Principaux contacts : Bruno Jousselme, Renaud Cornut, Frédéric Oswald et Mélanie François
Chimie et science des matériaux pour les piles à combustible à hydrogène sans platine
Dans le cadre du plan mondial actuel pour un avenir énergétique durable, les piles à combustible sont des candidats prometteurs pour une conversion énergétique propre et efficace, avec un large éventail d’applications. La perte d’énergie aux cathodes des piles à combustible pendant la réaction de réduction de l’oxygène (ORR) est l’un des facteurs les plus limitants de la conversion chimique-énergétique. La cinétique lente de la réaction de réduction de l’oxygène sur les catalyseurs à base de Pt, leur faible disponibilité et leur coût élevé rendent les matériaux catalytiques alternatifs sans Pt très souhaitables pour améliorer les performances des piles à combustible. Les activités du groupe LICSEN se situent à l’interface entre le développement de nouveaux matériaux et le fonctionnement des piles PEM élémentaires. Nous développons des catalyseurs sans platine sur un support de carbone hautement électroactif, ainsi que des méthodes de mise en forme robustes et rentables pour produire des PEMFC à moyenne et grande échelle. Au-delà du matériau catalytique lui-même, la pile à combustible (plaques bipolaires, assemblage membrane-électrode, couches de support du catalyseur) est étudiée et optimisée. Les efforts de recherche se concentrent sur l’amélioration de l’efficacité ORR, l’étude de l’impact de la microstructure de la couche catalytique sur les performances et la compréhension des facteurs limitants à l’aide de techniques électrochimiques (électrode à disque rotatif, voltampérométrie cyclique et spectroscopie d’impédance).
Pour en savoir plus : Projet européen PEGASUS / Electrochem. Commun. (2023) / Vers une pile à combustible sans métaux nobles / ChemElectroChem (2023) / Analytical Chemistry (2022) / Chemical Science (2021 )
Dispositif tandem pour la production de combustibles solaires
Principaux contacts : Bruno Jousselme, Frédéric Oswald et Mélanie François
Production d’hydrogène par photocatalyse
L’avenir de l’approvisionnement en énergie dépend de percées innovantes dans la conception de systèmes efficaces pour la conversion et le stockage de la source d’énergie renouvelable la plus disponible : l’énergie solaire. La production d’hydrogène par fission directe de l’eau sous l’effet de la lumière solaire dans une cellule photo-électro-chimique (PEC) apparaît comme une solution prometteuse et attrayante. Ces cellules doivent répondre à trois caractéristiques principales : durabilité, rentabilité et stabilité. La satisfaction de ces exigences soulève d’importantes questions scientifiques concernant principalement l’élaboration et la combinaison des meilleurs matériaux possibles capables de capter la lumière et de catalyser l’évolution du H2 et du O2. Des matériaux coûteux et des méthodes complexes ont été utilisés pour fabriquer des PEC efficaces. En accord avec cette tendance, le laboratoire LICSEN a concentré ses activités sur le développement de photoélectrodes efficaces et de grande surface basées sur des matériaux non précieux et fabriquées à l’aide de techniques courantes et peu coûteuses (revêtement par racle, sérigraphie, impression à jet d’encre, revêtement par pulvérisation, etc.) La recherche principale est consacrée à la réduction de la recombinaison électron-trou afin d’améliorer l’efficacité des dispositifs à base de semi-conducteurs. Divers efforts de recherche se concentrent sur la minimisation des pertes par recombinaison dans la masse et à la surface des semi-conducteurs par l’ingénierie d’interface avec la création de couches interfaciales entre différents matériaux dans un dispositif, des couches de passivation qui créent une barrière protectrice contre les défauts et les liaisons pendantes, le contrôle du dopage pour améliorer l’efficacité de la collecte des porteurs, et la structuration pour augmenter l’absorption des photo-électrodes.
Pour en savoir plus : Projet ANR PROSPER-H2 / Toutes les photocathodes organiques en solution / Une photocathodeà évolution H2 basée sur la sensibilisation directe de MoS3 / De l’hydrogène par électrolyse de l »eau sans platine /ChemElectroChem(2023) / J. Am. Chem. Soc. (2019)
Triple architecture mésoscopique et image MEB d’une cellule solaire pérovskite (PSC) à base de carbone
Principaux contacts : Frédéric Oswald et Bernard Geffroy (maintenant à la retraite)
Photovoltaïque à pérovskite
Dans la très difficile course aux sources d’énergie durable, les cellules solaires à pérovskite (PSC) à base d’halogénures métalliques ont connu des progrès sans précédent avec des rendements de 26,1 % et même de 33,7 % en configuration tandem. Mais leur stabilité limitée empêche leur production en masse. Des méthodes d’encapsulation ont été mises au point pour empêcher l’humidité et l’oxygène de pénétrer dans la couche de pérovskite, mais elles n’ont pas permis d’améliorer suffisamment la stabilité photo et thermique. Un module de pérovskite stable pendant un an (sous illumination constante) a été publié récemment. Ce dispositif utilise une contre-électrode de carbone qui améliore considérablement la durée de vie et est devenu l’un des supports les plus courants pour la construction de PSC stables. Depuis lors, les cellules solaires pérovskites à base d’électrodes de carbone se sont imposées comme des architectures très prometteuses pour la prochaine génération de cellules photovoltaïques stables et à haut rendement. La conception entièrement imprimable de l’architecture mésoscopique triple à base de carbone permet une montée en puissance rapide, tandis que les matériaux et les processus permettent une fabrication durable.
Les dispositifs photovoltaïques à pérovskite à jonction unique permettent d’obtenir une tension en circuit ouvert supérieure à 1,0 V générée par une pérovskite dont la bande interdite est de 1,5 eV. Les PSC peuvent être combinés en série avec une autre pérovskite ou du silicium pour produire une tension de fonctionnement supérieure à 1,7 V, ce qui peut dépasser le potentiel requis pour la division de l’eau non assistée à des densités de courant élevées. Bien que ces performances et caractéristiques des dispositifs pérovskites soient très bien adaptées à la séparation de l’eau, leur extrême sensibilité à l’eau rend difficile leur utilisation directe en tant que photoélectrodes.
Le LICSEN développe des PSC entièrement imprimables basées sur des architectures de carbone mésoscopiques triples. Grâce à un choix judicieux de matériaux, la composition chimique de la pérovskite est adaptée aux besoins des différents projets (modification de la bande interdite, adaptation du courant à la photoanode pour la séparation de l’eau, etc…). Cette architecture est également testée dans des conditions réelles de fonctionnement en extérieur au SIRTA sur une plateforme de test photovoltaïque actuellement en cours de développement.
Cette activité est développée en étroite collaboration avec le LPICM (Ecole Polytechnique).
Pour en savoir plus : Projet ANR X-ETL / Projet ANR TRAPPER / Scientific Reports (2022) / J. Photon. Energy (2020) / J. Phys. Chem. C (2019)