Stage M2/Ingénieur (H/F) : Modélisation en bilan détaillé d’un système hybride PEC/PV pour la productio

Poste :
La production d’hydrogène et de carburants solaires par voie photo-électrochimique (Photo-Electrochemical Cell, PEC) représente l’une des approches les plus prometteuses pour stocker l’énergie solaire sous forme de molécules chimiques propres et décarbonées.
Ces dispositifs reposent sur des cellules photo-électrochimiques capables, sous illumination solaire, de scinder l’eau en hydrogène et oxygène grâce à des réactions d’oxydation et de réduction se produisant sur une photo-anode semi-conductrice et une cathode métallique. Cette approche est connue sous le nom de « photosynthèse artificielle ».
L’un des défis majeurs de cette technologie réside dans la valeur élevée de la différence de potentiel d’oxydoréduction de dissociation de l’eau (1,23 eV), qui limite le choix de matériaux photo-actifs à large bande interdite, souvent peu efficaces dans l’absorption du spectre solaire. Pour contourner cette contrainte, une stratégie consiste à séparer spectralement (sur la même surface de captation) le flux solaire dont la partie UV-Visible alimente une PEC et la partie infrarouge alimente une cellule photovoltaïque (PV) fournissant la surtension additionnelle nécessaire aux réactions photochimiques. Toutefois, cette solution élégante nécessite d’abord une compréhension fine des phénomènes physiques à l’œuvre dans chacun des sous-systèmes (PEC et PV), puis dans un système hybride couplant les deux. Ces phénomènes sont le transfert de rayonnement, la photogénération de paires électron-trou, leur migration par dérive-diffusion-réaction, leur transfert aux interfaces et, dans le cas de la PEC, leur participation aux réactions de photosynthèse artificielle.

Objectifs du stage

Malgré son potentiel, cette approche hybride reste peu étudiée et soulève plusieurs questions fondamentales :
• Quel gain d’efficacité peut être attendu grâce à l’hybridation PEC/PV ?
• Quels couples de matériaux permettent d’atteindre les meilleures performances ?
• Comment les non-idéalités réelles (recombinaisons, pertes résistives, échauffement) influencent-elles les rendements atteignables ?
Dans le but de répondre à ces questions, le stage visera à développer un modèle physique basé sur le formalisme du bilan détaillé, qui est par ailleurs largement utilisé pour la modélisation des cellules photovoltaïques classiques.
Ce formalisme permettra de calculer les performances maximales de conversion solaire en hydrogène, à partir d’un modèle d’échanges radiatifs et énergétiques intégrant un nombre restreint de paramètres physiques.
Les principales étapes du travail seront :
1. Modélisation idéale :
1-a- dans une première phase, on cherchera, sur la base de la littérature, à s’approprier en profondeur le concept de bilan détaillé appliqué aux cellules PV. Le principe de bilan détaillé permet de relier le comportement global d’un système thermodynamique aux réversibilités des propriétés décrivant les interactions en son sein,
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