NAUTILUS : vers un test du premier prototype de cellule photo-électro-chimique
NAUTILUS : vers un test du premier prototype de cellule photo-électro-chimique
Des études fondamentales autour des matériaux au premier prototype de cellule photo-électro-chimique assemblant des photo-électrodes III-V/Si en cours de test
Le projet NAUTILUS s’est fixé pour objectif de concevoir une cellule photo-électrochimique stable, à un coût abordable, avec production d’hydrogène sans apport d’énergie autre que celle du soleil, en combinant des études exploratoires et fondamentales, et la réalisation d’un démonstrateur permettant d’évaluer la technologie. Il repose sur l’utilisation de couches minces en semi-conducteurs III-V déposées sur des substrats Si.
Du point de vue théorique, dans le cadre de ce projet, une collaboration internationale a été initiée avec l’EPFL (Suisse) autour de la compréhension fondamentale de l’interface semi-conducteurs/H2O. Dans un premier temps, l’étude a consisté à étudier la structure électronique et les raccords des niveaux d’énergie à l’interface GaP/H2O, en combinant des études de Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) et de la dynamique moléculaire (MD). Cette approche non standard permet en particulier de décrire le comportement des molécules d’eau à la surface du semi-conducteur (Figure 1 a)), et de prédire les raccords de bande, à l’origine des transferts de charges entre la phase solide et la phase liquide [1]. Cette première étude permet d’envisager maintenant d’utiliser ce même genre d’approche pour décrire des associations de matériaux plus proches des applications.
La réalisation, l’étude et le développement de photo-électrodes individuelles à base de semiconducteurs III-V/Si a constitué également un axe important de travail dans le projet NAUTILUS dans la période récente. Les propriétés intrinsèques de photo-cathodes GaAs/Si avec catalyseur Pt en milieu acide ont d’abord été mises en évidence [2]. Il résulte de cette étude que, sans stratégie particulière de jonction p-n, et malgré les défauts cristallins présents dans les structures, les photocathodes Pt/GaAs/Si présentent déjà un potentiel de démarrage record de 0,4 V vs RHE en milieu acide (Figure 1 b)). En utilisant le Ni, catalyseur beaucoup moins cher, sur le même type de structure, [3] un fonctionnement de cathode a pu être maintenu pendant plus de 10 heures avec un potentiel de démarrage de 0,3 V vs RHE cette fois, en milieu basique (Figure 1 c)). En parallèle, une étude a été menée permettant de clarifier les mécanismes d’incorporation du Fe dans des photoanodes à base de Si, avec catalyseur Ni [4], mécanismes fondamentaux pour la compréhension des phénomènes physico-chimiques sur des électrodes individuelles (Figure 1 d)).
Enfin, 6 mois de travail sur la conception mécanique d’un prototype de cellule photo-électro-chimique, permettant d’associer des photo-cathodes et photo-anodes III-V/Si dans une même cellule photo-électrochimique, un premier prototype de cette cellule a été testé sous simulateur solaire (Figure 1 e)). Ce système, prenant en compte les contraintes liées à l’injection de lumière, permet tout à la fois l’étude de photo-électrodes individuelles en montage trois électrodes, et la quantification du rendement de conversion solaire à hydrogène en montage deux électrodes photocathodes-photoanodes, le tout en configuration côte-à-côte. Il permet aussi de procéder à des analyses spectrales des propriétés photo-électro-chimiques des électrodes.
Charles Cornet (Institut FOTON), Noé Mariotte (Institut FOTON), Jules Courtin (Institut FOTON), Sofia Apergi (Institut FOTON), Gabriel Loget (ISM)
Références:
[1]S Apergi, SP Chandrasekharan, C Cornet, L Pedesseau, The Journal of Physical Chemistry C 2025 129 (36), 16308-16318
[2] H. V. Le, R. Bernard, G. Loget, B. Fabre, L. Fargeau, G. Patriarche, S. Febvre, F. Merhi, B. Boulingui Koumba, A. Letoublon, C. Levallois, F. Jabeen, S. Harel, A. Rockett, X. K. Steirer, T. Rohel, K. Tavernier, J. Le Pouliquen, Y. Léger, N. Bertru, C. Cornet
ChemElectroChem 2025, 12, e202500251
[3] F. Merhi, B. Boulingui-Koumba, R. Bernard, A. Létoublon, P. Huillery, Y. Léger, N. Bertru, C. Cornet, P. Garrigue, B. Fabre, G. Loget, J. Phys. Chem. C 2025, 129, 11290–11296.
[4] K. Klahan, G. Patriarche, S. Steinmann, L. Treps, G. Pécastaings, O. Camara, R.-A. Eichel, S. Chambon, P. Garrigue, C. Bossy, S. Bureekaew, G. Loget, P. Pattanasattayavong, J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 5, 5508–5519.
