Simulation de la dynamique moléculaire des caractéristiques structurelles et électroniques et des propriétés spectrales des colorants utilisés dans les cellules solaires

Molecular dynamic simulation of structural- electronic characteristics and spectral properties of dyes and solutions based on them for DSSC

• Auteur / Autrice : Daria Stepaniuk
• Direction : Abdenacer Idrissi, François-Alexandre Miannay, Oleg Kalugin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie théorique, physique, analytique
• Date : Soutenance le 06/03/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Avancé de Spectroscopie pour les Interactions, la Réactivité et l'Environnement (LASIRE)
• Jury : Président / Présidente : Olexandr Kyrychenko
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emeline Dudognon, Kamil Polok
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Taras Bryk, Francesca Ingrosso

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxyde de titane

Théorie de la fonctionnelle de densité

Méthodes ab initio (chimie quantique)

Liquides ioniques

Chimie des états excités

Structure moléculaire

Dynamique moléculaire

Cellules solaires à colorant

Mots clés libres

Colorants organiques

Dyes

Molecular dynamics simulation

Microscopic structure

Excited State

Quantum chemical calculation

Ionic liquids

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'une part d'analyser les propriétés électroniques de plusieurs modèles de colorants potentiellement utilisables dans les cellules solaires et d'autre part de caractériser l'effet du solvant sur la structure locale du colorant D205 en solution et à l'interface du TiO2. Ces recherches ont été réalisées à l'aide de calculs de chimie quantique et de simulation de dynamique moléculaire (MD).Dans le premier chapitre de la thèse, nous avons essayé de résoudre deux problèmes importants pour décrire et prédire les propriétés spectrales des colorants pour les DSSCs. Les géométries optimisées du colorant D205 dans l'état fondamental S0 et l'état excité S1, ont été réalisées en utilisant respectivement les méthodes DFT et TDDFT. les fonctions B3LYP and CAM-B3LYP (or M06-2X) ont été utilisées dans ce travail avec la base 6-31++G(d,p). Nous avons montré que ce niveau de calcul peut être recommandée pour la prédiction des spectres d'absorption de ces colorants. Nous avons également proposé un algorithme pour prédire de nouvelles structures moléculaires avec des paramètres spectraux électroniques améliorés et avons prédit la structure de trois nouveaux colorants pour les DSSC.Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons analysé l'effet de la composition du mélange de colorants D205/Acétonitrile/BmimBF4. Le D205 est un colorant organique utilisé dans les cellules solaires. Pour réaliser cette analyse, nous avons effectué des calculs de chimie quantique afin de paramétrer la partie intramoléculaire du champ de force du colorant D205. Les charges décrivant l'état fondamental et l'état excité du colorant D205 ont également été déterminées tandis que les paramètres de Lennard-Jones ont été tirés de la bibliothèque OPLS(AA). Les fonctions de distribution radiales des plus proches voisins ont été utilisées pour caractériser l'environnement autour des parties donneur, accepteur, pont et chaîne butyle du colorant D205 dans les états fondamental et excité.Dans la troisième partie de cette thèse, des simulations conjointes de dynamique moléculaire (MD) et des calculs de théorie fonctionnelle de la densité (DFT) ont été utilisés pour étudier la structure et la dynamique d'un colorant indoline D205 ancré à l'interface solide˗liquide de petites nanoparticules de TiO2 anatase en mélange avec des solvants tels que l'acétornitrile, et des liquides ioniques à base de 1-butyl-3-méthylimidazolium avec des anions hexapluorophate et trifluorométhanesulfonate. Des calculs DFT ont été effectués pour estimer la géométrie d'équilibre d'une petite nanoparticule d'anatase Ti30O62H4 et pour déduire les paramètres d'interaction pour la liaison bidentate d'un colorant D205 avec le TiO2. L'effet de différents solvants sur la conformation du colorant D205 ancré dans l'anatase a été analysé par des simulations MD, démontrant qu'une représentation explicite du solvant est vitale pour reproduire les spectres optiques d'un colorant D205.

The objective of this thesis is on the one hand to analyze the electronic properties of several dye models that can potentially be used in solar cells and on the other hand to characterize the effect of the solvent on the local structure of the dye D205 in solution and at the TiO2 interface. These investigations were carried out using quantum chemistry and molecular dynamics (MD) simulation calculations.In the first chapter of the thesis we tried to solve two problems important for describing and predicting the spectral properties of dyes for DSSCs. It was shown that the Time-Dependent DFT (TDDFT) approximation with a combination of B3LYP and CAM-B3LYP (or M06-2X) functionals with the 6-31++G(d,p) basis set can be recommended for the prediction of dye absorption spectra. We also proposed an algorithm to predict new molecular structures with improved electron spectral parameters and predicted the structure of three new dyes for DSSC.In the second part of the thesis we analyzed the effect of the composition of the D205/Acetonitrile/BmimBF4 dye mixture. D205 is an organic dye used in solar cells. To perform this analysis, we performed quantum chemical calculations to parameterize the intramolecular part of the D205 dye force field. The charges describing the ground state and excited state of the D205 dye were also determined while the Lennard-Jones parameters were taken from the OPLS(AA) library. Radial nearest neighbor distribution functions were used to characterize the environment around the donor, acceptor, bridge and butyl chain moieties of the D205 dye in the ground and excited states.In the third part of this thesis joint molecular dynamics (MD) simulations and density functional theory (DFT) calculations were used to study the structure and dynamics of an indoline dye D205 anchored at the solid˗liquid interface of small TiO2 anatase nanoparticles in admixture with solvents such as acetornitrile , and 1-butyl-3-methylimidazolium-based ionic liquids with hexapluorophate and trifluoromethanesulfonate anions. DFT calculations were performed to estimate the equilibrium geometry of a small Ti30O62H4 anatase nanoparticle and to deduce the interaction parameters for the bidentate bonding of a D205 dye with TiO2. The effect of different solvents on the conformation of the anatase-anchored D205 dye was analyzed by MD simulations, demonstrating that an explicit solvent representation is vital to reproduce the optical spectra of a D205 dye.