Thèse soutenue

Modélisation du couplage électron-vibration dans les cellules solaires organiques : une approche par champ moyen dynamique inhomogène

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Auteur / Autrice : Kevin-Davis Richler
Direction : Didier Mayou
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique théorique
Date : Soutenance le 23/10/2019
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
Jury : Président / Présidente : Xavier Blase
Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Chandezon, Georges Bouzerar
Rapporteurs / Rapporteuses : Irène Burghardt, Fabienne Michelini

Résumé

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Dans cette thèse, nous avons tout d’abord développé une théorie du champ moyen dynamique non homogène (I-DMFT) qui convient pour étudier les interactions électron- phonon dans des systèmes non invariants par translation. L’approche présentée, dont la seule hypothèse est celle d’une énergie propre locale dépendante du site, retrouve à la fois la solution exacte d’un électron pour un hamiltonien générique à liaisons fortes dans la limite de sans interaction et la solution DMFT pour le petit polaron dans les systèmes invariants par translation. Pour illustrer ses capacités, nous avons appliqué l’I-DMFT pour étudier la formation de polarons en présence d’impuretés isolées. Nous avons constaté que l’I- DMFT est plus précis que l’approximation de la moyenne inhomogène de la quantité de mouvement (IMA) et donne des résultats quantitatifs proches des calculs de Monte Carlo. Pour illustrer ses capacités numériques, nous utilisons ensuite l’I-DMFT pour étudier les effets des défauts intégrés sur une surface bidimensionnelle. Les cartes calculées de la densité locale d’états révèlent des oscillations de Friedel, dont la périodicité est déterminée par la masse du polaron. Ensuite, nous nous sommes concentrés sur le mécanisme de séparation interfacial électron-trou dans les systèmes prototypes de cellules solaires organiques. En utilisant l’I-DMFT, nous présentons une simulation entièrement quantique de la dynamique des porteurs de charge qui prend en compte les interactions électron-phonon, les désordres statiques et les champs électrostatiques. En particulier, ces simulations offrent la possibilité de calculer le taux d’injection de charge à l’interface donneur-accepteur, une quantité d’intérêt expérimental fondamental. Ceci constitue un premier pas vers un défi de longue date concernant le PVO, établissant ainsi un lien entre la chimie et la physique.Dans un premier temps, nous avons appliqué l’I-DMFT á un modèle générique unidimensionnel d’Hamiltonien, dont les paramètres modélisent la dynamique des porteurs de charge dans l’acide méthyl ester méthylique-C61 (PCBM) ou C60 systèmes accepteurs. Nos résultats montrent que les potentiels dynamiques (liés à la formation de polarons), comparés aux potentiels statiques aléatoires, peuvent présenter le principal mécanisme de perte préjudiciable dans les dispositifs PVO. Dans cette perspective, les molécules organiques avec des ́energies de r ́eorganisation mod ́er ́ees devraient ˆetre utilis ́ees pr ́ef ́erentiellement dans les matériaux de nouvelle génération, car l’augmentation de l’interaction électron-phonon entrave la gamme des énergies d’électrons entrantes appropriées en raison de la fragmentation de la densité d’états locale en sous-bandes polaroniques étroites. Enfin, nous avons appliqué l’I-DMFT à un hamiltonien modèle générique en trois dimensions, dont les paramètres modélisent les champs électrostatiques des charges dans les systèmes PCBM en trois dimensions et les systèmes accepteurs C60. Ces champs présentent un pic important sur une interphase étroite issue de la présence de petites molécules de fullerènes dans le matériau donneur. Nous montrons ensuite que de tels champs, lorsqu’ils sont suffisamment importants et correctement polarisés, peuvent exercer une influence positive sur l’efficacité de la séparation des charges à travers des interfaces organiques. Dans cette perspective, les matériaux présentant des champs électrostatiques et mésoéchelle forts et correctement polarisés doivent être sondés lors de la conception de dispositifs PVO de nouvelle génération, car ces champs étendent la gamme des énergies d’électrons entrantes appropriées et augmentent le rendement quantique. Globalement, la mise en œuvre numérique facile de l’I-DMFT et son application dans le traitement de la dynamique des porteurs de charge dans des systèmes donneur-accepteur tridimensionnels permettent d’étudier avec précision des problèmes auparavant difficiles d’accès.