Topic description
Les développements récents en matière de production d'hydrogène solaire ont conduit à des études approfondies sur de nouveaux types de catalyseurs, de photo-électrodes et de systèmes intégrés pour assurer une production efficace et stable d'hydrogène. Les solutions les plus compactes à ce jour sont basées sur des photo-électrodes intégrant une fonctionnalité de source de tension et d'interface catalytique sous la forme de cellules solaires avec des matériaux catalytiques souhaités déposés sur leur surface. Les cellules solaires à nanofils de silicium ont une grande surface, ce qui peut améliorer l'efficacité catalytique de la photo-électrode. Avec les cellules solaires à nanofils de silicium à jonction radiale en tandem récemment mises au point, une tension de circuit ouvert supérieure à 2 V a été obtenue, ce qui permet une application directe de ces dispositifs en tant que photoélectrodes. Dans la configuration la plus compacte et sans fil, un substrat avec des dispositifs à jonction radiale en tandem peut servir de feuille artificielle lorsque des catalyseurs adéquats sont déposés sur chacune des électrodes de la cellule solaire.
Bien que la conception de ces dispositifs soit très prometteuse pour la future production compacte d'hydrogène solaire, leur fonctionnalité n'est pas comprise à tous les niveaux car les structures finales des photo-électrodes sont très complexes. Le sujet proposé dans cette thèse est de développer des photo-électrodes complètes à jonction radiale de nanofils de silicium, en fournissant une différence de potentiel suffisamment élevée sur les deux électrodes, en déposant des catalyseurs appropriés sur les deux électrodes, en testant les performances opto-électriques et électrolytiques sous illumination lumineuse et in operando. Pour obtenir des informations sur les processus de transfert de charge rapide et améliorer la compréhension des feuilles artificielles à base de silicium, le nouvel ellipsomètre térahertz à résolution temporelle de l'Université technique d'Ostrava sera utilisé. Les échantillons de photo-électrodes utilisés pour l'étude seront fabriqués à l'École polytechnique avec le dépôt de catalyseurs métalliques et d'oxydes à l'Université technique d'Ostrava. La stratégie initiale consiste à préparer des échantillons de cellules solaires complètes ou de photoélectrodes plus simples afin de fournir une différence de potentiel pour la division de l'eau et d'entraîner les réactions.
Le candidat utilisera un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma pour déposer des dispositifs à jonction radiale et des installations de pulvérisation et d'évaporation pour préparer les catalyseurs. La caractérisation des dispositifs sous le simulateur solaire et les mesures d'efficacité quantique externe fourniront une évaluation nécessaire de la performance des dispositifs sous l'illumination. Des techniques avancées de caractérisation optique et térahertz seront appliquées pour comprendre les processus sous-jacents pendant le fonctionnement de la photo-électrode. L'analyse des données fournira des informations inestimables sur les processus qui se produisent au niveau moléculaire pendant la production d'hydrogène solaire et permettra des publications dans des revues scientifiques réputées.
Le doctorant travaillera sur un projet commun entre les deux institutions et sera dirigé en cotutelle par des directeurs de thèse des deux institutions en France et en République Tchèque. Le financement pour toute la durée de la thèse est déjà disponible, et la thèse peut commencer selon les arrangements entre le candidat et les institutions d'accueil.
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Recent developments in the production of solar hydrogen fuel have led to extensive studies of new types of catalysts, photo-electrodes, and integrated systems to provide efficient and stable production of hydrogen. The most compact solutions up to date are based on photo-electrodes integrating a functionality of the voltage source and catalytic interface in the form of solar cells with desired catalytic materials deposited on their surface. Silicon nanowire solar cells have a large surface area, which can enhance the catalytic efficiency of the photo-electrode. With recently developed tandem radial junction silicon nanowire solar cells, an open circuit voltage over 2 V has been achieved, which enables a direct application of such devices as photoelectrodes. In the most compact and wireless configuration, a substrate with tandem radial junction devices can serve as an artificial leaf when adequate catalysts are deposited on each of the solar cell electrodes.
While such device design is very promising for the future compact production of solar hydrogen, their functionality is not understood at every level, as the final structures of the photo-electrodes are very complex. The proposed subject of this thesis is to develop complete tandem radial junction silicon nanowire photo-electrodes providing sufficiently high potential difference on both electrodes, deposition of appropriate catalysts on both electrodes, testing of the opto-electric and electrolytic performance under light illumination, and in operando. To acquire information about fast charge transfer processes and to improve understanding of the silicon-based artificial leaves, the novel time-resolved terahertz ellipsometer at the Technical University of Ostrava will be used. The photo-electrode samples used for the study will be fabricated at Ecole Polytechnique with the deposition of metal and oxide catalysts at the Technical University of Ostrava. The initial strategy is to prepare samples of complete solar cells or simpler photoelectrodes to provide a potential difference for water splitting and to drive the reactions.
The candidate will be using a plasma-enhanced chemical vapor deposition reactor to deposit radial junction devices and sputtering and evaporation facilities to prepare catalysts. The device characterization under the solar simulator and external quantum efficiency measurements will provide a necessary assessment of the device performance under the illumination. Advanced optical and terahertz characterization techniques will be applied to understand the underlying processes during the photo-electrode operation. The analysis of the data will provide invaluable information about the processes happening at the molecular level during solar hydrogen production and will enable publications in well-respected scientific journals.
The PhD candidate will work on a joint project between the two institutions and will be directed in co-tutelle by thesis supervisors from both institutions in France and the Czech Republic. Financing for the whole duration of the thesis is already available, and the thesis can start according to the arrangements between the candidate and the hosting institutions.
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Début de la thèse : 01/10/
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