Manuscript of the thesis
Abstract:
In the context of a transitioning energy landscape, the search for renewable and sustainable solutions to produce non-fossil energy carriers is intensifying. Green hydrogen, in particular, is positioned as a strategic option to meet the growing needs of hard-to-electrify sectors while limiting greenhouse gas emissions. However, its production remains constrained by high costs. Photoelectrochemical devices represent a relevant alternative for direct, autonomous solar hydrogen production. Nevertheless, these systems face several technological challenges related to light absorption and conversion, charge transfer at interfaces and electrochemical reactions at the electrode/electrolyte interface.
This doctoral work, conducted within the framework of the PROSPER-H2 industrial chair (a collaboration between ENGIE and CEA), aims to overcome some of these challenges by developing photoelectrodes based on abundant materials, using simple, scalable, and industry-compatible processes. The ultimate goal is to design a tandem PEC-PEC system operating without external biais, capable of achieving a current density of 5 mA/cm² for a solar-to-hydrogen efficiency of 5% on an active area of 0,1 m².
This work thus presents a comprehensive approach, from material design to interface optimization, toward an autonomous, stable, and high-performance tandem device.
Keywords:
Photo-électrodes pour la production d’hydrogène vert : défis de fabrication et d’assemblage
Manuscrit de la thèse
Résumé :
Dans un contexte énergétique en transition, la recherche de solutions renouvelables et durables pour produire des vecteurs énergétiques non fossiles s’intensifie. L’hydrogène vert, en particulier, se positionne comme une option stratégique pour répondre aux besoins croissants de secteurs difficiles à électrifier, tout en limitant les émissions de gaz à effet de serre. Toutefois, sa production reste contrainte par des coûts élevés. Les dispositifs photoélectrochimiques représentent une alternative pertinente pour une production directe d’hydrogène solaire autonome. Ces systèmes sont néanmoins confrontés à plusieurs verrous technologiques liés à l’absorption et conversion de la lumière, au transfert de charge vers les interfaces et aux réactions électrochimiques à l’interface électrode/électrolyte.
Ce travail de thèse, réalisé dans le cadre de la chaire industrielle PROSPER-H2 (collaboration entre ENGIE et le CEA), vise à lever certains verrous en développant des photoélectrodes à base de matériaux abondants, au moyen de procédés simples, évolutifs et compatibles avec une mise à l’échelle. L’objectif final est de concevoir un système tandem PEC-PEC fonctionnant sans biais externe, capable d’atteindre une densité de courant de 5 mA/cm² pour un rendement solaire vers hydrogène de 5% sur une surface active de 0,1 m².
Ces travaux présentent ainsi une approche complète, depuis la conception des matériaux jusqu’à l’optimisation des interfaces, en vue d’un dispositif tandem autonome, stable et performant.
Mots-clés :