Modélisation par dynamique moléculaire ab initio du transport des excitons et du transport thermique dans les semiconducteurs organiques pour la collecte d'énergie

Ab initio molecular dynamics modelling of excitonic transport and thermal transport in organic semiconductors for energy harvesting

• Auteur / Autrice : Cheick Oumar Diarra
• Direction : Evelyne Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/09/2024
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Émilie Steveler, Thomas Heiser, Alexandra Toumar
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabienne Michelini, Stefan Goedecker

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs organiques

Dynamique moléculaire

Excitons

Mots clés libres

Dynamique de l’exciton

Semiconducteur organique

État excité singulet

Dynamique moléculaire ab intio (AIMD)

Restricted Open-Shell Kohn-Sham (ROKS)

Structure électronique

Longueur de diffusion de l’exciton

Temps de vie de l’exciton

Coefficient de diffusion de l’exciton

Polymère P3HT

Accepteur non-fullerène (NFA)

O-IDTBR

Conductivité thermique

Conductance thermique d’interface

Photovoltaïque organique (OPV)

Dynamique moléculaire d’approche à l’équilibre (AEMD)

Exciton dynamics

Organic semiconductor

Singlet excited state

Ab initio molecular dynamics (AIMD)

Restricted Open-Shell Kohn-Sham (ROKS)

Electronic structure

Exciton diffusion length

Exciton lifetime

Exciton diffusion coefficient

P3HT polymer

Non-fullerene acceptor (NFA)

O-IDTBR

Thermal conductivity

Interfacial thermal conductance

Organic photovoltaic (OPV)

Approach-to-equilibrium molecular dynamics (AEMD)

Résumé

L'exciton joue un rôle clé dans le fonctionnement des cellules solaires organiques (OSCs). Comprendre sa dynamique dans les semiconducteurs organiques est essentiel, notamment pour améliorer la longueur de diffusion, une propriété déterminante pour la performance des hétérojonctions planaires, envisagées comme une alternative plus stable aux hétérojonctions en volume (BHJ). Dans la première partie de cette thèse, nous avons développé une approche méthodologique robuste et polyvalente pour évaluer la longueur de diffusion de l'exciton dans les semiconducteurs organiques. Cette approche, basée sur AIMD-ROKS, a été validée avec succès dans le cas du polymère P3HT. Elle a également été appliquée à l'accepteur NFA O-IDTBR, révélant des longueurs de diffusion prometteuses, mais encore insuffisantes pour les hétérojonctions planaires. Dans la deuxième partie de la thèse, le transfert de chaleur dans les semiconducteurs organiques a été exploré, élément crucial pour la performance des dispositifs thermoélectriques. Ces études se sont concentrées sur le P3HT, un matériau utilisé en thermoélectricité. Dans un premier temps, la conductivité thermique au sein des chaînes de P3HT a été étudiée, révélant l'influence de la longueur des chaînes de polymère. Ensuite, les transferts de chaleur entre ces chaînes ont également été examinés.

The exciton plays a central role in the functioning of organic solar cells (OSCs). Understanding its dynamics in organic semiconductors is essential, particularly to optimize the diffusion length, a key property for the performance of planar heterojunctions, which are considered as a potentially more stable alternative to bulk heterojunctions (BHJ) in certain contexts. In the first part of this thesis, we developed a robust and versatile methodological approach to evaluate the exciton diffusion length in organic semiconductors. This method, based on AIMD-ROKS, was successfully validated for the P3HT polymer. It was also applied to the NFA O-IDTBR acceptor, revealing promising diffusion lengths, though still insufficient for planar heterojunctions. The second part of the thesis explores heat transfer in organic semiconductors, a crucial element for the performance of thermoelectric devices. These studies focused on P3HT, a material used in thermoelectricity. First, the thermal conductivity within P3HT chains was studied, revealing the influence of polymer chain length. Then, heat transfers between these chains were also examined.