Thèse soutenue

Approches théoriques pour la modélisation de dispositifs photovoltaiques hybrides

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Auteur / Autrice : Davide Luise
Direction : Ilaria Ciofini
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Chimie Physique
Date : Soutenance le 13/12/2021
Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institute of Chemistry for Life and Health Sciences (i-CLeHS) (2017-....) - Institute of Chemistry for Life and Health Sciences / iCLeHS
établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de chimie (Paris)
Jury : Président / Présidente : Alexis Markovits
Examinateurs / Examinatrices : Ilaria Ciofini, Tzonka Mineva, David Loffreda, Frédéric Labat
Rapporteur / Rapporteuse : Tzonka Mineva

Résumé

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Au cours des dernières décennies, la nécessité de surmonter les limitations, avant tout les coûts élevés de fabrication, a poussé la recherche vers le développement de cellules solaires sensibilisées (SSCs). Parmi celles-ci, les cellules solaires sensibilisées par des boîtes quantiques (QD) (QDSSC) et les cellules solaires à base de pérovskite hybride organique-inorganique (PSC) ont récemment bénéficié d'une plus grande attention en raison de leurs excellentes propriétés optoélectroniques, de leurs fabrications aisées et de leurs flexibilités. La caractérisation expérimentale des propriétés optiques de ces systèmes complexes est assez difficile et leur modélisation ab initio reste particulièrement exigeante en temps de calculs, puisqu’il faut généralement modéliser de grandes interfaces complexes entre différents types de composants qui peuvent être traités à l’aide de conditions périodiques aux limites. Une des stratégies les plus populaires repose sur les méthodes multicouches QM/MM ou QM/QM’ qui divisent un système grand mais fini en deux couches auxquelles sont appliquées différents niveaux de théorie. Bien qu'elles soient largement utilisées, ces méthodes ne considèrent pas l’effet du potentiel généré par le système périodique infini. Dans ce cadre, il y a quelques années, Wilbraham et al. ont développé un protocole informatique, la méthode SC-Ewald, ne visant qu'à reproduire l’effet électrostatique produit par un environnement périodique infini à l’aide d’un jeu fini de charges ponctuelles. Un agrégat d'atomes, extrait d’une structure périodique, est intégré dans une enveloppe interne de charges ponctuelles constantes et dans une enveloppe externe de charges ponctuelles variables qui sont définies afin de reproduire le potentiel électrostatique d’un système périodique infini. Cette approche, couplée à la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendant du temps, permet de calculer approximativement les propriétés des états excités des systèmes périodiques à des coûts de calcul réduits. Dans le cadre de cette thèse, la méthode SC-Ewald qui a été initialement développée pour de systèmes périodiques tridimensionnels a été généralisée afin d’étudier les propriétés photophysiques de systèmes en périodicité réduite, c’est-à-dire en une (1D) ou deux (2D) dimensions périodiques. Cette stratégie calculatoire a notamment été appliquée afin de simuler les spectres d'absorption de nanoparticules de CdSe de différentes tailles (0D points quantiques et 2D nanoplaquettes), de pérovskites à base d’halogénures de plomb méthylammonium (MAPX, X=I, Cl and Br) ainsi que de l’interface MAPI/CBA/TiO2 constituant la photoanode d’une PSC, où les molécules de CBA (acide p-chlorobenzoïque) forment une monocouche auto-assemblée (SAM) qui relie les surfaces du MAPI et de TiO2. Elle a également été utilisée pour modéliser les propriétés optiques de poly-p,m,o-phénylènediamines, des systèmes périodiques en 1D. Les résultats obtenus sur ces systèmes de différentes dimensionnalités démontrent que cette approche basée sur un embedding électrostatique auto-cohérent, peut modéliser avec succès les propriétés photophysiques de différentes classes de matériaux, ce qui en fait une alternative attrayante à faible coût par rapport à des méthodes de structure électronique pour le calcul de l'état excité des systèmes périodiques étendus beaucoup plus coûteuses d’un point de vue calculatoire.