Development of a local photoelectrochemical characterization method to determine the impact of morphological and electronic modifications of TiO2 nanotubes on the photoconversion efficiency

L’exploitation de l’énergie solaire permettrait de faire face au réchauffement climatique et à la demande grandissante d’énergie. L’énergie solaire peut être convertie directement en énergie chimique. Dans ce contexte, il est présenté une photoanode de TiO2 capable, par l’absorption de lumière, de dissocier l’eau et de générer de l’hydrogène : un carburant. Pour optimiser la photoconversion du matériau, le TiO2 a été nanostructuré, afin d’améliorer l’utilisation des charges photogénérées et une stratégie de co-alliage a été employée pour étendre la photoréponse du matériau. Une morphologie de nanotubes a été obtenue par synthèse électrochimique. Les espèces anioniques (N3+) et cationiques (Nb5+/Ta5+) insérées dans la structure du TiO2 ont permis au matériau d’absorber dans le visible, en modifiant ses propriétés électroniques. Cependant, leur modification influe aussi sur l’épaisseur optimale du matériau, qui donne le meilleur rendement de photoconversion. Afin de caractériser rapidement cette épaisseur optimale, une synthèse innovante d’un gradient de longueurs de nanotubes, ainsi qu’un système d’analyse localisée ont été développés. Les résultats de la mesure localisée du gradient de longueur ont permis de caractériser efficacement et avec précision l’épaisseur optimale des différents matériaux dopés. Grâce au nombre important de données acquises avec cette méthode, une simulation a été réalisée, à partir de laquelle des informations sur les propriétés d’absorbance et de diffusion des porteurs de charge ont pu être obtenues pour les différents types de dopage.The solar light has a great potential to face the challenge of clean energy production for limiting global warming. Solar energy can be directly converted into storable chemical energy. Therefore, this thesis presents a TiO2 photoanode, which is able by light absorption to dissociate water and generate hydrogen: a solar fuel.To optimize the photoconversion efficiency of the material, TiO2 was nanostructured in order to improve the use of the photogenerated charges, and a co-alloy strategy was employed to extend the material’s photo-response. Nanotubes morphology was obtained by an electrochemical synthesis. The anionic (N3+) and cationic (Nb5+/Ta5+) species inserted in TiO2 structure allowed a visible light absorption, by modification of the material’s electronics properties. However, their modifications influence the optimal thickness of the material, which gives the best photoconversion efficiency. To rapidly determine this thickness, a novel synthesis of a nanotubes length gradient and a local characterization were developed during these works. The local measurements of the length gradient allowed to determine quickly and accurately the optimal thickness of the different doped material. Thanks to the quantity of data acquired by the method, simulations were performed, which gave information about absorbance and charge carriers diffusion properties, for the different doped synthetized materials