Croissance épitaxiale de nanostructures à base d'InGaN pour la production photo-électrochimique d'hydrogène

Epitaxial growth of InGaN-based nanostructures for the photo-electrochemical production of hydrogen

• Auteur / Autrice : Margaux Sanchez
• Direction : Benjamin Damilano
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Doctorat physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur en cotutelle avec /
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CRHEA - Centre de Recherche sur l'Hétéroépitaxie et ses Applications

Mots clés

Mots clés libres

Epitaxie

InGaN

Photoélectrochimie

H2 décarboné

Epitaxy

InGaN

Photoelectrochemistry

Low-carbon H2

Résumé

Le dihydrogène H2 est impliqué dans de nombreux processus chimiques et émerge comme un vecteur d'énergie d'avenir stockable, transportable et utilisable sur demande comme combustible ou pour la production électrique via une pile à combustible (PaC) avec pour seule émission, de l'eau. Actuellement pour des raisons économiques l'hydrogène est produit a 95% à partir d'énergie fossiles. Pour réduire l'émission de gaz à effet de serre, des projets de grande ampleur se développent pour produire de l'hydrogène « bas carbone » par électrolyse de l'eau et qui peut même être « vert » en utilisant de l'électricité d'origine renouvelable. En effet, la photocatalyse de l'eau et les approches photoélectrochimiques (PEC) de type « feuille artificielle » développées au niveau de la recherche ne nécessitent pas d'apport externe d'électricité puisqu'elles reposent uniquement sur l'apport d'énergie solaire pour la production d'H2 de grande pureté, particulièrement adapté pour les applications en PaC. Le principe de ces approches repose sur l'utilisation de matériaux semi-conducteurs (SCs) pouvant absorber efficacement les photons pour générer des porteurs de charge (paires électron-trou), transporter ces charges vers les sites réactionnels avant qu'elles ne se recombinent et faciliter les réactions d'oxydation et de réduction ciblées. Parmi les matériaux envisagés pour ces systèmes, les alliages InGaN/GaN présentent l'avantage d'avoir une bande interdite pouvant couvrir tout le domaine du visible en variant la composition d'indium tout en gardant une bonne stabilité en milieu acide. On estime ainsi qu'avec 50% d'indium (avec une énergie de bande interdite Eg~1.7 eV) il est possible de collecter une large partie du spectre solaire tout en ayant des niveaux de bande de valence et de conduction idéalement placés pour les réactions d'oxydation et réduction de l'eau. On pourrait ainsi obtenir des rendements théoriques STH de 27%, bien supérieurs aux oxydes métalliques utilisés tels que le TiO2 ou le WO3. Au-delà des propriétés intrinsèques du matériau, on peut augmenter l'efficacité des dispositifs en jouant sur leur morphologie. L'utilisation de nanostructures telles que les nanofils permet d'augmenter la surface active comparativement à une couche planaire, assurant un plus grand nombre de sites disponibles pour les réactions photoélectrochimiques. L'épitaxie d'alliage InGaN à forte composition en indium est cependant un challenge en raison des phénomènes de séparation de phase entre les deux binaires InN et GaN et la formation de dislocations a l'interface couche-substrats. Deux approches actuellement explorées au CRHEA sont envisagées pour y répondre. La première consiste à réaliser la croissance par MOCVD (Metal Organic Vapor Phase Deposition) d'InGaN sur des nanofils GaN en géométrie «coeur-coquille » afin de tirer parti de l'excellente qualité structurale des nanofils et de la croissance sur leurs facettes latérales non polaires. La seconde consiste à réaliser la croissance d'InGaN sur GaN poreux obtenu par MBE (Molecular Beam Epitaxy) pour bénéficier d'une relaxation de la contrainte du substrat et augmenter la teneur en indium.

Dihydrogen H2 is involved in numerous chemical processes and is emerging as a future energy carrier that can be stored, transported and used on demand as a fuel or for power generation via a fuel cell (PaC) with water as its only emission. Today, for economic reasons, 95% of hydrogen is produced from fossil fuels. To reduce greenhouse gas emissions, large-scale projects are being developed to produce ''low-carbon'' hydrogen by electrolysis of water, which can even be ''green'' by using electricity from renewable sources. Photocatalysis of water and photoelectrochemical (PEC) approaches of the ''artificial leaf'' type developed at research level do not require any external supply of electricity, since they rely exclusively on the supply of solar energy for the production of high-purity H2, particularly suited to PaC applications. The principle of these approaches is based on the use of semiconductor materials (SCs) that can efficiently absorb photons to generate charge carriers (electron-hole pairs), transport these charges to the reaction sites before they recombine, and facilitate targeted oxidation and reduction reactions. Among the materials considered for these systems, InGaN/GaN alloys offer the advantage of having a bandgap that can cover the entire visible range by varying the indium composition, while retaining good stability in acidic media. It is estimated that with 50% indium (with a bandgap energy Eg~1.7 eV) it is possible to collect a large part of the solar spectrum, while having valence and conduction band levels ideally placed for water oxidation and reduction reactions. Theoretical STH yields of 27% could thus be achieved, far higher than the metal oxides used, such as TiO2 or WO3. In addition to the intrinsic properties of the material, the efficiency of the devices can be increased by modifying their morphology. The use of nanostructures such as nanowires increases the active surface area compared with a planar layer, ensuring a greater number of sites available for photoelectrochemical reactions. However, epitaxy of InGaN alloys with a high indium composition is a challenge due to the phase separation phenomena between the two binaries InN and GaN and the formation of dislocations at the layer-substrate interface. Two approaches are currently being explored at CRHEA. The first involves MOCVD (Metal Organic Vapor Phase Deposition) growth of InGaN on GaN nanowires in ''core-shell'' geometry, to take advantage of the excellent structural quality of the nanowires and growth on their non-polar lateral facets. The second involves growing InGaN on porous GaN obtained by MBE (Molecular Beam Epitaxy) to benefit from substrate stress relaxation and increase indium content.