Production H2 par photo-électrocatalyse

Des photo-électrodes III-V/Si pour une production d’hydrogène solaire efficace à coût réduit

L’utilisation de l’hydrogène comme vecteur énergétique constitue une réponse partielle aux enjeux de réchauffement climatique et de développement durable, à condition que l’hydrogène soit produit de manière décarbonée. L’énergie solaire, disponible en quantité à la surface du globe, peut être utilisée directement pour réaliser l’électrolyse de l’eau, sans apport d’énergie extérieure, au sein de cellules photo-électrochimiques. Les semi-conducteurs III-V, qui sont réputés pour leurs très bonnes propriétés optiques dans le domaine de la photonique ou du photovoltaïque, restent des matériaux onéreux. Leur dépôt en couches très minces sur substrat de silicium, matériau très abondant sur terre, permet d’abaisser considérablement leur coût de production. Les partenaires du projet NAUTILUS ont pu démontrer cette année que non seulement il était possible d’obtenir des photo-électrodes III-V/Si avec le même niveau de performance que celles fabriquées à partir de semi-conducteurs III-V uniquement, mais qu’en plus, il était possible de contrôler avec une grande précision les niveaux d’énergie dans le matériau pour optimiser la circulation des charges dans les cellules photo-électrochimiques.

Extension du spectre solaire absorbé grâce aux photoélectrodes III-V/Si

Des photo-électrodes constituées de GaAs (1µm) déposé sur silicium ont d’abord été réalisées et étudiées en régime anodique par les partenaires du projet NAUTILUS, et leurs performances comparées à des photo-électrodes fabriquées à partir de substrats GaAs (300 µm) commerciaux. Il a ainsi été démontré que les photo-électrodes GaAs/Si permettent d’obtenir un photo-courant aussi bon (et même légèrement meilleur) que celles réalisées à partir de substrats commerciaux nettement plus chers.[1] Une analyse détaillée révèle que cela est rendu possible d’une part par la photo-activité des deux semi-conducteurs GaAs et Si au sein de l’électrode, permettant d’étendre la partie du rayonnement solaire absorbé, et d’autre part par les bonnes propriétés de transport du courant électrique au sein du matériau III-V, en dépit des défauts cristallins présents

Contrôle de l’injection des charges dans l’électrolyte

En utilisant des techniques d’épitaxie des matériaux, les partenaires du projet NAUTILUS ont ensuite pu démontrer que des alliages GaAs_xP_(1-x) déposés sur silicium pouvaient également être utilisés pour la photo-électro-chimie.[2] Plus précisément, il a été démontré qu’il était possible, grâce au contrôle précis de la composition de l’alliage, d’aligner sur mesure les niveaux d’énergie du matériau sur ceux de l’électrolyte, permettant ainsi d’optimiser l’injection des charges électriques de la photo-électrode vers l’électrolyte. De manière général, ces résultats démontrent le potentiel de développement de photo-électrodes III-V/Si efficaces et à un coût abordable pour la production d’hydrogène solaire.