,6% par l’entreprise Kaneka en 2017). Un des axes importants de recherche sur les cellules HET-Si porte sur l’étude de l’interface c-Si/a-Si:H qui est un élément clé dans le rendement des cellules. Ce rendement dépend en particulier de la présence d’états recombinants à l’interface c-Si/a-Si:H. Nous nous sommes donc tout particulièrement intéressés aux défauts d’interface en développant un calcul basé sur le modèle du réservoir de défauts (Defect-Pool Model ou DPM) dans le silicium amorphe et en corrélant nos résultats de modélisation avec des résultats expérimentaux de mesure de durée de vie. Afin de déterminer les caractéristiques de l’interface c-Si/a-Si:H, nous avons procédé comme suit : (1) Calcul de la densité d’états (DOS) volumique dans les couches de a-Si:H (dopé et non dopé), en nous appuyant sur le DPM. Dans ce modèle, la DOS varie en fonction notamment de la position du niveau de Fermi par rapport au bord de bande. La courbure des bandes de la jonction a-Si:H/c-Si implique ainsi une variation spatiale de la DOS dans le a-Si:H. (2) Calcul de la DOS surfacique à l'interface par projection des états volumiques présents à l’interface dans le a-Si:H. (3) Calcul des taux de recombinaison puis de la durée de vie effective sur des structures symétriques a-Si:H/c-Si/a-Si:H et comparaison avec des résultats expérimentaux. Nous avons ainsi pu étudier l’impact des paramètres matériaux du a-Si:H sur la durée de vie effective des porteurs minoritaires. L’évolution de la durée de vie avec les paramètres du a-Si:H est parfois contre-intuitive car deux phénomènes de passivation liés à la position du niveau de Fermi à l’interface s’opposent : passivation par la diminution de la densité d’états à l’interface et passivation par effet de champ. Le seul calcul de la DOS à l’interface ne suffit pas toujours à expliquer les variations de durées de vie, un calcul complet sous lumière est nécessaire. Nous avons montré que l’impact de certains paramètres du DPM peut-être grand sur la DOS mais faible sur la durée de vie effective à cause de cette compensation entre les phénomènes de passivation. Nous avons également étudié des structures correspondant aux faces avant : (p)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)c-Si(PIn) et arrière : (n)a-Si:H/(i)a-Si:H/(n)c-Si(NIn) des cellules HET-Si. Nos simulations permettent de montrer que les interfaces NIn sont moins critiques en terme de recombinaisons que les interfaces de type PIn. Nous montrons que la recombinaison aux interfaces PIn est dominée par la capture des électrons par les liaisons brisées de silicium chargées positivement. Nous montrons également que l’énergie d’Urbach est un paramètre qui joue de manière importante dans le calcul de la durée de vie effective et que l’utilisation de valeurs fixes de cette énergie d’Urbach dans la couche de passivation ne permet pas de reproduire les tendances expérimentales dans les structures avec des interfaces PIn. Nous proposons un modèle de variation de l’énergie d’Urbach avec l’épaisseur de la couche de passivation, qui permet de reproduire les tendances expérimentales pour les faibles épaisseurs de la couche de passivation mais qui demande à être complété pour de plus grandes épaisseurs.

