L’architecture des cellules solaires multi-jonction permet d’obtenir des records de rendement de conversion photovoltaïque, pouvant aller jusqu’à 46 %. Leurs sous-cellules sont chacune conçues pour absorber une partie bien définie et complémentaire du spectre solaire, et sont connectées en série par des jonctions tunnel. La fabrication de cellules solaires tandem InGaP/GaAs d’énergies de bande interdite (band gap) 1,87 eV/1,42 eV accordées en maille sur substrat GaAs est bien maîtrisée, et de très hauts rendements peuvent être obtenus en ajoutant une ou deux sous-cellules de plus petit « gap » (1 eV et 0,7 eV). Pour cela, les matériaux « petits gaps » fabriqués par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) doivent être développés ainsi que des jonctions tunnel présentant une faible résistivité électrique, une haute transparence optique et de bonnes propriétés structurales.

La croissance EJM et la modélisation de jonctions tunnel GaAs nous a permis d’identifier le mécanisme d’effet tunnel interbande plutôt que le mécanisme d’effet tunnel assisté par les défauts comme mécanisme dominant du transport dans ces structures. Nous avons exploité l’hétérostructure de type II fondée sur le système GaAsSb/InGaAs pour favoriser ce mécanisme d’effet tunnel interbande, et donc obtenir des jonctions tunnel de très faible résistivité tout en limitant la dégradation des propriétés optiques et structurales des composants inhérente à l’utilisation de matériaux « petits gaps »et désaccordés en maille GaAsSb et InGaAs.

De plus, nous avons conçu une structure innovante d’hétérojonction tunnel de type II AlGaInAs/AlGaAsSb sous la forme de tampon graduel pour l’incorporation d’une sous-cellule métamorphique à 1 eV. Plusieurs candidats pour le matériau absorbeur à 1 eV à base de nitrure dilué InGaAsN(Bi) ont alors été développés et caractérisés, le contrôle de l’accord de maille étant assuré par un suivi en temps réel de la courbure de l’échantillon pendant la

croissance EJM.

Des premières cellules solaires III-V à base de GaAs, de nitrure dilué à 1 eV et de GaInAs métamorphique ont été fabriquées afin de valider les architectures développées de jonctions tunnel. Ce travail a permis de démontrer le potentiel de l’hétérostructure de type II GaAsSb/InGaAs pour répondre aux principaux défis de conception et de fabrication des cellules solaires multi-jonction sur substrat GaAs, que ce soit au niveau de la jonction tunnel ou au niveau de l’incorporation des sous-cellules de gap 1 eV.

photovoltaïque, épitaxie, cellules solaires multi-jonction, semiconducteurs III-V, jonction tunnel.

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Le Système international d'unités (SI), fondé sur des constantes fondamentales, va permettre de profiter pleinement des étalons quantiques de résistance, de courant et de tension qui sont reliés à la constante de planck et à la charge élémentaire. Dans cette thèse, nous avons développé et étudié un étalon de résistance fondé sur l'effet Hall quantique (EHQ) dans du graphène obtenu par dépôt chimique en phase vapeur (propane/hydrogène) sur substrat de carbure de silicium. Nous avons réussi à montrer, pour la première fois, qu'un étalon de résistance en graphène pouvait fonctionner à des conditions expérimentales plus pratiques que son homologue en GaAs/AlGaAs, c'est-à-dire à des températures plus élevées (T = 10 K), des champs magnétiques plus faibles (B = 3,5 T) et des courants de mesures plus importants (I = 500 μA). Dans une optique de compréhension et d'amélioration, nous avons analysé la reproductibilité du processus de fabrication de barres de Hall, testé une méthode de modification de la densité électronique et étudié les mécanismes de dissipation en régime d'EHQ. Dans une seconde partie, nous avons démontré qu'il était possible de réaliser une source de courant quantique programmable et versatile, directement reliée à la charge élémentaire, en combinant les deux étalons quantiques de tension et de résistance dans un circuit quantique intégrant un comparateur cryogénique de courant. Des courants ont ainsi pu être générés dans une gamme allant de 1 μA jusqu'à 5 mA avec une incertitude relative jamais atteinte de 10⁻⁸. Nous avons également prouvé que cet étalon de courant, réalisant la nouvelle définition de l'ampère, pouvait être utilisé pour étalonner un ampèremètre.

