Projet ANR-15-CE05-0014 – PHOTO-POT : Photoelectrolyse de l'eau assistée par un potentiel interne
Programme : Captage des énergies renouvelables et récupération des énergies de l’environnement (DS0202) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Madame Hélène Magnan (service de physique de l'etat condensé)
Montant : 354140.0 euros
Date de début : 2016
Durée : 36 mois
Résumé : L’énergie solaire est intermittente, et n’est pas synchronisée avec la demande. Une des voies pour la stocker est d’utiliser la photoélectrolyse de l’eau  qui permet de fabriquer de l’hydrogène à partir de l’eau et du soleil en une seule étape. Dans ce processus, 3 réactions doivent être considérées: l’absorption du photon, la migration des porteurs photogénérés et la réaction de surface de ces porteurs avec l’eau. Les oxydes métalliques sont a priori de bons candidats en tant que photoanode mais leur efficacité est encore très faible. La voie classique pour améliorer les photoanodes est la nanostructuration pour augmenter la surface de contact avec l’eau et le dopage pour ajuster la bande interdite. De plus, la forte recombinaison électron-trou a été mise en avant pour expliquer leur faible rendement. Dans le projet PHOTO-POT, projet de recherche fondamentale à la fois expérimental et théorique, nous proposons d’utiliser le champ électrique naturellement présent dans un ferroélectrique pour améliorer les performances de ces  photoanodes. En effet, depuis l’effervescence provoquée par les pérovskites dans le domaine du photovoltaïque, plusieurs équipes proposent d’utiliser le potentiel interne des ferroélectriques pour la photoélectrolyse, mais il y a encore très peu de résultats expérimentaux. Pour ce projet, nous travaillerons sur des échantillons modèles: des films minces préparés par épitaxie par jet moléculaire assistée par plasma d’oxygène atomique. Plus précisément, nous préparerons des films minces épitaxiés de BaTiO3, matériau ferroélectrique. Comme le BaTiO3 n’a pas une bande interdite optimale pour la photocatalyse, nous le doperons afin d’obtenir une meilleure absorption dans le visible et nous l’introduirons dans une hétérojonction comprenant une deuxième couche efficace pour absorber l’énergie solaire (comme Fe2O3). Ce panel d’échantillons nous permettra d’obtenir naturellement différentes configurations ferroélectriques (vers le haut, vers le bas, non polarisé et multi domaines). Nous pourrons également changer cette polarisation en appliquant un champ extérieur. Ainsi, nous déterminerons de manière indépendante l’influence des différents paramètres (orientation et  intensité de la polarisation électrique, influence des charges d’écrantage) sur les propriétés photoélectrochimiques.  Nos premiers résultats sont prometteurs car nous avons montré une nette amélioration du photocourant  (un facteur 5) quand la polarisation électrique du ferroélectrique est orientée vers le substrat. Toutefois de nombreuses questions restent ouvertes sur le rôle de la polarisation :
-est ce qu’elle améliore la  séparation des charges photogénérées ?
-est ce qu’elle augmente la vitesse de réaction des porteurs avec l’eau ?
-quel est le rôle des domaines ferroélectriques et des parois de domaines ?
-quel est le rôle des charges d’écrantage ?
Afin de comprendre en détails les mécanismes mis en jeu, nous avons prévu de caractériser nos échantillons modèles pour les différents états de polarisation : par des techniques électrochimiques de laboratoire (mesure du photocourant, spectroscopie d’impédance et modulation d’intensité) et par des techniques de pointe utilisant le rayonnement synchrotron (mesure de la durée de vie de la paire électron-trou et la structure électronique). Les résultats expérimentaux seront complétés par des calculs DFT afin de caractériser la structure électronique et déterminer l’efficacité de ces matériaux por la photoélectrolyse. Le partenariat entre 3 laboratoires (SPEC, UB-ICB et le synchrotron SOLEIL) devrait permettre de mener à bien ce projet, sachant que depuis plusieurs années déjà, ces 3 équipes travaillent et publient ensemble. Nous espérons déterminer si l’apport de la ferroélectricité peut être une voie d’avenir dans le domaine de la photoélectrolyse de l’eau.