Modélisation de cellules photovoltaïques à colorants

Modelling od dye-sensitized solar cells

• Auteur / Autrice : Frédéric Anne
• Direction : Denis Jacquemin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie, Chimie théorique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques
• Jury : Président / Présidente : Fabienne Alary
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Jacquemin, Fabienne Alary, Boris Le Guennic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Boris Le Guennic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photopiles

Méthodes ab initio (chimie quantique)

Transfert de charge

Mots clés libres

Cellules photovoltaïques à colorants

Théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps

Td-dft

Résumé

Cette thèse porte sur la modélisation des caractéristiques structurales et spectroscopiques de colorants utilisés dans les cellules photovoltaïques à colorants de type p, en appliquant la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité et son équivalente dépendante du temps. Ces cellules, composées d'un colorant greffé sur un semiconducteur et plongé dans un solvant contenant un électrolyte, sont, en effet, une alternative intéressante aux cellules au silicium car, malgré des rendements encore faibles, elles offrent des coûts de production très bas. De nombreux processus fondamentaux entrent en jeu et influencent le rendement de photoconversion de ces cellules : absorption, transfert de charge (CT), injection, régénération, diffusion et recombinaison. Le colorant joue un rôle central dans les performances de ces cellules. En orientant principalement notre travail sur le calcul des propriétés de CT, nous montrons comment il est possible d'améliorer les cellules par la recherche de nouvelles molécules aptes à générer un CT photo-induit intense sur une plus grande distance, ce CT devant s’orienter de sorte que le colorant arrache un électron de la surface semiconductrice. D'autre part, nous avons cherché à déterminer l'influence des propriétés des états fondamentaux et des signatures spectroscopiques de ces molécules sur les propriétés de CT. Cette thèse illustre ainsi que la chimie quantique peut être vue comme un outil de caractérisation efficace des propriétés spectroscopiques des colorants, via l'étude de leurs états électroniques excités.

This thesis focuses on modeling the structural and spectroscopic features of dyes used in p-type Dye- Sensitized Solar Cells (p-DSSC) by both using the Density Functional Theory (DFT) and its time-dependent equivalent (TD-DFT). DSSCs are constituted of a dye grafted on a semiconductor and immersed in an solvent containing an electrolyte. Despite low yields, they are in fact an interesting alternative to silicon cells because they offer very low production costs. Several fundamental processes take place in these cells and are responsible for the overall photoconversion: absorption, charge transfer (CT), injection, regeneration, difusion and recombination. The dye plays a central role in the initiation of the process and can be engineered to be ideal for p-type DSSCs. By mainly focussing our work on the calculation of CT properties, we show how it is possible to improve p-DSSC through the research of new molecules able of generating an intense CT over a longer distance, the CT being oriented so that the dye pulls electron density from the semiconductor surface towards the electrolyte. In addition, we determined the influence of both ground-state and spectroscopic properties of these molecules on the CT. This thesis illustrates that quantum chemistry can be seen as an effective tool for characterizing the spectroscopic properties of dyes through the study of their electronically excited states.