Processus de conversion d'énergie ultra-rapide dans des protéines photosensibles et nanostructures organiques à visée photovoltaïque

Ultrafast energy conversion processes in photosensitive proteins and organic nanostructures for photovoltaic applications

• Auteur / Autrice : Alexandre Cheminal
• Direction : Stefan Haacke
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/04/2015
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Edouard Moser
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Gindensperger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacques Edouard Moser, Philipp Kukura

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Protéines

Semiconducteurs organiques

Photopiles

Transfert de charge

Mots clés libres

Photochimie

Transfert de charge

Photovoltaique organique

Spectroscopie ultrarapide

Protéine de rétinal

Isomérisation

Optique non linéaire

Photonique

Photochemistry

Charge transfer

Organic photovoltaics

Ultrafast spectroscopy

Retinal proteins

Isomerization

Nonlinear optics

Résumé

Les techniques de spectroscopie femtoseconde permettent d’étudier les processus de conversion d’énergie dans les système organiques. Elles permettent d’étudier les populations photo-générées et leur évolution à l’échelle de ces photoréactions. Elles permettent de comprendre les transferts d’énergie et de charge intra- et inter-moléculaires à l’origine du fonctionnement de ces systèmes.La protéine de rétinal Anabaena sensroy Rhodopsin est un photocommutateur naturel, qui est étudié afin de comprendre les paramètres à l’origine de l’efficacité quantique d’isomérisation. Nous avons pu déterminer cette efficacité quantique pour les deux formes stables du rétinal ainsi que leur dynamique d’isomérisation dans les mêmes conditions expérimentales.La génération de charge dans des couches actives pour le photovoltaique organique est étudiée dans un système composé d’un mélange de PCBM et d’un donneur organique dérivé du colorant BODIPY. L’influence de la nanostructuration de la couche active sur la génération de charge est étudiée. La génération de charge est limitée dans ce système par la recombinaison des charges générées et par la diffusion des excition aux interfaces donneur-accepteur. Ces observations indiquent que l’amélioration de la nanostructuration de la couche active peut permettre d’augmenter les rendements de photo-génération de charge.

Femtosecond transient spectroscopies are used to investigate photonic energy conversion inorganic systems. These techniques allow to observe the ground and excited states of themolecules at the timescale of the photoreactions. It is used to understand the inter- andintramolecular energy and charge transfers leading to the desired photochemical process.The natural photoswiching retinal protein Anabaena sensory Rhodopsin is studied to understand the key parameters ruling the isomerisation quantum yield. We could determine the isomerisation quantum yield of both stable forms and their dynamics in the very same experimental conditions.Charge generation is investigated in small molecule bulk heterojunction active layers for organic solar cells made of PCBM and a BODIPY dye-derivative donor. The influence of the active layer morphology on charge generation is studied. The charge generation is limited by charge recombination but also by exciton diffusion to the donor-acceptor interface. The active layer morphology has to be improved to achieve more efficient organic solar cells with these materials.