Réduction du CO2, Catalyseur moléculaire, Complexes de cobalt, Cellule solaire CIGS, Photoélectrodes, Nanomatériaux

La photosynthèse artificielle est une approche prometteuse pour la valorisation du CO2 et la production de carburants. Cependant, dans ces systèmes, le rendement de conversion est encore trop faible pour les applications industrielles. Pour atteindre un haut rendement de conversion solaire-carburant, de nouvelles stratégies produisant un photo-courant élevé et une tension photoélectrique suffisante doivent être développées. Malgré les progrès remarquables réalisés depuis la première cellule de réduction du CO2 par voie photoélectrochimique (PEC) en 1978, la recherche sur la réduction du CO2 par PEC n'en est qu'à ses débuts. Malgré les efforts considérables déployés pour le développement des cellules PEC de réduction du CO2, les performances restent insatisfaisantes. La plupart des photocathodes PEC rapportées souffrent d'une faible efficacité de conversion solaire, d'une sélectivité des produits incontrôlée, d'une faible durabilité et d'une forte concurrence entre la réduction du CO2 et la réaction d'évolution de l'hydrogène (HER). Le chargement de la surface des photoélectrodes avec des électrocatalyseurs ou des catalyseurs moléculaires s'est avéré être une approche efficace pour accélérer et réguler la cinétique de la réaction de surface et améliorer la sélectivité du produit dans les systèmes PEC. Par conséquent, un sujet clé de la réaction de réduction du CO2 par PEC est lié à la fabrication des photoélectrodes afin d'obtenir des rendements de conversion énergétique élevés et une sélectivité élevée pour les produits ciblés. Les progrès récents dans le domaine photovoltaïque d'une part et de la catalyse moléculaire d'autre part ouvrent de nouvelles possibilités pour améliorer les processus de photoconversion afin de surmonter les limites des systèmes PEC. L'objectif de cette thèse a été de développer des couches nanostructurées transparentes et conductrices polyvalentes intégrant des catalyseurs moléculaires et adaptables aux cellules solaires en couches minces pour la photo-électroréduction du CO2. Ces couches ont des fonctionnalités multiples : couches de fenêtre et de protection pour les cellules solaires et fonctionnalisation de la photo-électrode pour la conversion du soleil en carburant.Pour atteindre cet objectif, des catalyseurs moléculaires comprenant des métaux abondants (comme le cobalt) ont été intégrés à la couche de fenêtre de cellules solaires à haut rendement à base de Cu(In,Ga)Se2 comme preuve de concept. L'accent a été mis sur la conception et le développement des couches de fenêtre, leur intégration à la surface des cellules solaires et la compréhension de l'impact de la morphologie, de la forme et de la composition de leur nanostructure sur l'absorption de la lumière par les cellules photovoltaïques et sur le processus de réduction photoélectrochimique du CO2. Tout d'abord, des couches hybrides ZnO/catalyseur ont été préparées par une méthode simple de dépôt électrochimique en une étape sur des couches conductrices transparentes ZnO:Al. Trois types d'électrodes nanostructurées ont été développés : une structure hybride nanoporeuse (NPS) incorporant un catalyseur moléculaire présentant une structure de type éponge à l'échelle nanométrique, des structures de ZnO nanorod (ZNRs) et une nanostructure 3D basée sur la structure de ZnO nanoporeuse (NPS) cultivée sur des ZNRs. Des catalyseurs moléculaires (phthalocyanines, porphyrines) ont été intégrés aux couches nanostructurées. Leur réactivité et leur stabilité dans la réduction électrochimique du CO2 en CO ont été évaluées.