Thèse Approches Spectroscopiques Avancées pour l'Évaluation d'Absorbeurs Photovoltaïques en Tant Qu'Électrodes Intégrées pour la Conversion de l'Énergie Solaire en Carburant Vert H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Ce projet vise à développer des systèmes photoélectrochimiques (PEC) efficaces et durables en intégrant des méthodes de caractérisation ex situ et in situ, telles que la photoluminescence (PL), la spectroscopie Raman, ainsi que leur combinaison avec la spectroscopie de photoélectrons X (XPS) et des caractérisations structurales et morphologiques. Grâce à cette approche globale, le projet cherche à acquérir des informations précieuses sur les processus optiques, électroniques et électrochimiques impliqués, afin d'établir des principes directeurs pour la conception de photoélectrodes semi-conductrices à haute efficacité pour l'oxydoréduction de l'eau ou du CO en carburants de valeur à l'aide de l'énergie solaire.
L'objectif général est d'améliorer la compréhension des activités photovoltaïques et photo-catalytiques des absorbeurs en couches minces de type chalcopyrite, tels que le Cu(In,Ga)Se, ainsi que de leur évolution au cours des processus photoélectrochimiques. Les stratégies spécifiques de modification de la composition et d'interface comprennent l'altération de la composition de surface, la passivation et l'introduction d'une couche tampon de type n à la surface d'absorbeurs de type p, ainsi que l'étude de l'impact des catalyseurs. Ces modifications sont essentielles pour contrôler les paramètres des dispositifs de conversion d'énergie et le potentiel d'amorçage des cellules photoélectrochimiques, contribuant ainsi à l'utilisation de matériaux photovoltaïques optimisés pour la production de carburants.

L'un des principaux atouts du projet réside dans une meilleure compréhension de l'utilisation des matériaux jusqu'à présent principalement utilisés pour les applications photovoltaïques en tant que photoelectrode pour la production de carburant vert. Ce travail sera réalisé à l'UMR-IPVF . Une approche particulièrement originale de ce projet est le développement d'une plateforme de mesure d'abord ex-situ et puis in-situ en utilisant différente technique spectroscopique telle que le Raman mais également la luminescence. Grâce aux capacités uniques des dispositifs d'imagerie de luminescence développés à l'IPVF, il sera possible de quantifier plusieurs paramètres physiques clés des matériaux semi-conducteurs, tels que le quasi-niveau de Fermi , la bande interdite ou encore le temps de vie. Ces mesures apporteront de nombreuses informations : (i) la variation de ces paramètres en fonction de la conception du dispositif et des interfaces avec l'électrolyte ; (ii) leur évolution au cours du temps, permettant de mieux comprendre les mécanismes de dégradation de ces électrodes ; (iii) leur impact sur les comportements catalytiques.
L'IPVF est un centre scientifique et technique dédié à la recherche et au développement des technologies solaires. Elle héberge en permanence son propre personnel, ainsi que les salariés de ses partenaires et de sociétés extérieures. L'IPVF a pour ambition de devenir l'un des principaux centres mondiaux de recherche, d'innovation et de formation dans le domaine de la transition énergétique.

La thèse vise à développer un cadre spectroscopique et spectroélectrochimique complet pour analyser des absorbeurs photovoltaïques en tant qu'électrodes photoélectrochimiques destinées à la conversion solaire-carburant. L'objectif principal est de comprendre comment la composition, la bande interdite et l'ingénierie d'interface influencent l'absorption de lumière, le transport de charges et la catalyse.
Le travail s'appuie sur l'hypothèse que les défauts de surface et les hétérogénéités jouent un rôle clé dans les performances et la sélectivité catalytiques. Des techniques ex situ et in situ, électrochimie, Raman, PL, spectroscopies X et microscopie, seront utilisées pour suivre les dynamiques de porteurs, la chimie de surface et les intermédiaires réactionnels.
L'objectif final est d'unifier et faire une corrélation entre la physique des semi-conducteurs, la catalyse et la chimie d'interface afin d'établir des principes de conception pour de nouveaux matériaux PEC efficaces.

-Conception et optimisation de cellules (photo)électrochimiques pour des analyses spectroscopique in-situ
- Mise en oeuvre d'outils d'analyse ex-situ et in-situ de luminescence, photoluminescence et de Raman combiné avec des mesures(photo/spectro)électrochimique avancée pour des photo-électrodes à base de matériaux photovoltaïque
- Ingénierie interfaciale d'électrodes photoactives en couches minces :essentiellement à base de Cu(In,Ga)Se2. La modification de la surface des électrodes permettra de varier l'alignement des bandes des semiconducteurs et l'interface électrode/électrolyte afin d'améliorer la séparation des charges (efficacité améliorée) et d'éviter la photocorrosion (durabilité améliorée). Ces différentes configurations seront étudiées à travers une combinaison de caractérisations structurelles, optiques et électriques ex situ combinées à des caractérisations de photoluminescence et Raman in situ mise en oeuvre durant la thèse. L'activité photo-catalytique étant directement liée à l'état chimique de surface des électrodes, ces observations électriques et optiques et structurale permettrons l'optimisation de photo-électrodes efficace et durable.