Bi-functional materials combining energy storage and energy conversion from sunlight - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2019

Bi-functional materials combining energy storage and energy conversion from sunlight

Matériaux bi-fonctionnels pour le stockage et la conversion de l'énergie solaire

Résumé

The problem of intermittent nature of solar energy is often addressed by the traditional coupling of the PV and battery units. Our more fundamental approach targets the development of materials able to combine solar energy conversion and storage at the molecular level. The 5 nm anatase TiO2 nanocrystals were synthesized in our group affording a quantitative photorecharge reaction by a sole contribution of illumination. Here, we present a study of the evolution of the optoelectronic properties and dynamics of charge transfer in TiO2 electrode using in situ / in operando experiments performed during the battery functioning (UV-visible, Mott-Schottky, fluorescence spectroscopy). The increase of the bandgap value and the rise of absorbance are observed upon lithium insertion into TiO2. A negative shift of the conduction band indicates a more oxidizing potential of the photogenerated holes in Li0.6TiO2 compared to TiO2. By analysis of the recombination processes in TiO2 upon lithium insertion, we established a competition of the ultra-fast (ps range) processes of direct recombination and charge transfer towards Ti3+ in Li0.6TiO2, potentially limiting the yield of the photorecharge reaction. This study was extended to other insertion materials typically used in lithium-ion batteries (Li4Ti5O12, LiCoO2, LiFePO4, MoO3, etc.). The measured band edge positions, band gap, charge carrier type and concentration were gathered into a database, based on which the fundamental evaluation of the possibility of the light-induced photorecharge was conducted. The first results of the photoelectrochemical study of chosen materials are also discussed
La nature intermittente de l'énergie solaire est souvent résolue par un couplage entre le PV et une batterie. Notre approche plus fondamentale vise à développer des matériaux capables de combiner ces deux fonctions à l'échelle moléculaire. Des nanocristaux de TiO2 de 5 nm ont été synthétisés dans notre groupe, ce qui a permis une réaction quantitative de photorecharge sous illumination standard. Nous présentons ici une étude originale portant sur l'évolution des propriétés optoélectroniques et de la dynamique du transfert de charge dans une électrode de TiO2 à l'aide d'expériences spectroscopiques in operando effectuées pendant le fonctionnement de la batterie. L'augmentation de la valeur de la bande interdite et de l'absorbance a été observée lors de l'insertion du lithium dans TiO2. Un décalage négatif en énergie de la bande de conduction indique un potentiel plus oxydant des trous photogénérés dans le Li0.6TiO2 par rapport au TiO2 initial. En analysant les processus de recombinaison dans Li0.6TiO2, nous avons établi une compétition entre les processus ultra-rapides (gamme ps) de recombinaison directe et de transfert de charge vers Ti3+ dans Li0.6TiO2, ce qui limite potentiellement le rendement de la réaction de photorécharge. Cette étude a été étendue à d'autres matériaux d'insertion généralement utilisés dans les batteries lithium-ion (Li4Ti5O12, LiCoO2, LiFePO4, MoO3, etc.). Les positions de bord de bande, la bande interdite, le type de porteurs de charge et leur concentration ont été mesurées et rassemblées dans une base de données. Basé sur ces résultats, la possibilité de photorécharge induite par la lumière a été évaluée et les premiers résultats discutés
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03638202 , version 1 (12-04-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03638202 , version 1

Citer

Iryna Sagaidak. Bi-functional materials combining energy storage and energy conversion from sunlight. Other. Université de Picardie Jules Verne, 2019. English. ⟨NNT : 2019AMIE0025⟩. ⟨tel-03638202⟩
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