Modélisation de matériaux organiques stables et nouveaux pour des cellules opv à haut rendement

Modeling of stable and novel organic materials for high efficiency opv cells

• Auteur / Autrice : Giovana Aibara Paschoal
• Direction : Didier Begue, Roger Hiorns
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie polymères
• Date : Soutenance le 09/09/2024
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux - Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux
• Jury : Président / Présidente : Laurence Vignau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Begue, Roger Hiorns, Serguey Krasnoshchekov, Lucimara Roman, Aurélien Viterisi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Serguey Krasnoshchekov, Lucimara Roman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères conjugués

Modélisation comportementale (électronique)

Cellules solaires polymères

Mots clés libres

Dispositifs photovoltaïques

Modélisation

Polymères conjugués

Photovoltaic devices

Modeling

Conjugated polymers

Résumé

Les cellules photovoltaïques organiques (OPV) sont des dispositifs qui utilisent des matériaux semi-conducteurs pour générer un photocourant à partir de la lumière incidente qui frappe le dispositif. Le premier processus en jeu dans l'effet photovoltaïque est l'absorption de lumière, soit l'interaction entre les photons incidents et les électrons des molécules de la couche active du dispositif. Il apparaît donc évident qu'il convient d'employer des matériaux présentant une absorption maximale dans la gamme de la plus forte irradiance solaire. Les systèmes conjugués, dont les anneaux aromatiques créent des recouvrements d'orbitales π, sont des candidats idéaux puisqu'ils facilitent la délocalisation des électrons le long de l'ossature polymère.La modélisation ab initio est un outil puissant pour qui cherche à concevoir ces nouveaux matériaux, puisqu'elle permet de prédire avec une grande fiabilité des propriétés électroniques telles que les gaps optiques et électroniques, l'affinité électronique ou encore le potentiel d'ionisation, auxquelles les performances des dispositifs OPV sont fortement corrélées. Concevoir une nouvelle molécule à l'appui des calculs théoriques nécessite une compréhension approfondie de la structure du polymère, le jeu consistant à combiner des blocs porteurs de fonctions chimiques différentes afin d'ajuster les propriétés optoélectroniques.Le travail présente une étude théorique descriptive (benchmark) des propriétés électroniques évoquées ci-avant, calculées pour une série de composés de type PM6, PTBT-Th, P3HT, C/CPCT-T-BT-T, CPT-BT, Si/CPT-TPD, BDT2-T-ffBT-T, BDT2-T-BT-T, BDT2-T-HTAZ-T, Si/CPDP-T-BT-T, et pour une autre série molécules de cœur π de type oxybenzodithiophènes, benzotriazoles, piazthiolebenzothiadiazole et N-isopropylcarbazole. Les calculs réalisés sont de type DFT (théorie de la fonctionnelle de la densité) et TD-DFT (théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps), et ont été réalisés via Gaussian16, en employant la fonctionnelle B3LYP et un ensemble de bases 6-31G(d). Cette thèse vise à fournir une compréhension approfondie des propriétés optiques et électroniques des matériaux, en regard de ces mêmes paramètres pour les matériaux couramment employés dans les dispositifs OPV. D'autres approches basées sur la densité électronique ont également été considérées pour soutenir l'analyse des interactions non covalentes.Nous avons constaté, via les optimisations réalisées sur les systèmes moléculaires auto-assemblés, que les interactions des systèmes π entre molécules voisines, ont un impact plus important sur les propriétés optoélectroniques que les chaînes latérales qui y sont attachées. Nous avons ainsi montré qu'il est possible de remplacer les longues chaînes latérales ramifiées par des groupes méthyles réduit le coût computationnel sans changement majeur dans les résultats. Le traitement post-calculatoire de l'ensemble des interactions a été réalisé à l'aide du modèle de gradient indépendant (IGM) et a montré qu'il est possible de distinguer les interactions clés responsables de la stabilisation des systèmes (macro)moléculaires auto-assemblés telles qu'elles doivent exister dans le polymère conducteur des dispositifs OPV.Cette thèse nous a principalement permis d'établir la manière dont la structure moléculaire des agrégats affecte les propriétés électroniques d'un système. Notre travail pose également les bases d'un guide théorique pouvant servir de fil rouge à la conception de nouveaux matériaux présentant une absorption de lumière optimale pour un emploi dans les dispositifs OPV.

Organic photovoltaic (OPV) cells are technologies that use semiconductor materials to generate photocurrent from incident light on the device. The first process in the photovoltaic effect is light absorption, when photons of light interact with electrons of molecules in the active layer. So, it is suitable to work with materials that have light absorption in the range of the highest intensity solar irradiance, such as conjugated systems, which aromatic rings create overlaps of π-orbitals, facilitating the delocalization of electrons along the polymer backbone.Ab initio modeling is a powerful technique to design materials at the atomistic level and predict electronic properties such as optical and electronic gaps, electronic affinity and ionization potential, that are strongly related to the OPV performance. The correlation between method and accurately estimation of these properties is well known. Designing a novel molecule from computational investigation requires a deeply understanding about parameters of the polymer structure, combining blocks with different chemical functions to tune optoelectronic properties.In this work, we present a theoretical study targeting trends of such properties from a benchmarking, for a series of compounds: PM6, PTBT-Th, P3HT, C/CPCT-T-BT-T, CPT-BT, Si/CPT-TPD, BDT2-T-ffBT-T, BDT2-T-BT-T, BDT2-T-HTAZ-T, Si/CPDP-T-BT-T, and other polymers based on fused-aromatic rings such as oxybenzodithiophenes, benzotriazoles, piazthiolebenzothiadiazole and N-isopropylcarbazole. The calculations based on density functional theory (DFT) and time-dependent DFT (TD-DFT) were carried out using Gaussian16, B3LYP functional and a 6-31G(d) basis set. This thesis counted with intense explanations about optical and electronic properties and demonstrations of correlated parameters, clarifying terminologies vastly used to materials for photovoltaic applications. Other approaches based on electron density were also considered to give support to visualization analysis of noncovalent interactions.We have found, through optimisations carried out on self-assembled molecular systems, that the interactions of π systems between neighbouring molecules have a greater impact on the optoelectronic properties than the side chains attached to them. We have thus shown that it is possible to replace long branched side chains with methyl groups, reducing the computational cost without any major change in the results. The post-computational treatment of the set of interactions was carried out using the independent gradient model (IGM) and showed that it is possible to distinguish the key interactions responsible for stabilising self-assembled (macro)molecular systems as they must exist in the conducting polymer of OPV devices.This thesis has mainly enabled us to establish how the molecular structure of aggregates affects the electronic properties of a system. With this work, we presented the main assumptions of how molecular structure can affect the electronic properties, then to guide researchers on designing a new material with a high light absorption.