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

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).