Malgré une vaste littérature concernant les propriétés structurelles, électroniques et ther- modynamiques du silicium amorphe (a-Si), la structure microscopique de ce semi-cond- ucteur covalent échappe jusqu’à ce jour à une description exacte. Plusieurs questions demeurent en suspens, concernant par exemple la façon dont le désordre est distribué à travers la matrice amorphe : uniformément ou au sein de petites régions hautement déformées ? D’autre part, comment ce matériau relaxe-t-il : par des changements homo- gènes augmentant l’ordre à moyenne portée, par l’annihilation de défauts ponctuels ou par une combinaison de ces phénomènes ? Le premier article présenté dans ce mémoire propose une caractérisation des défauts de coordination, en terme de leur arrangement spatial et de leurs énergies de formation. De plus, les corrélations spatiales entre les défauts structurels sont examinées en se ba- sant sur un paramètre qui quantifie la probabilité que deux sites défectueux partagent un lien. Les géométries typiques associées aux atomes sous et sur-coordonnés sont extraites du modèle et décrites en utilisant les distributions partielles d’angles tétraédriques. L’in- fluence de la relaxation induite par le recuit sur les défauts structurels est également analysée. Le second article porte un regard sur la relation entre l’ordre à moyenne portée et la relaxation thermique. De récentes mesures expérimentales montrent que le silicium amorphe préparé par bombardement ionique, lorsque soumis à un recuit, subit des chan- gements structuraux qui laissent une signature dans la fonction de distribution radiale, et cela jusqu’à des distances correspondant à la troisième couche de voisins.[1, 2] Il n’est pas clair si ces changements sont une répercussion d’une augmentation de l’ordre à courte portée, ou s’ils sont réellement la manifestation d’un ordonnement parmi les angles dièdres, et cette section s’appuie sur des simulations numériques d’implantation ionique et de recuit, afin de répondre à cette question. D’autre part, les corrélations entre les angles tétraédriques et dièdres sont analysées à partir du modèle de a-Si., Based on a detailed study of the radial distribution function (RDF) of a model for amorphous sili- con (a-Si), we address the relation between short-range rearrangements and an increase in medium- range order induced by thermal relaxation. Recent experimental measurements have shown that a small peak appears in the RDF around 4.7 Å upon annealing, along with other subtle changes, and this is attributed to ordering among the dihedral angles. We show that, although this is a possible explanation, an increase in short-range order (up to second neighbors) is not only necessary for these changes to occur, but could also be their sole cause. To clarify the nature of disorder in the amorphous system, correlations among dihedral and tetrahedral angles are examined. The bivariate probability distribution of these two variables reveals small correlations between dihedral and te- trahedral angles, associated with the staggered and eclipsed conformations. In the first case, bond angles around 112.5◦ are favored vs. 120◦ in the second case. Bond angles between 95◦ and 100◦ are less probable in both conformations. On another issue, the nature of disorder in amorphous silicon (a-Si) is explored by investigating the spatial ar- rangement and energies of coordination defects in a numerical model. Spatial correlations between structural defects are examined on the basis of a parameter that quantifies the probability for two sites to share a bond. Pentacoordinated atoms are found to be the dominant coordination defects. They show a tendency to cluster, and about 17% of them are linked through three-membered rings. As for tricoordinated sites, they are less numerous, and tend to be distant by at least two bond lengths. Typical local geometries associated to under and overcoordinated atoms are extracted from the model and described using partial bond angle distributions. An estimate of the formation energies of structural defects is provided. Using molecular-dynamics calculations, we simulate the implantation of high-energy atoms in the initial structure in order to study the effect of relaxation on the coordination defects and their environments.

In this thesis, research on a-Si:H Schottky diodes and a-Si:H/c-Si heterojunctions is presented with the focus on the capacitance spectroscopy and information on electronic properties that can be derived from this technique. Last years a-Si:H/c-Si heterojunctions (HJ) have received growing attention as an approach which combines wafer and thin film technologies due to their low material consumption and low temperature processing. HJ solar cells benefit from lower fabrication temperatures thus reduced costs, possibilities of large-scale deposition, better temperature coefficient and lower silicon consumption. The most recent record efficiency belongs to Panasonic with 24.7% for a cell of 100 cm² was obtained. The aim of this thesis is to provide a critical study of the capacitance spectroscopy as a technique that can provide information on both subjects: DOS in a-Si:H and band offset values in a-Si:H/c-Si heterojunctions.The first part of the manuscript is devoted to capacitance spectroscopy in a-Si:H Schottky diodes. The interest is concentrated on the simplified treatment of the temperature and frequency dependence of the capacitance that allows one to extract the density of states at the Fermi level in a-Si:H. We focus on the study of the reliability and validity of this approach applied to a-Si:H Schottky barriers with various magnitudes and shapes of the DOS. Several structures representing n-type and undoped hydrogenated amorphous silicon Schottky diodes are modeled with the help of numerical simulation softwares. We show that the reliability of the studied treatment drastically depends on the approximations used to obtain the explicit analytical expression of the capacitance in such an amorphous semiconductor.In the second part of the chapter, we study the possibility