L’étude de la cinétique de la photodissociation de l’eau assistée par lumière visible a été l’objectif principal de ce travail. En tant que matériau photo-excitable, le semi-conducteur SrTiO₃ dopé au Rh a été utilisé. Le dopage permet l’absorption de lumière visible et donc la transformation d’énergie solaire en combustibles chimiques. Le 1er Chapitre de cette thèse est consacré à une étude bibliographique couvrant les méthodes de caractérisation et les modèles de la cinétique photo-électrochimique. Le 2ème Chapitre traite la description des matériaux et méthodes expérimentaux. Le 3ème Chapitre concerne la caractérisation de la cinétique de la photodissociation de l’eau sur photo-électrodes à base de Rh:SrTiO₃, modifiées en surface par ajout d’un clathrochélate modèle, ou avec du Cu ou du Pt métalliques. Le 4ème Chapitre décrit une étude théorique du mécanisme de la réaction de dégagement d’hydrogène, catalysée par un clathrochélate modèle. Le spectre EXAFS du complexe a été analysé et modélisé, et les intermédiaires importants du mécanisme ont été mis en évidence. Le 5ème Chapitre est consacré à l’étude dynamique de photo-électrodes à base de Rh:SrTiO₃ en utilisant la technique de la photo-tension à lumière modulée. Ce Chapitre présente des résultats inattendus, qui sont rapportés pour la première fois. Ce comportement bizarre a été modélisé par un système d’équations différentielles usuellement utilisées pour décrire ce type de système photo-électrochimique. / The kinetics of water photo-dissociation assisted by visible light was the main topic of this work. The Rh doped SrTiO₃ semiconductor was employed as photo-excitable material. It can absorb visible light and therefore transform solar energy into useful chemical fuels. In this manuscript, a wide bibliographic overview is provided in the 1st Chapter, covering a description of the characterization methods and current models for photoelectrochemical kinetics. The 2nd Chapter is devoted to the description of the materials and methods. The 3rd Chapter deals with the full photoelectrochemical kinetic characterization of water splitting with Rh:SrTiO₃ photoelectrodes, surface-modified by addition of a model clathrochelate or with metallic Cu or Pt. In the 4th Chapter, a theoretical study of the mechanism of hydrogen evolution catalyzed by a model clathrochelate is provided. During the discussion, the EXAFS spectrum of the organometallic complex was thoroughly analyzed and modelled, and the relevant protonated intermediates involved in the mechanism were identified. The 5th Chapter deals with the photoelectrochemical dynamics of illuminated Rh:SrTiO₃ -based photo-electrodes, characterized by the light-modulated photovoltage technique. Unusual results were obtained and are reported in this thesis for the first time. This unexpected dynamic behavior has been modelled by a set of classical differential equations usually used to describe such photo-processes.

L’étude et la compréhension des interactions existantes entre semi-conducteur et nanoparticules métalliques sous irradiation est primordiale pour l’amélioration de leurs performances. Dans cette étude, trois composites oxydes semi-conducteur-métal ont été synthétisés : TiO2-Ag, Fe2O3-Ag et WO3-Ag. La synthèse des films mésoporeux de TiO2, Fe2O3 et WO3 a été effectuée par voie sol gel à l’aide de copolymères à bloc, avec la méthode d’auto-assemblage induit par évaporation (EISA). Les nanoparticules d’argent sont formées dans un deuxième temps par réduction chimique de sels dans la porosité des films. L’étude photo-électrochimique de ces composites a permis de mettre en évidence différents phénomènes : le potentiel d’électroréduction des ions Ag+ dans une matrice de TiO2 mésoporeuse peut être modulé par l’effet de la lumière. Ce phénomène semble résulter d’un effet de passivation des NP Ag par TiO2 qui dépend des conditions d’insolation. Des effets de rechargement de l’électrode poreuse en espèce Ag+ ont aussi été observés, sous l’action simultanée de la chrono-ampérométrie et de l’irradiation / The study and understanding of existing interactions between semiconductor and metal nanoparticles under irradiation is essential for improving their performance. In this study, three semiconductor-metal oxide composites were synthesized: TiO2-Ag, Fe2O3-Ag and WO3-Ag. The synthesis of the mesoporous films of TiO2, Fe2O3 and WO3 was carried out by gel sol method using block copolymers, with the method of self-assembly induced by evaporation (EISA). The silver nanoparticles are formed in a second time by chemical reduction of silver salts in the porosity of the films. The photo-electrochemical study of these composites made it possible to highlight various phenomena: the electroreduction potential of Ag+ ions in a mesoporous TiO2 matrix can be modulated by the effect of light. This phenomenon seems to result from a passivation effect of the NP Ag by TiO2, which depends on the insolation conditions. Charging effects of the porous electrode in Ag+ species have also been observed, under the simultaneous action of chrono-amperometry and irradiation

