Etude de photoélectrodes à couches minces épitaxiales III-V sur substrat Si pour la dissociation photoélectrochimique de l'eau

Study of photoelectrodes with III-V epitaxial thin-films on Si substrate for photoelectrochemical water splitting

• Auteur / Autrice : Mekan Piriyev
• Direction : Charles Cornet, Nicolas Bertru
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Fabre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charles Cornet, Nicolas Bertru, Bruno Fabre, Yamina André, José Penuelas, Murielle Chavarot-Kerlidou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yamina André, José Penuelas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anticorrosion

Semiconducteurs à bande interdite étroite

Silicium -- Substrats

Photonique

Électrodes

Photodissociation

Mots clés libres

Ingénierie de bande

Cellule photoélectrochimique

Couches minces épitaxiales

Semi-Conducteurs III-V sur Si

Photoélectrode GaAs/Si

Alliages GaPAs

Band engineering

Photoelectrochemical cell

Epitaxial thin-films

III-V semiconductors on Si

GaAs/Si dual bandgap photoelectrode

GaPAs alloys

Résumé

La conversion de l'énergie solaire en énergie chimique sous forme de H2 via la dissociation de l'eau présente un grand intérêt dans le cadre d'une politique énergétique zéro carbone. Dans ce contexte, le développement de photoélectrodes à haut rendement et à faible coût de fabrication reste encore difficile malgré les récents travaux dans le domaine. Les semi-conducteurs à bande interdite directe III–V apparaissent comme des candidats prometteurs, du fait de leurs propriétés optiques supérieures, en comparaison à celles des semi-conducteurs à oxyde métallique ou du silicium. Les alliages III-V permettent également de profiter du concept d'ingénierie de bande interdite permettant une grande flexibilité en vue du développement de photoélectrodes. Alors que de nombreuses études portaient jusqu’ici sur l'utilisation de substrats III-V commerciaux onéreux, le développement de ces photoélectrodes sur un substrat Si beaucoup moins cher est étudié ici. Dans ce travail, nous montrons que des films épitaxiaux III-V de 1 µm d'épaisseur développés sur un substrat Si à faible coût peuvent produire un photocourant compétitif par rapport à ceux mesurés avec des substrats III-V. En particulier, ce travail démontre que les performances optiques et photoélectro-chimiques des photoélectrodes GaAsP/Si sont profondément impactées par les variations de la bande interdite et des alignements de bande. Des tentatives préliminaires de protection contre la corrosion sont également présentées.

The conversion of solar energy into chemical energy in the form of H2 via water splitting is of great interest in the framework of zero-carbon energy policy. In this context, the development of high-efficiency photoelectrodes at low manufacturing cost remains still challenging despite the numerous recent researches in the field. The direct bandgap III–V semiconductors have emerged as promising candidates, as they provide a large photon-to-electron conversion rate, much higher than those of metal oxide semiconductors and traditional Si. Especially, the use of III-V alloys allows to benefit from bandgap engineering to achieve desired photoelectrodes requirements. While many research studies proposed the use of high-cost commercial III-V wafers, the development of these photoelectrodes on a low-cost Si substrate is explored here. In this work, we show that 1-µm thick epitaxial III-V films grown on a low-cost Si substrate can produce a competitive photocurrent to those measured for expensive III-V commercial wafers. Especially, we demonstrated that the optical and Photo-Electro-Chemical performances of GaAsP/Si photoelectrodes are deeply impacted by the variations of the bandgap and band-lineups. Attempts to protect the photoelectrodes against corrosion are also presented.