of fitting experimental capacitance data by numerical calculations with the input a-Si:H parameters obtained from other experimental techniques. We conclude that the simplified treatment of the experimentally obtained capacitance data together with numerical modeling can be a valuable tool to assess some important parameters of the material if one considers the results of numerical modeling and performs some adjustments. The second part is dedicated to capacitance spectroscopy of a-Si:H/c-Si heterojunctions with special emphasis on the influence of a strong inversion layer in c-Si at the interface. Firstly, we focus on the study of the frequency dependent low temperature range of capacitance-temperature dependencies of a-Si:H/c-Si heterojunctions. The theoretical analysis of the capacitance steps in calculated capacitance-temperature dependencies is presented by means of numerical modeling. It is shown that two steps can occur in the low temperature range, one being attributed to the activation of the response of the gap states in a-Si:H to the small signal modulation, the other one being related to the response of holes in the strong inversion layer in c-Si at the interface. The experimental behavior of C-T curves is discussed. The quasi-static regime of the capacitance is studied as well. We show that the depletion approximation fails to reproduce the experimental data obtained for (p) a-Si:H/(n) c-Si heterojunctions. Due to the existence of the strong inversion layer, the depletion approximation overestimates the potential drop in the depleted region in crystalline silicon and thus underestimates the capacitance and its increase with temperature. A complete analytical calculation of the heterojunction capacitance taking into account the hole inversion layer is developed. It is shown that within the complete analytical approach the inversion layer brings significant changes to the capacitance for large values of the valence band offset. The experimentally obtained C-T curves show a good agreement with the complete analytical calculation and the presence of the inversion layer in the studied samples is thus confirmed.; Les travaux développés dans cette thèse sont dédiés à l’étude des propriétés électroniques de diodes Schottky de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) et d'hétérojonctions entre silicium amorphe hydrogéné et silicium cristallin, a-Si:H/c-Si au moyen de spectroscopies de capacité de jonctions.Lors de la fabrication des cellules solaires à haut rendement plusieurs paramètres d’une hétérojonction a-Si:H/c-Si doivent être considérés. Premièrement, la densité d’états dans le gap du a-Si:H est d’une grande importance car il s’agit de défauts qui favorisent le piégeage et la recombinaison de porteurs. Deuxièmement, la détermination des désaccords des bandes entre la couche amorphe et la couche cristalline est indispensable puisque ceux-ci contrôlent le transport à travers la jonction et déterminent la courbure des bandes dans c-Si, ce qui va notamment influencer la recombinaison des porteurs sous lumière, donc la tension de circuit ouvert des cellules. Cette thèse a pour but d’étudier la spectroscopie de capacité comme technique d'analyse de paramètres clés pour les dispositifs à hétérojonctions de silicium : la densité d’états dans le a-Si:H et les désaccords des bandes entre a-Si:H et c-Si.La première partie est dédiée à l’étude de la capacité de diodes Schottky. Nous nous concentrons sur un traitement simplifié de la capacité en fonction de la température et de la fréquence reposant sur une expression analytique obtenue par une résolution approchée de l'équation de Poisson. Ce traitement permet en principe d’extraire la densité d’états au niveau de Fermi dans le a-Si:H et la fréquence de saut des électrons depuis un état localisé au niveau de Fermi vers la bande de conduction. En appliquant ce traitement simplifié à la capacité calculée sans approximation à l'aide de deux logiciels de simulation numérique, nous montrons que sa fiabilité et sa validité dépendent fortement de la distribution des états localisés dans la bande interdite du a-Si:H et de la position du niveau de Fermi. Puis nous abordons l’étude de la capacité des hétérojonctions entre a-Si:H de type p et c-Si de type n, et nous mettons particulièrement en avant l’existence d'une couche d’inversion forte à l’interface dans le c-Si, formant un gaz bidimensionnel de trous. Dans une première partie, nous présentons une étude par simulation numérique de la dépendance de la capacité en fonction de la température, pour laquelle un ou deux échelons peuvent être mis en évidence à basse température. Leur analyse montre qu’un des ces échelons est attribué à l’activation de la réponse de la charge dans le a-Si:H, alors que l’autre, présentant une énergie d'activation plus grande, est lié à la modulation de la concentration des trous dans la couche d’inversion forte, lorsque celle-ci existe. On présente ensuite une discussion de résultats expérimentaux. Le régime quasi-statique de la capacité fait ainsi l’objet d’une discussion. Nous mettons en relief le fait que l’approximation de la zone de déplétion ne permet pas de reproduire cette augmentation de la capacité en fonction de la température. Du fait de l’existence de la couche d’inversion forte, la chute de potentiel dans la zone de déplétion du c-Si est plus faible que la valeur déterminée par le calcul attribuant toute la chute de potentiel à la zone de déplétion. Par conséquent, cette approximation conduit à sous-estimer la capacité ainsi que son augmentation avec la température. Nous présentons alors un calcul analytique complet qui tient compte à la fois de la distribution particulière du potentiel dans le a-Si:H, et des trous dans le c-Si dont la contribution à la concentration totale de charges n'est pas négligeable dans la couche d’inversion forte. Le calcul analytique complet permet de bien reproduire les résultats expérimentaux de capacité en fonction de la température; ceci confirme la présence de la couche d’inversion forte dans les échantillons étudiés.