graphène, effet hall quantique, métrologie

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Des circuits différentiels sont largement utilisés pour la conception de composants hyperfréquences principalement en raison de leur meilleure immunité au bruit. Ces circuits doivent être caractérisés au moyen de paramètres S en mode mixte (mode différentiel, mode commun et conversion entre les deux modes). De plus, la tendance à la miniaturisation et à l’intégration des dispositifs hyperfréquences conduit à l’utilisation de structures planaires ou coplanaires telles que les lignes micro-ruban ou les lignes coplanaires. La structure coplanaire avec les conducteurs déposés à la surface supérieure du substrat évite de réaliser des trous métallisés, et donc simplifie la fabrication et empêche l’apparition d’éléments parasites. Du point de vue de la métrologie électrique, il est nécessaire d’établir la traçabilité des mesures de paramètres S en mode mixte au Système international d’unités (SI). La méthode d’étalonnage Multimode Thru – Reflect – Line (TRL), dérivée de l’étalonnage TRL couramment utilisée pour les mesures de paramètres S de circuits asymétriques, est bien adaptée à cette problématique. En effet, l’impédance caractéristique, qui définit l’impédance de référence du système de mesure, peut être obtenue à partir des constantes de propagation déterminées lors de la procédure Multimode TRL et des capacités linéiques en DC.

Nous présentons la première conception et la réalisation d’un kit d’étalonnage Multimode TRL et d’un kit de vérification à base des lignes coplanaires couplées en configuration « Ground – Signal – Ground – Signal – Ground » sur un substrat de quartz (SiO₂) à faibles pertes diélectriques pour des mesures de paramètres S en mode mixte sur wafer de 1 GHz à 40 GHz.

Les mesures sont effectuées à l’aide de deux méthodes : l’approche « one-tier » basée sur la procédure d’étalonnage Multimode TRL afin de déterminer et de corriger l’ensemble des erreurs systématiques ou bien l’approche « two-tier » qui fractionne la détermination et la correction des termes d’erreur en deux étapes dont la deuxième est associée à la méthode Multimode TRL. La faisabilité et la validation de ces techniques sont démontrées par des mesures d’éléments de vérification, constitués de lignes (adaptées, désadaptées et déséquilibrées) et d’atténuateurs en T, qui montrent un très bon accord entre les valeurs mesurées et simulées.

La propagation des incertitudes est évaluée soit à partir du calcul des dérivées partielles à l’aide de l’outil Metas.Unclib ou bien par simulation numérique basée sur la méthode de Monte Carlo. La précision des mesures de paramètres S sous pointes dépend des sources d’influence attribuées aux mesures et aux imperfections des étalons telles que le bruit et la non-linéarité de l’analyseur de réseaux vectoriel, la stabilité des câbles, la répétabilité des mesures et la sensibilité dans la réalisation des étalons. Faute de temps, nous nous limitons à estimer la propagation d’incertitudes liées à la répétabilité de mesure des étalons et du dispositif sous test (DST) aux valeurs des paramètres S corrigés de la ligne désadaptée. Les résultats montrent que l’approche des dérivées partielles basée sur une approximation de la série de Taylor au premier ordre ne peut pas être utilisée avec précision à cause de l’influence significative de la non-linéarité des fonctions mathématiques de l’algorithme Multimode TRL. La méthode Monte Carlo s’avère alors plus précise bien qu’elle nécessite des temps de calcul très longs.

analyseur de réseau vectoriel 4-ports, circuit différentiel, étalonnage multimode TRL, ligne coplanaire couplée, paramètres S en mode mixte, incertitude de mesure

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Mesurer des forts courants alternatifs sur une large bande de fréquences est primordial pour de nombreuses applications dont la surveillance du réseau de distribution électrique et le développement des véhicules électriques.