Les cellules solaires en couches minces à base de Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS) représentent une technologie à fort potentiel et aux performances photovoltaïques élevées. La couche finale de l'empilement, appelée couche fenêtre, est principalement composée d'une bi-couche d'oxyde de zinc (ZnO) non dopé et dopé de type n - généralement à l'aluminium - et déposée par un procédé sous vide : la pulvérisation cathodique. Cependant, cette technique demande des investissements importants et un intérêt croissant s'est porté sur le développement de techniques alternatives atmosphériques en vue d'une réduction des coûts. L'objectif de ce travail a été d'étudier la réalisation d'une couche fenêtre fonctionnelle de ZnO par un procédé d'électrodépôt photo-assisté en milieu aqueux sur des substrats de grandes dimensions. Pour y parvenir, différentes études ont été réalisées afin de déterminer les propriétés du ZnO électrodéposé et optimiser le procédé de dépôt. Dans un premier temps, l'influence de la composition de trois solutions électrolytiques sur les propriétés et le dopage du ZnO a été étudiée : le milieu chlorure (Cl-), le milieu perchlorate (ClO4-) et un milieu mixte à base de perchlorate et d’acide borique (H3BO3). Dans un second temps, la synthèse électrochimique du ZnO comme couche fenêtre a été réalisée sur des substrats de CIGS/CdS. Son étude a permis de montrer que la réalisation in situ d'une couche d'accroche facilite la croissance d'une couche finale dense et compacte. Cette méthode de synthèse en deux étapes a conduit à l'obtention de performances photovoltaïques élevées sur grandes surfaces avec des rendements allant jusqu'à 14,3 % pour une cellule solaire entièrement réalisée par des procédés atmosphériques. / Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS) thin films based solar cells are a promising technology for high efficiency energy conversion. A window layer completes the stack of the cell. It is commonly constituted by an intrinsic and aluminum doped bi-layer of zinc oxide (ZnO) deposited by magnetron sputtering, an expensive vacuum process. Alternative processes, using low cost and atmospheric techniques, have been developed in order to reduce the costs. The aim of this work was to achieve a functional window layer of ZnO by a photo-assisted electrodeposition process on large scale substrates of CIGS/CdS in aqueous medium and replace the sputtered one. For this purpose, several studies have been carried out in order to determine the optoelectronic properties such as doping level and mobilities of the electrodeposited ZnO and optimize the deposition process. Firstly, the effect of three different electrolytes on the zinc oxide properties and doping has been studied on metallic substrate: chloride medium (Cl-), perchlorate medium (ClO4-) and a mixed medium of perchlorate with boric acid (H3BO3). Then, electrochemical synthesis of zinc oxide as window layer has been performed on CIGS/ CdS substrates. This study allowed to establish the need to synthesize an in situ seed layer which promotes the growth and the compactness of the final layer of zinc oxide. This two-step method has led to the achievement of high photovoltaic performances on large scale with promising efficiencies up to 14.3 % for a solar cell made entirely by atmospheric processes.

L’objectif principal de ce travail de thèse était de mettre en évidence et de mesurer l’effet co-catalytique de complexes moléculaires organo-métalliques à base de métaux de transition adsorbés sur des semi-conducteurs dopés photo-actifs vis-à-vis des réactions de photo-dissociation de l’eau et de photo-réduction du dioxyde de carbone, en en vue d’applications dans des cellules photochimiques et photo-électrochimiques. Nous avons tout d’abord identifié et sélectionné les matériaux (deux semi-conducteurs photo-actifs et deux co-catalyseurs moléculaires électroactifs) les plus adaptés (les résultats sont présentés dans le chapitre I). Nous avons ensuite conçu, développé et mis au point un bâti expérimental permettant la détection et le dosage en continu des produits de réaction lors des réactions d’intérêt (les résultats sont présentés dans le chapitre II). La détection des produits de réaction se fait à l’aide d’un chromatographe en phase gazeuse couplé au réacteur. Nous avons ensuite élaboré/synthétisé et mesuré les propriétés intrinsèques des matériaux sélectionnés (les résultats sont présentés dans le chapitre III). Finalement, nous avons mis en évidence l’activité co-catalytique des complexes utilisés et mesuré un ensemble d’indicateurs de performance tels que les cinétiques de réaction et les fréquences de « turn-over » (les résultats sont présentés dans le chapitre IV). / The main objective of this research work was to put into evidence the co-catalytic effect of organo-metallic molecular complexes containing transition metals as reactive centers, adsorbed at the surface of doped semiconductors with photo-activity with regard to water photo-dissociation and carbon dioxide photo-reduction, in view of practical applications in photochemistry and photo-electrochemistry. First, appropriate materials (two photoactive semiconductors and two molecular co-catalysts) have been identified and selected (results are presented in chapter I). Then, we have designed, constructed and optimized a specific test bench that can be used for the continuous detection and titration of reaction products (results are presented in chapter II). Product analysis was achieved by coupling a gas-phase chromatograph to the photo-electrochemical reactor. Then, photoactive semiconductors and molecular co-catalysts have been elaborated/synthesized and their intrinsic properties have been measured (results are presented in chapter III). Finally, the co-catalytic activity of molecular complexes has been put into evidence and several performance indicators such as reaction kinetics and turn-over frequency have been measured (results are presented in chapter IV).