In this thesis, research on a-Si:H Schottky diodes and a-Si:H/c-Si heterojunctions is presented with the focus on the capacitance spectroscopy and information on electronic properties that can be derived from this technique. Last years a-Si:H/c-Si heterojunctions (HJ) have received growing attention as an approach which combines wafer and thin film technologies due to their low material consumption and low temperature processing. HJ solar cells benefit from lower fabrication temperatures thus reduced costs, possibilities of large-scale deposition, better temperature coefficient and lower silicon consumption. The most recent record efficiency belongs to Panasonic with 24.7% for a cell of 100 cm² was obtained. The aim of this thesis is to provide a critical study of the capacitance spectroscopy as a technique that can provide information on both subjects: DOS in a-Si:H and band offset values in a-Si:H/c-Si heterojunctions.The first part of the manuscript is devoted to capacitance spectroscopy in a-Si:H Schottky diodes. The interest is concentrated on the simplified treatment of the temperature and frequency dependence of the capacitance that allows one to extract the density of states at the Fermi level in a-Si:H. We focus on the study of the reliability and validity of this approach applied to a-Si:H Schottky barriers with various magnitudes and shapes of the DOS. Several structures representing n-type and undoped hydrogenated amorphous silicon Schottky diodes are modeled with the help of numerical simulation softwares. We show that the reliability of the studied treatment drastically depends on the approximations used to obtain the explicit analytical expression of the capacitance in such an amorphous semiconductor.In the second part of the chapter, we study the possibility of fitting experimental capacitance data by numerical calculations with the input a-Si:H parameters obtained from other experimental techniques. We conclude that the simplified treatment of the experimentally obtained capacitance data together with numerical modeling can be a valuable tool to assess some important parameters of the material if one considers the results of numerical modeling and performs some adjustments. The second part is dedicated to capacitance spectroscopy of a-Si:H/c-Si heterojunctions with special emphasis on the influence of a strong inversion layer in c-Si at the interface. Firstly, we focus on the study of the frequency dependent low temperature range of capacitance-temperature dependencies of a-Si:H/c-Si heterojunctions. The theoretical analysis of the capacitance steps in calculated capacitance-temperature dependencies is presented by means of numerical modeling. It is shown that two steps can occur in the low temperature range, one being attributed to the activation of the response of the gap states in a-Si:H to the small signal modulation, the other one being related to the response of holes in the strong inversion layer in c-Si at the interface. The experimental behavior of C-T curves is discussed. The quasi-static regime of the capacitance is studied as well. We show that the depletion approximation fails to reproduce the experimental data obtained for (p) a-Si:H/(n) c-Si heterojunctions. Due to the existence of the strong inversion layer, the depletion approximation overestimates the potential drop in the depleted region in crystalline silicon and thus underestimates the capacitance and its increase with temperature. A complete analytical calculation of the heterojunction capacitance taking into account the hole inversion layer is developed. It is shown that within the complete analytical approach the inversion layer brings significant changes to the capacitance for large values of the valence band offset. The experimentally obtained C-T curves show a good agreement with the complete analytical calculation and the presence of the inversion layer in the studied samples is thus confirmed.; Les travaux développés dans cette thèse sont dédiés à l’étude des propriétés électroniques de diodes Schottky de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) et d'hétérojonctions entre silicium amorphe hydrogéné et silicium cristallin, a-Si:H/c-Si au moyen de spectroscopies de capacité de jonctions.Lors de la fabrication des cellules solaires à haut rendement plusieurs paramètres d’une hétérojonction a-Si:H/c-Si doivent être considérés. Premièrement, la densité d’états dans le gap du a-Si:H est d’une grande importance car il s’agit de défauts qui favorisent le piégeage et la recombinaison de porteurs. Deuxièmement, la détermination des désaccords des bandes entre la couche amorphe et la couche cristalline est indispensable puisque ceux-ci contrôlent le transport à travers la jonction et déterminent la courbure des bandes dans c-Si, ce qui va notamment