Dans le premier cas, la mesure du courant est nécessaire pour quantifier la qualité du réseau en présence d’harmoniques provenant des énergies renouvelables intermittentes dont le spectre en fréquences est assez large (plusieurs centaines de kilohertz). Dans le second cas, la mesure du courant (jusqu’à plusieurs dizaines d’ampères) intervient dans la quantification du rendement de la chaîne de traction d’un moteur électrique : dans la mesure du courant la prise en compte d’un grand nombre d’harmoniques (jusqu’à 1 MHz) est indispensable pour garantir une connaissance précise du rendement du moteur. Des résistances de faibles valeurs, appelées « shunt », sont alors indispensables pour mesurer des forts courants. Les shunts sont largement utilisés comme étalon de résistance dans les laboratoires de métrologie et les instruments de précision. Leur utilisation nécessite la connaissance préliminaire en fonction de la fréquence des deux paramètres suivants : déphasage de l’impédance du shunt ; variation relative du module de l’impédance du shunt par rapport à la sa valeur de sa résistance en courant continu, ce paramètre est appelé “écart de transposition”. Pour un niveau de courant de 10 A, l’impédance des shunts existants présente de fortes variations en module et phase pour les fréquences supérieures à 100 kHz. De plus, actuellement dans les laboratoires nationaux de métrologie, pour étalonner les shunts au-delà de 1 A les méthodes de mesure utilisées sont, d’une part, limitées en module à 100 kHz et en phase à 200 kHz, et d’autre part, elles donnent accès uniquement à un des deux paramètres : module ou phase de l’impédance du shunt.

Ce travail de thèse a pour objectif d’étendre jusqu’à 10 A et 1 MHz les possibilités d’étalonnage des capteurs de forts courant et d’améliorer ainsi la traçabilité des mesures en courant alternatif. Nous avons dans un premier temps développé un shunt étalon de 10 A dont la réponse électromagnétique (jusqu’à 10 MHz) et la réponse thermique sont entièrement calculables : à 1 MHz le déphasage et l’écart de transposition sont respectivement de -0,01 mrad et 15 ppm. Dans un second temps, nous avons mis au point une méthode d'étalonnage traçable permettant de mesurer les shunts jusqu’à 10 MHz. La méthode de mesure, basée sur l'utilisation d'un analyseur de réseau vectoriel, permet de mesurer simultanément l’écart de transposition et la phase de l'impédance d'un shunt avec des incertitudes relatives inférieures à 1×10⁻³ à 1 MHz.

shunts de courant, étalonnage, mesure de courant, modélisation, incertitude

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Alors que la préoccupation mondiale pour le changement climatique et ses effets se multiplient, les gouvernements sont forcés de prendre des décisions fermes en faveur de la mise en place des réseaux électriques intelligents. Toutefois, le succès de ces actions dépend fortement de la satisfaction de certaines exigences du réseau électrique soulevées par la qualité de l’énergie fournie et les moyens de l’évaluer. Les réseaux électriques intelligents doivent relever les défis posés par l’utilisation croissante des sources d’énergie renouvelables, telles que le photovoltaïque (PV), le vent, etc. et les équipements, tels que les onduleurs photovoltaïques (PVI), les chargeurs de véhicules électriques (EVC), etc. Cela introduit un environnement opérationnel de dynamique complexe pour le système de distribution. Les distorsions provenant d’équipement de nouvelle génération et de charge sont généralement plus importantes et moins régulières que celles dues à l’équipement de génération traditionnelle et de charge, rendant les mesures de puissance et d’énergie difficiles à effectuer.

