CE05 - Une énergie durable, propre, sûre et efficace

Ingéniérie d'électrodes à base de nanofils pour la photocatalyse – BEEP

Nanofils pour la photoélectrolyse de l'eau

Les nanofils semiconducteurs sont-ils plus performants que des couches minces pour la génération d'hydrogène?

Objectifs

L'objectif principal du projet BEEP est de démontrer le potentiel et l'intérêt de nanofils semiconducteurs III-V (croissance, caractérisation, fabrication de dispositif). L'objectif sera d'obtenir les rendements les plus élevés pour la réaction de photoélectrolyse de l'eau. <br />Tout les concepts développer dans ce projet pourraient être adaptés à d'autres types de réaction photoélectrochimiques. (réduction du CO2, fixation de N2 etc.). <br /> <br /> <br />Le projet est divisé en trois sous-objectifs: <br />• Objectif 1: Ingeniérie des photons et du mouillage <br />• Objectif 2. Photoelectrodes à base de nanofils III-V: Vieillissement et ingénierie d'interface <br />• Objectif 3: Dispositif tandem anode / cathode

Les modélisations du mouillage et de l'absorption sont effectuées par technique de champ de phase et par méthode FDTD.
La fabrication des électrodes combine plusieurs techniques expérimentales telles que l'épitaxie par jets moléculaires, et la photodeposition.
Des caractérisations par microscopie électroniques, photoluminescence, mesures de photo-courant viennent qualifier la qualité des électrodes.

A. Ingénierie du mouillage: le mouillage de l'électrolyte sur le réseau de nanofils a été étudié à l'aide d'un modèle de champ de phase. Le modèle a été développé dans le cadre du projet, permettant une meilleure compréhension du mécanisme physique impliqué lors du processus de photoélectrolyse
B. Ingénierie des photons: un modèle d'absorption de la lumière a été utilisé (FDTD) et démontre clairement l'absorption lumineuse supérieure des nanofils par rapport à l'homologue planaire.
C. Croissance de nnofils de GaAs et GaP: la qualité des nanofils de GaAs a été améliorée grâce à une meilleure compréhension du mécanisme de croissance conduisant à une grande pureté de la structure cristalline (zinc blende et wurtzite). Pour parvenir à un tel contrôle de la phase cristalline, nous avons développé un modèle de croissance VLS combiné avec des techniques expérimentales in situ (diffraction électronique) et ex situ (microscopie électronique et photoluminescence).
D. Dopage des nanofils III-V: Le dopage N a été étudié en détail pour les nanofils GaP. Les nanofils ont été dopés avec Si en utilisant Au comme catalyseur. Le Si présentant un comportement amphotère et l'incorporation de dopant pouvant être difficile, nous avons installé une cellule d'évaporation Te dans le réacteur MBE afin d'être sûr du dopage N. Ce dopant devrait être efficace également sur les nanofils III-V fabriqués par autocatalyse.
E. Coquille d'oxyde: la coquille de TiO2 a été fabriquée par ALD ex situ. La durée de vie des photoanodes a été considérablement améliorée (en conservant une bonne efficacité des électrodes) en optimisant l'épaisseur de la coquille de TiO2.
F. Dépôt de catalyseur et photoélectrochimie: La photodéposition du catalyseur a été réalisée et une amélioration significative de l'efficacité des photoanodes a été obtenue.

Augmentation du rendement et de la durée de vie des photoélectrodes (anode et cathode)

1. “Wurtzite phase control for self-assisted GaAs nanowires grown by molecular beam epitaxy”, T.Dursap, M. Vettori, C. Botella, P. Regreny, N. Blanchard, M. Gendry, N. Chauvin, M. Bugnet, A. Danescu, J. Penuelas, Submitted (2020) arxiv.org/abs/2007.16047

2. “Approximation of surface diffusion flow: a second order variational Cahn-Hilliard model with degenerate mobilities”, E. Bretin, S. Masnou, A. Sengers, G. Terii, Submitted (2020)
arxiv.org/abs/2007.03793

3. “Crystal phase engineering of self-catalyzed GaAs nanowires using a RHEED diagram” T. Dursap, M. Vettori, A. Danescu, C. Botella, P. Regreny, G. Patriarche, M. Gendry, J. Penuelas, Nanoscale Advances 2, 2127 (2020)
arxiv.org/abs/1912.06502