influencer la recombinaison des porteurs sous lumière, donc la tension de circuit ouvert des cellules. Cette thèse a pour but d’étudier la spectroscopie de capacité comme technique d'analyse de paramètres clés pour les dispositifs à hétérojonctions de silicium : la densité d’états dans le a-Si:H et les désaccords des bandes entre a-Si:H et c-Si.La première partie est dédiée à l’étude de la capacité de diodes Schottky. Nous nous concentrons sur un traitement simplifié de la capacité en fonction de la température et de la fréquence reposant sur une expression analytique obtenue par une résolution approchée de l'équation de Poisson. Ce traitement permet en principe d’extraire la densité d’états au niveau de Fermi dans le a-Si:H et la fréquence de saut des électrons depuis un état localisé au niveau de Fermi vers la bande de conduction. En appliquant ce traitement simplifié à la capacité calculée sans approximation à l'aide de deux logiciels de simulation numérique, nous montrons que sa fiabilité et sa validité dépendent fortement de la distribution des états localisés dans la bande interdite du a-Si:H et de la position du niveau de Fermi. Puis nous abordons l’étude de la capacité des hétérojonctions entre a-Si:H de type p et c-Si de type n, et nous mettons particulièrement en avant l’existence d'une couche d’inversion forte à l’interface dans le c-Si, formant un gaz bidimensionnel de trous. Dans une première partie, nous présentons une étude par simulation numérique de la dépendance de la capacité en fonction de la température, pour laquelle un ou deux échelons peuvent être mis en évidence à basse température. Leur analyse montre qu’un des ces échelons est attribué à l’activation de la réponse de la charge dans le a-Si:H, alors que l’autre, présentant une énergie d'activation plus grande, est lié à la modulation de la concentration des trous dans la couche d’inversion forte, lorsque celle-ci existe. On présente ensuite une discussion de résultats expérimentaux. Le régime quasi-statique de la capacité fait ainsi l’objet d’une discussion. Nous mettons en relief le fait que l’approximation de la zone de déplétion ne permet pas de reproduire cette augmentation de la capacité en fonction de la température. Du fait de l’existence de la couche d’inversion forte, la chute de potentiel dans la zone de déplétion du c-Si est plus faible que la valeur déterminée par le calcul attribuant toute la chute de potentiel à la zone de déplétion. Par conséquent, cette approximation conduit à sous-estimer la capacité ainsi que son augmentation avec la température. Nous présentons alors un calcul analytique complet qui tient compte à la fois de la distribution particulière du potentiel dans le a-Si:H, et des trous dans le c-Si dont la contribution à la concentration totale de charges n'est pas négligeable dans la couche d’inversion forte. Le calcul analytique complet permet de bien reproduire les résultats expérimentaux de capacité en fonction de la température; ceci confirme la présence de la couche d’inversion forte dans les échantillons étudiés.

Th e objective of this PhD is the study of the fabrication and characterization of radial junction solar cells based on crystalline silicon nanowires. A study of the nanowire growth with two metallic catalysts (copper and aluminum) in a reduced pressure chemical vapor deposition system is presented. Th e inžfluence of the growth conditions on the morphology, doping density and catalyst contamination inside the nanowires is analyzed by electrical, chemical (SIMS) and structural (SEM, TEM, Raman) characterizations. Copper catalyst is used to fabricate a solar cell with p-type nanowire with a radial junction created by n-type amorphous silicon (a-Si:H) deposition. Photovoltaic performances are measured and interpreted. A conversion effi›ciency of 5% is measured on a solar cell with 1,5 µm high silicon nanowires; L'objectif de cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de cellules solaires à jonction radiale à base d'assemblée de nanofils de silicium cristallin. Une étude sur la croissance des nanofils à partir de deux catalyseurs métalliques (cuivre et aluminium) dans une machine de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à pression réduite est présentée. L'inflžuence des conditions de croissance sur la morphologie, le dopage et la contamination des nanols par le catalyseur est analysée par des mesures électriques, chimiques (SIMS, Auger) et structurales (SEM, TEM, Raman). Le cuivre est utilisé pour la fabrication d'une cellule solaire avec des nanofils de type p et une jonction radiale créée avec du silicium amorphe de type n. Les performances photovoltaïques de la cellule solaire sont ensuite mesurées et interprétées. Un rendement de conversion de 5% est mesuré sur une cellule avec des nanofils de hauteur 1,5 µm.

