NAUTILUS
Aperçu
Cellules photo-électrochimiques performantes avec couches minces III-V sur silicium pour la production d’hydrogène
PR. CHARLES CORNET
Institut FOTON – INSA Rennes (CNRS UMR6082)
Le projet NAUTILUS se propose de développer une technologie de cellule photoélectrochimique (PEC) combinant le faible coût et la maturité technologique du Si et les hauts rendements pouvant être atteints avec les semi-conducteurs III-V, pour des applications pratiques de production d’hydrogène solaire. Ainsi, l’objectif général du projet, porté par un consortium français, est de faire la démonstration d’une cellule PEC robuste (longue durée de vie), autonome (fonctionnant sans tension appliquée), à haut rendement (STH > 10%), en se basant sur des couches minces III-V à gap direct déposées sur un substrat silicium.
Mots clés:
Cellule photoélectrochimique, Silicium, Semi-conducteur III-V, Photoélectrode, Energie solaire, Production d’hydrogène
Tâches
Nos recherches
Elaboration et synthèse des matériaux
Il s’agira ici de contrôler et développer par MBE des filières de matériaux III-V sur silicium adaptées pour la photo-électrochimie, d’étudier le dépôt par ALD de différents oxydes, tels que le TiO2, pour la protection des photo-électrodes, et d’effectuer la synthèse de couches catalytiques, comme les composés à base de Ni, Co ou Mo.
Caractérisation des empilements de matériaux
Les propriétés structurales des empilements de matériaux seront étudiées par des analyses avancées en microscopie électronique (SEM, TEM, EDX), des analyses de volume (XRD, Raman), et des analyses de surface (XPS, AFM), de l’échelle atomique jusqu’à une échelle plus macroscopique. Ces résultats seront corrélés avec des caractérisations optoélectroniques, comme la Photoluminescence, ou des mesures d’ellipsométrie, et permettront de clarifier la structure de bande et les raccords de bandes dans les empilements étudiés.
Photo-électrochimie des photo-électrodes individuelles III-V/Si
Il s’agira ici d’évaluer et de comprendre les performances photo-électrochimiques obtenues avec les photo-électrodes développées dans le projet. Pour cela, des caractérisations photo-électrochimiques en configuration deux et trois électrodes seront analysées, avec des mesures J(V) et IPCE sous simulateur solaire, et des mesures sous illumination monochromatique pour excitation sélective. La contribution des surfaces et interfaces sera particulièrement examinée, avec des mesures capacitives de type Mott-Schottky, XPS et EBIC. L’influence des couches protectrices et catalytiques sur les propriétés photoélectrochimiques sera particulièrement scrutée.
Conception et fabrication de la cellule III-V/Si PEC
Il s’agira ici de concevoir et réaliser un prototype de cellule PEC constitué de deux photo-électrodes, en configuration côte à côte, ou sous concentration solaire.
Le projet NAUTILUS se focalisera à la fois sur des photoélectrodes technologiquement matures et sur des photoélectrodes plus innovantes. L'évaluation des performances du démonstrateur de cellule PEC ciblé sera naturellement menée à partir des propriétés physiques et chimiques des matériaux élaborés au préalable.
Le consortium :
5 laboratoires académiques
Des attendus scientifiques
Le projet NAUTILUS vise à atteindre trois objectifs principaux :
- Le développement de nouveaux assemblages/empilements de matériaux pour les photoélectrodes III-V sur silicium permettant une meilleure protection des électrodes et des propriétés catalytiques supérieures à l’état de l’art,
- La clarification des processus électrochimiques et catalytiques impliqués dans les photoélectrodes III-V sur silicium revêtues de couches d’oxydes protectrices,
- La démonstration de faisabilité d’une cellule PEC à deux photoélectrodes, composées d'un empilement co-catalyseur/couche de protection/empilement III-V/Si, présentant un rendement STH supérieur à 10%, et une durée de vie extrapolée supérieure à 1 000 heures.
- Le développement de nouveaux assemblages/empilements de matériaux pour les photoélectrodes III-V sur silicium permettant une meilleure protection des électrodes et des propriétés catalytiques supérieures à l’état de l’art,
- La clarification des processus électrochimiques et catalytiques impliqués dans les photoélectrodes III-V sur silicium revêtues de couches d’oxydes protectrices,
- La démonstration de faisabilité d’une cellule PEC à deux photoélectrodes, composées d'un empilement co-catalyseur/couche de protection/empilement III-V/Si, présentant un rendement STH supérieur à 10%, et une durée de vie extrapolée supérieure à 1 000 heures.
Impacts environnementaux
Dans le contexte du réchauffement climatique, la conversion directe de l'énergie solaire en carburant hydrogène, stockable, transportable et réutilisable sur demande, par dissociation de l'eau, paraît être une solution idéale d’un point de vue environnemental.
NAUTILUS travaille à développer une solution de production d’hydrogène renouvelable à coût réduit par rapport à l’état de l’art, ce qui permettra d’ouvrir la voie à un développement à grande échelle.
Développement de compétences
Formation de 3 doctorants et 1 post-doctorant
Résultats 2023
Les résultats obtenus en 2023 démontrent que les photo-électrodes III-V/Si permettent d'obtenir des performances électrochimiques compétitives avec des photoélectrodes III-V conventionnelles, beaucoup plus onéreuses. En plus, il a été possible de contrôler avec une grande précision les niveaux d’énergie dans le matériau déposé pour optimiser la circulation des charges dans les cellules photo-électrochimiques. (https://doi.org/10.1039/d3tc02556j)