Selon les accords de Paris adopté en 2015 par 195 pays, la limitation des émissions de gaz à effet de serre est une priorité mondiale afin de réduire significativement le réchauffement climatique. Pour concrétiser cet objectif, un effort considérable de développement d'énergies alternatives pour remplacer les énergies fossiles est poursuivi. Les carburants solaires sont l'une des approches les plus prometteuses pour la production d'énergie alternative. La production de ces combustibles solaires imite la photosynthèse et consiste à récolter l'énergie solaire avec une unité photosensible, telle qu'un semi-conducteur, et à utiliser un catalyseur pour stocker cette énergie dans des liaisons chimiques soit par photo-électrolyse de l'eau pour la production d'hydrogène renouvelable, soit par réduction de CO2 pour la production d'hydrocarbures.
Dans ce contexte, les photoélectrodes à base de nanofils (NFs) III-V sont particulièrement intéressantes pour plusieurs raisons: 1) les nanofils possèdent un rapport surface / volume élevé, ainsi les nanofils offrent davantage de sites catalytiques pour induire des réactions photoélectrochimiques par rapport à leurs homologues planaires, un avantage indéniable puisque le combustible solaire est produit sur les surfaces des photoélectrodes. De plus, beaucoup moins de matériau est nécessaire, par rapport aux dispositifs à film mince, ce qui est d'un intérêt majeur pour réduire les coûts de fabrication. 2) Les NFs III-V peuvent être facilement dopés et / ou empilés avec ou sans dopage afin de contrôler la structure de la bande pour une séparation et une collecte efficaces des porteurs. La courbure de bande qui se produit naturellement à la surface des NFs est avantageuse pour la photoélectrolyse de l'eau, dans laquelle des réactions d'oxydation et de réduction ont lieu à différentes électrodes. 3) Les nanostructures III-V peuvent être fabriquées sur des substrats de Si à faible coût, permettant la fabrication de PEC monolithiques. 4) L'absorption de la lumière peut être significativement améliorée dans les réseaux de NFs, en particulier à partir des concepts de cristaux photoniques. 5) Le mouillage de l'électrolyte sur un réseau périodique de NFs pourrait être contrôlé dans une large mesure, en fonction de la densité et de la morphologie des NFs.

L'objectif principal du projet BEEP est de fabriquer et d'étudier l'applicabilité complète des nanofils semi-conducteurs en tant que photoélectrode pour la photoélectrolyse de l'eau, de la croissance, la caractérisation à la fabrication du dispositif et son exploitation.
Le projet est organisé en trois objectifs: 1) Ingénierie photonique et mouillage. 2) Étude du mécanisme de vieillissement et ingénierie de l'interface des photoélectrodes. 3) Fabrication d'un dispositif tandem photoanode / photocathode. Ces objectifs seront réalisés par un consortium (INL, SPEC, LCBM, MATEIS, ICJ) ayant une expertise complémentaire en mathématiques, physique et chimie et une expérience reconnue. 4 tâches ont été identifiées: Gestion (tâche 0), Conception (tâche 1), Fabrication (tâche 2) et Caractérisation (tâche 3).

L'impact de BEEP sera double: premièrement, nous montrerons la pleine potentialité des électrodes semi-conductrices à base de nanofils pour la photoélectrolyse de l'eau dans le but d'obtenir le rendement le plus élevé sans dégradation des photoélectrodes. Deuxièmement, en démontrant une cellule de photoélectrolyse fonctionnant sans aucune énergie externe, nous prouverons la viabilité de notre approche en utilisant des matériaux à faible coût (substrat de Si et catalyseurs).

Coordinateur du projet

Monsieur José Penuelas (INSTITUT DES NANOTECHNOLOGIES DE LYON)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ICJ Institut Camille Jordan
LCBM LABORATOIRE DE CHIMIE ET BIOLOGIE DES MÉTAUX
MATEIS – CNRS Matériaux : Ingénierie et Science
INL - CNRS INSTITUT DES NANOTECHNOLOGIES DE LYON
SPEC Service de physique de l'état condensé

Aide de l'ANR 552 329 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2018 - 42 Mois

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