The objective of this PhD is the study of the fabrication and characterization of radial junction solar cells based on crystalline silicon nanowires. A study of the nanowire growth with two metallic catalysts (copper and aluminum) in a reduced pressure chemical vapor deposition system is presented. The influence of the growth conditions on the morphology, doping density and catalyst contamination inside the nanowires is analyzed by electrical, chemical (SIMS) and structural (SEM, TEM, Raman) characterizations. Copper catalyst is used to fabricate a solar cell with p-type nanowire with a radial junction created by n-type amorphous silicon (a-Si:H) deposition. Photovoltaic performances are measured and interpreted. A conversion efficiency of 5% is measured on a solar cell with 1.5µm high silicon nanowires., L'objectif de cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de cellules solaires à jonction radiale à base d'assemblée de nanofils de silicium cristallin. Une étude sur la croissance des nanofils à partir de deux catalyseurs métalliques (cuivre et aluminium) dans une machine de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à pression réduite est présentée. L'influence des conditions de croissance sur la morphologie, le dopage et la contamination des nanofils par le catalyseur est analysée par des mesures électriques, chimiques (SIMS, Auger) et structurales (SEM, TEM, Raman). Le cuivre est utilisé pour la fabrication d'une cellule solaire avec des nanofils de type p et une jonction radiale créée avec du silicium amorphe de type n. Les performances photovoltaïques de la cellule solaire sont ensuite mesurées et interprétées. Un rendement de conversion de 5% est mesuré sur une cellule avec des nanofils de hauteur 1,5µm.

In this thesis we focus on the silicon heterostructure combining thin films amorphous silicon (a-Si :H) deposited at low temperature on crystalline silicon (c-Si) substrates. We study the different materials and the interface between them through both characterizations, modelling and numerical simulations. The goal is to better understand the influence of the different parameters (doping level, defects density, band offset, ...) on the photovoltaic solar cell's performances in order to get them improved. Structures with multicrystalline silicon substrates are also studied.; Les cellules à hétérojonctions de silicium fabriquées par croissance de couches minces de silicium amorphe hydrogéné (a-Si :H) à basse température sur des substrats de silicium cristallin (c-Si) peuvent atteindre des rendements de conversion photovoltaïque élevés (η=23 % démontré). Les efforts de recherche ayant principalement été orientés vers le cristallin de type p jusqu'à présent en France, ce travail s'attache à l'étude du type n pour d'une part déterminer les performances auxquelles s'attendre avec cette nouvelle filière et d'autre part les améliorer. Pour cela, nous avons mis en œuvre des techniques de caractérisation des matériaux composant la structure et de l’interface (a-Si :H/c-Si) couplées à des outils de simulations numériques afin mieux comprendre les phénomènes de transport électronique. Nous nous sommes également intéressés aux cellules à hétérojonctions avec substrats de silicium multicristallin de type n, le silicium multicristallin étant le matériau le plus répandu actuellement dans la fabrication des cellules photovoltaïques.

In this thesis we focus on the silicon heterostructure combining thin films amorphous silicon (a-Si :H) deposited at low temperature on crystalline silicon (c-Si) substrates. We study the different materials and the interface between them through both characterizations, modelling and numerical simulations. The goal is to better understand the influence of the different parameters (doping level, defects density, band offset, ...) on the photovoltaic solar cell's performances in order to get them improved. Structures with multicrystalline silicon substrates are also studied.; Les cellules à hétérojonctions de silicium fabriquées par croissance de couches minces de silicium amorphe hydrogéné (a-Si :H) à basse température sur des substrats de silicium cristallin (c-Si) peuvent atteindre des rendements de conversion photovoltaïque élevés (η=23 % démontré). Les efforts de recherche ayant principalement été orientés vers le cristallin de type p jusqu'à présent en France, ce travail s'attache à l'étude du type n pour d'une part déterminer les performances auxquelles s'attendre avec cette nouvelle filière et d'autre part les améliorer. Pour cela, nous avons mis en œuvre des techniques de caractérisation des matériaux composant la structure et de l’interface (a-Si :H/c-Si) couplées à des outils de simulations numériques afin mieux comprendre les phénomènes de transport électronique. Nous nous sommes également intéressés aux cellules à hétérojonctions avec substrats de silicium multicristallin de type n, le silicium multicristallin étant le matériau le plus répandu actuellement dans la fabrication des cellules photovoltaïques.

