Photocathodes III-V/Si pour la production d’hydrogène solaire : Catalyse et Passivation de surface

III-V/Si photocathodes for solar hydrogen production : Catalysis and Surface passivation

• Auteur / Autrice : Hanh Vi Le
• Direction : Charles Cornet, Nicolas Bertru, Yoan Léger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux et dispositifs pour l’électronique et la photonique
• Date : Soutenance le 06/12/2024
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Antoine Barbier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Grandidier, Lionel Santinacci, Encarnación Torralba
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Grandidier, Lionel Santinacci

Mots clés

Mots clés contrôlés

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Semiconducteurs à l'arséniure de gallium

Procédés de fabrication

Hydrogène

Photoélectrochimie

Photocathodes

Mots clés libres

Photocathodes

Photolyse de l'eau solaire

III-V/Si

Épitaxie

Catalyseur

Passivation

Photocathodes

Solar water splitting

III-V/Si

Epitaxy

Catalyst

Passivation

Résumé

La production d’hydrogène par photoélectrochimie solaire représente une solution prometteuse à l’un des plus grands défis de l’humanité : la génération d’énergie propre, renouvelable et abordable. Parmi les matériaux étudiés pour les photoélectrodes, les semi-conducteurs III-V se démarquent grâce à leurs bandes interdites idéales, d'excellentes propriétés de transport de charge et une grande efficacité quantique. Le GaAs, un semi-conducteur à gap direct, est particulièrement efficace, offrant un taux élevé de conversion photon-électron. Cependant, ces photoélectrodes sont limitées par le coût élevé des substrats, des surtensions importantes et une durée de vie opérationnelle réduite.Ce travail explore les photocathodes en p-GaAs et le GaAs épitaxié sur des substrats en silicium p-dopé à faible coût, à l'aide de l'épitaxie par jets moléculaires. Des traitements de surface, incluant la passivation au soufre, ont été mis en oeuvre, réduisant significativement la densité des états de surface. Les photocathodes GaAs/p-Si ont montré un potentiel d’apparition record de 0,4 V par rapport à l’électrode réversible à l’hydrogène, démontrant leur potentiel pour la photolyse de l'eau solaire non assistée. Des efforts supplémentaires ont été déployés pour augmenter le photovoltage et améliorer l'efficacité, montrant des avancées prometteuses dans les systèmes PEC à base de GaAs.

Solar photoelectrohemical H2 production offers a promising solution to one of humanity’s greatest challenges: generating affordable, clean, and renewable energy. Among the various materials being studied for photoelectrodes, III-V semiconductors stand out due to their ideal band gaps, excellent charge transport, optical properties, and high quantum efficiency. Specifically, direct band gap III-V materials like GaAs are highly effective, offering a strong photon-to-electron conversion rate. However, GaAs-based photoelectrodes face challenges such as high substrate costs, large overpotentials, and limited operational stability. To address these issues, this work investigates p-GaAs photocathodes and GaAs grown on low-cost p-doped silicon substrates using Molecular Beam Epitaxy.Several surface treatment strategies, including catalyst deposition and sulfur passivation, were explored. Notably, sulfur passivation was demonstrated to significantly reduced the surface state density. The GaAs/p-Si photocathodes exhibited a record onset potential of 0.4 V vs Reversible Hydrogen Electrode under appropriate surface treatment, showcasing their potential for unassisted solar water splitting. Further efforts focused on enhancing photovoltage to improve efficiency were examined, demonstrating promising advancements in GaAs-based PEC systems.