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Theses

Development of hybrid photocathodes for solar hydrogen production

Thiphaine Bourgeteau 1
1 LICSEN - Laboratoire Innovation en Chimie des Surfaces et NanoSciences
NIMBE UMR 3685 - Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie (ex SIS2M)
Résumé : L’utilisation des énergies renouvelables, qui sont intermittentes, à l’égal des énergies fossiles (échelle du TW) doit passer par leur conversion et stockage en un vecteur transportable. L’hydrogène semble le vecteur énergétique idéal qui peut être produit à partir de l’eau et de l’énergie solaire. Ce carburant peut ainsi être stocké, transporté puis utilisé à la demande en le combinant avec l’oxygène dans une pile à combustible. Les cellules photo-électrochimiques (PEC) utilisées pour la conversion ne sont actuellement pas rentables car les matériaux majoritairement utilisés pour leur fabrication, tels que le platine et les semiconducteurs cristallins, sont rares ou chers. Le point clé est de trouver des matériaux qui soient disponibles en grande quantité et facilement mis en forme. Ce travail de thèse concerne le développement d’une photocathode sans matériau rare pour la photoproduction de H2 via la réduction des protons à partir de l’énergie solaire et de l’eau. Pour cela, une cellule solaire à hétérojonction polymère-fullerène (P3HT:PCBM) a été couplée directement à un catalyseur sans métal précieux, MoS3. La cellule solaire absorbe les photons, et les électrons photogénérés sont ensuite acheminés jusqu’au catalyseur qui les utilise pour produire l’hydrogène. Après avoir étudié chacun des matériaux (cellule solaire et catalyseur) séparément et vérifié le bon alignement des niveaux énergétiques, les premiers assemblages ont été faits par des procédés en solution. Les méthodes de dépôt ont dû être adaptées en fonction de la nature des matériaux. Ainsi, le spin-coating et le spray ont été utilisés respectivement pour déposer la partie photovoltaïque et le catalyseur. Les caractérisations photo-électrochimiques mises en place ont permis de mettre en évidence la présence d’un photo-courant (100 μA cm–2) correspondant à la production d’hydrogène, qui a été analysé par chromatographie en phase gazeuse. Ces résultats ont permis de montrer la viabilité des photocathodes hybrides sans matériau noble. Afin d’augmenter les performances des photocathodes, de nouvelles configurations ont été conçues. Dans un premier temps des matériaux d’interface entre la couche mince photovoltaïque et le catalyseur ont été étudié (couche extractrice d’électrons, CEE) pour améliorer la collection des électrons photogénérés par le catalyseur. Parmi les métaux étudiés, l’aluminium protégé par le titane a permis d’atteindre des photocourants de 10 mA cm–2. Cependant la présence de l’aluminium induisait une instabilité en milieu aqueux, aussi des oxydes (TiOx) et des matériaux organiques (fullerène C60 et graphène) ont été envisagés. Le TiOx n’a permis qu’une légère amélioration par rapport aux photocathodes sans CEE, tandis que le C60 a permis d’atteindre 5 mA cm–2 mais avec une stabilité moindre par rapport aux CEE métalliques. L’origine de l’amélioration des performances a été attribuée à l’isolement de la jonction photovoltaïque par rapport à l’électrolyte. Dans une deuxième approche, la couche extractrice de trous (CET) située entre l’électrode transparente et le P3HT:PCBM a été remplacée par des oxydes amorphes (oxyde de graphène (GO), MoOx, NiOx). Ce changement a permis la réalisation de photocathodes performantes et stables pendant plusieurs heures, avec des températures de dépôt ne dépassant pas 150 °C dans le cas du MoOx et du GO. L’augmentation des performances semblant aller de pair avec l’augmentation du travail de sortie de la CET, il a été suggéré que la différence des niveaux de Fermi de la CET et de l’électrolyte avait un impact sur la capacité de la photocathode à séparer les charges et les utiliser pour la photocatalyse. Les photocathodes avec MoOx (matériau testé avec le plus grand travail de sortie) ont les meilleurs rendements (plusieurs mA cm–2 et un photovoltage de 0.6 V), et présentent une plus grande stabilité par rapport aux photocathodes ayant une CTE métallique.
Document type :
Theses
Complete list of metadatas

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01870902
Contributor : Serge Palacin <>
Submitted on : Monday, September 10, 2018 - 9:18:44 AM
Last modification on : Monday, February 10, 2020 - 6:13:58 PM
Document(s) archivé(s) le : Tuesday, December 11, 2018 - 1:40:59 PM

File

BourgeteauTiphaine_2015.pdf
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Identifiers

  • HAL Id : tel-01870902, version 1

Citation

Thiphaine Bourgeteau. Development of hybrid photocathodes for solar hydrogen production. Material chemistry. Ecole polytechnique X, 2015. English. ⟨tel-01870902⟩

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