Nous présenterons le procédé de fabrication, la caractérisation, ainsi qu’un modèle numérique permettant l’optimisation d’un nouveau dispositif permettant d’effectuer des mesures de nanocalorimétrie sur un échantillon de silicium monocristallin. Ce dernier possède entre autre des propriétés thermiques nous permettant d’effectuer des mesures à des températures supérieures à 900 C, avec une résolution meilleure que 16 C. Ceci nous a permis d’étudier la dynamique des défauts induits par implantation ionique dans le silicium monocristallin. Deux comportements différents sont observés dans la germination de la phase amorphe induite par implantation à 10 et 80 keV. Ces résultats ont été confrontés à des simulations Monte-Carlo basées sur le modèle des paires lacunesinterstitiels. La comparaison entre les simulations et les mesures expérimentales ont montré que ce modèle est incomplet car il ne reproduit qualitativement que certaines caractéristiques observées expérimentalement. Des mesures réalisées à partir de -110 C dans le silicium monocristallin et amorphisé implanté avec des ions légers, ont mis en évidence des différences claires entre la relaxation dans le silicium amorphe et le recuit des défauts dans le silicium monocristallin. Deux processus à des énergies d’activation de 0.48 et 0.6 eV ont été observés pour les implantations réalisées dans le silicium monocristallin tandis qu’un relâchement de chaleur uniforme ne révélant qu’un spectre continu d’énergie d’activation a été observé dans le silicium amorphe., We present the fabrication process, characterization and numerical model allowing the optimization of a new device that allows us to perform nanocalorimetry measurements on a silicon single crystals. The thermal properties of this device allows us to perform measurements at temperature higher than 900 C with a resolution better than 16 C. The device is used to study the ion implantation induced defect dynamic in monocrystalline silicon. Two different behaviours regarding the nucleation of the amorphous phase are observed at 10 and 80 keV. These results are confronted to Monte Carlo simulations based on the interstitial vacancy pair model. The comparison between simulations and measurements show that the model is incomplete as it reproduces only qualitatively some features of the experimental observations. Measurements performed from -110 C in monocrystalline and amorphized silicon implanted with light ions revealed clear differences between structural relaxation in amorphous silicon and defect annealing in monocrystalline silicon. Two processes with activation energies of 0.48 and 0.6 eV are observed after implantation performed in monocrystalline silicon while a uniform heat release associated with a continuous spectrum in terms of activation energy is observed in amorphous silicon.

This work aims to provide knowledge on electrical properties of thin-film transistors(TFTs) based on polymorphous silicon (pm-Si: H), and on polymorphous material structure.We also focused on a new method of crystallization of amorphous silicon layer by laserinterferometry, which has great potential for the development of active matrix flat paneldisplays based on polysilicon.We first identified a lower OFF current in TFTs based on pm-Si: H than inmicrocrystalline silicon (μc-Si: H) TFTs. Our studies have also shown that pm-Si: H TFTs donot present oxygen contamination during the fabrication process, which is a problemencountered in the fabrication of μc-Si:H TFTs. We then studied the threshold voltage shift ofpm-Si:H TFTs under electrical stress. We have found results similar to those observed inamorphous silicon TFTs (a-Si:H), namely, defects creation in the active layer which isresponsible for the threshold voltage shift (ΔVT) for low gate voltage and short times stress,and charge trapping in the gate silicon nitride is responsible for ΔVT for high gate voltage andlong time stress. We also shown that pm-Si:H TFTs are more stable under electrical stressthan a-Si:H TFT.In a second step, the structural analysis of thin films of pm-Si: H revealed the presence ofcrystallites about few nanometers in the polymorphous layer. Similarly, we isolated the X-raydiffraction signal of polymorphous layer and revealed a structural organization at larger rangethan in amorphous silicon layer, which is consistent with the results of electrical stress.Finally, we studied a method of crystallization of a-Si by 4-beams laser interferences. Weobserved a periodic structure of the layer in a face-centered cubic system. TEM observationsshowed that the layer was well crystallized. SEM observations after revelation of grainboundaries showed what appears to be a network of μc-Si seed with a pitch of 652 nm and thepresence of a continued layer of grains and grain boundaries between these seeds., Ce travail a pour objectifs d'apporter des connaissances au niveau des propriétés électriques de transistors en couches minces (TFTs) à base de silicium polymorphe (pm-Si :H), ainsi qu'au niveau de la structure du matériau polymorphe. Nous nous sommes également intéressé à une nouvelle méthode de cristallisation d'une couche de