Dans ce contexte, la thèse vise à quantifier et reproduire les émissions supra-harmoniques pour des fréquences de 2 kHz à 150 kHz. Par conséquent, la littérature existante sur les émissions supra-harmoniques pour des fréquences de 2 kHz à 150 kHz est étudiée. Le système de mesure à 4 voies est conçu et mis en œuvre pour la mesure des composantes fondamentales et supra-harmoniques des formes d’onde de tension et de courant pour des fréquences de 2 kHz à 150 kHz dans le réseau électrique. Les mesures sont effectuées dans la plateforme Concept Grid d’EDF. La caractérisation des équipements individuels et les tests du réseau électrique sont effectués ici. Les formes d’onde acquises durant les campagnes de mesure sont traitées mathématiquement à l’aide de l’algorithme de transformation rapide de Fourier (FFT) et statistiquement à l’aide de l’algorithme d’analyse de variance (ANOVA). Le traitement mathématique et statistique des formes d’onde acquises permet de déterminer les effets individuels et les interactions des différents paramètres dans la génération des émissions supra-harmoniques dans le réseau électrique. Les différents paramètres, tels que les émissions primaires et secondaires, les effets de la longueur du câble, les effets de l’ajout soudain et l’enlèvement de l’équipement de charge sont également étudiés.

La thèse décrit la conception de la plateforme complexe d’onde, qui peut être utilisée pour des essais en laboratoire et la caractérisation des analyseurs de qualité de puissance (PQA) pour des fréquences de 2 kHz à 150 kHz. Dans les réseaux électriques, la plateforme d’onde peut être utilisée pour mesurer les émissions supra-harmoniques pour des fréquences de 2 kHz à 150 kHz. L’architecture logicielle de la plateforme d’onde est décrite ici. De plus, le document explique la conception matérielle de la plateforme d’onde. Il comprend également les applications de la plateforme d’onde du laboratoire et du réseau électrique. La configuration au laboratoire pour la caractérisation du PQA et le schéma de mesure pour les formes d’onde du réseau électrique sont également représentés ici. Le bilan d’incertitude pour la plateforme d’onde est calculé en tenant compte des différents facteurs, tels que la longueur du câble, le bruit, etc., sont discutés dans la thèse. Enfin, le PQA est caractérisé dans des fréquences de 2 kHz à 150 kHz par rapport à la plateforme d’onde pour des amplitudes d’émission variables.

qualité de l'énergie, sources d'énergie renouvelables, réseaux intelligents, émissions supra-harmoniques, plateforme d’onde, réseaux électriques intelligents, énergies renouvelables.

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L’effet Hall quantique (EHQ) et l’effet Josephson, effets quantiques macroscopiques de l’état solide, ont révolutionné la métrologie électrique en fournissant des étalons universels et reproductibles de résistance et de tension, uniquement liés à la charge élémentaire e et à la constante de Planck h. À l’issue de nombreux travaux de recherche, ils vont être consacrés par le futur Système International d’unités (SI) fondé sur des valeurs exactes de constantes, dont e et h. Dans ce manuscrit, je présente les travaux de recherche que j’ai menés, d’abord au Laboratoire central des industries électriques (LCIE) puis au Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE), visant au développement d’étalons quantiques de résistance et de courant plus performants et pratiques exploitant ces deux effets. Ils concernent, entre autres, les réseaux de Hall, les tests d’universalité de l’EHQ, la physique de la quantification de Hall dans les « graphènes » et la réalisation pratique et quantique de l’ampère mais également l’instrumentation nécessaire à tous ces enjeux de recherche. Je conclus ce manuscrit en abordant quelques perspectives d’avenir, dont le calibrateur universel quantique qui s’impose dans le contexte du nouveau SI.

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01709975v3

Système international d’unités, constantes fondamentales, étalons électriques quantiques, ohm, ampère, résistance, courant, instrumentation, effet Hall quantique, graphène, métrologie, SQUID, comparateur de courant cryogénique

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