silicium amorphe par interférométrie laser qui présente un fort potentiel pour le développement de matrice active en silicium polycristallin de grandes dimensions. Nous avons d'abord mis en évidence un courant OFF plus faible dans les TFTs en pm-Si :H que dans les TFTs en silicium microcristallin (µc-Si :H). Nos études ont également montré que les TFTs en pm-Si :H ne sont pas, ou très peu, sujet à la contamination par l'oxygène lors du procédé de fabrication, problème rencontré dans la fabrication des TFTs en µc-Si :H. Nous avons ensuite étudié la dérive de la tension de seuil lorsque les TFTs sont stressés électriquement. Nous avons mis en évidence des résultats similaires à ceux observer dans les TFTs en silicium amorphe (a-Si :H), à savoir que la création de défauts dans la couche active est le mécanisme responsable de la dérive de VT pour des tensions de grille faibles et des temps de stress courts, alors que le piégeage de charges dans le nitrure de grille est responsable de la dérive de VT lorsque les tensions de grille sont élevées et les temps de stress longs. Il s'est avéré que les TFTs en pm-Si :H sont plus stables que les TFTs en a-Si :H. Dans un second temps, les analyses structurales de films minces de pm-Si :H ont montré la présence de cristallites de quelques nanomètres dans la couche. De même, nous avons isolé le signal de diffraction de rayons X d'une telle couche et mis en évidence une organisation structurale à plus grande distance que pour le silicium amorphe, ce qui est cohérent avec les résultats des stress électriques. Pour finir, nous avons étudié une méthode de cristallisation du a-Si par interférences laser 4 faisceaux. Nous avons observé une structuration périodique de la couche dans un système cubique face centrée. Les observations TEM ont montré que la couche était bien cristallisée. Les observations MEB suite à la révélation des joints de grains ont montré ce qu'il semble être un réseau de germes de µc-SiH avec un pas de 652 nm et la présence continue de grains et de joints de grains entre ces germes.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

This thesis is the first such work in France on a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells. This technology is based on the deposition of amorphous silicon onto crystalline silicon substrates, thus enabling the fabrication of high efficiency solar cells entirely at low temperatures (< 200 °C). It also makes it possible to process very thin c-Si substrates (cells were improved from 9 % to 17 % and record values of Voc between 660 mV and 677 mV were achieved. An outstanding quality of passivation (surface recombination of 16 cm/s averaged over 25 cm2) has been obtained.We have carried out in-situ ellipsometric measurements, SIMS, HR-TEM, capacitance measurements, and numerical simulations in order to gain further insight in the poorly understood physics of heterojunction solar cells. Original results have been obtained, and as well, some existing paradoxes have been resolved concerning the role of “ion bombardment”, the impact of epitaxial growth, and the behaviour of band offsets. One of our major conclusions is that the band offsets of a-Si:H/c-Si heterojunctions are not constant and are especially governed by hydrogencontent. This discovery opens the door to the possibility of engineering heterojunction band offsets., Cette thèse a initié en France la thématique des cellules solaires à hétérojonctions a-Si:H/c-Si. Cette technologie consiste à déposer des couches de silicium amorphe sur des substrats de silicium cristallin ce qui présente l'avantage (par rapport aux homojonctions) de fabriquer des cellules solaires à haut rendement entièrement à basse température (< 200 °C). Elle permet aussi de réaliser plus aisément des cellules sur substrats c-Si très minces (< 150 μm). Les substrats utilisés sont ici essentiellement des c-Si de type p. Les couches a-Si:H, pm-Si:H ou μc-Si sont déposées par RF-PECVD. Une attention particulière est portée au dépôt d'ITO, aux étapes de nettoyage et à la reproductibilité. Les cellules solaires ont été développées dans un souci constant d'industrialisation : grande surface (25 cm2) et métallisations bas coût sérigraphiées. Malgré cela, les rendements ont progressé de 9 % à 17 % avec les meilleurs Vco compris entre 660 mV et 677 mV (à l'époque un record). Une excellente passivation a été obtenue avec une vitesse de recombinaison de 16 cm/s moyennée sur 25 cm2.Un travail plus théorique associant mesures ellipsométriques in situ, mesures HR-TEM et mesures de capacité, SIMS et simulations a permis d'obtenir plusieurs résultats originaux et de montrer que la physique des cellules à hétérojonctions a-Si:H/c-Si était encore mal comprise. Des paradoxes ont été découverts et élucidés concernant le rôle du « bombardement ionique »,de la croissance épitaxiale et des discontinuités de bande. Une conclusion essentielle est que les discontinuités de bande du système a-Si:H/c-Si ne sont pas constantes et que leur valeur dépend (notamment) du contenu en hydrogène. Cela ouvre la voie à une ingénierie des discontinuités de bande des cellules solaires à hétérojonctions.