Combined DFT/MD protocol for the simulation of molecular materials for organic solar cells
Protocole combiné DFT/MD pour la simulation des matériaux moléculaires pour le photovoltaïque organique
Résumé
In much of the literature about organic photovoltaics, the topic is framed within the current landscape of energy production and the research on these materials is cited as a possible solution to the energy crisis looming ahead.Despite being the most frequent, this is by no means the only perspective that can be offered. Indeed, the same research may also be set within the larger perspective offered by the field of functional materials. These materials are usually exploited for their particular responses to electrical, magnetic and chemical stimuli and are at the basis of many technologies fundamental to our society.The prominent position of functional materials in modern science is due to the emergence of novel technological needs that such materials have been able to satisfy thanks to their peculiar properties. These properties have been rationalised and mastered by expanding the theoretical description of the underlying physical mechanisms.This theoretical body, combined with the growth and diffusion of computational capabilities has fostered a change in the scientific paradigm underpinning the research effort. More and more, the predictive power of numerical approaches is exploited to lead the way in the exploration of the immense chemical space. The ultimate promise is to achieve the purpose-driven design of compounds thanks to which the molecular structure can be engineered before the actual synthesis to meet the demands dictated by a specific application.To fulfil this role, computational approaches need to be able to simulate the solid state properties at the most relevant time and length scales. If this can be accomplished then a reliable prediction of the performance can be achieved.The current work deals with the development and application of one such protocol, for the particular case of organic photovoltaic semiconductors. Given the specific application, the properties targeted are light absorption and charge transport. Particular effort is put in the simulation of local morphologies at scales above the molecular one to describe supramolecular organisation with sufficient resolution.In this thesis, the protocol is applied to two molecular systems employed in solar devices. Both systems have been selected on the basis of data suggesting that a detailed microscopic description of their behaviour could be highly informative about the aspects responsible for their photovoltaic performance. In particular, chapter 3 details the investigation of a small-molecule donor that has been shown in the literature to have a remarkable behaviour in absorption. While chapter 4 reports the study of a donor-acceptor dyad used as active layer in single-component solar devices with relatively high conversion efficiency.In both cases, the computational protocol has proven capable of providing a detailed microscopic description of the systems. The picture drawn has allowed to clarify the plausible mechanisms behind the observations and to rationalise these behaviours in a broader and more general theoretical framework.
Il y a plusieurs façons de présenter le sujet de la photovoltaïque organique. La plus courante est de le présenter dans le contexte de la crise énergétique actuelle et de le proposer comme une des solutions parmi les plus prometteuses pour fournir des sources d’énergie alternatives propres et bonne marché pour faciliter la transition écologique.
Dans un même temps, la recherche sur les matériaux semi-conducteurs organiques pourrait bien être inscrit dans un plus large effort scientifique qui vise à accroître nos connaissances et à affiner notre maîtrise des matériaux encore faiblement exploités.
Dans ce contexte, le développement des méthodes théoriques fiables pour l’étude de la structure électronique des matériaux, permet aujourd’hui la description et la prédiction de plus en plus précise des propriétés moléculaires à petit échelle qui jouent un rôle très important sur les propriétés macroscopiques des matériaux organiques, d’interêt pour pouvoir les améliorer et les exploiter.La recherche au sujet des matériaux performants est alors en train de basculer vers un paradigme qui voit la possibilité concrète d’intervenir sur la structure des molécules de synthèse pour obtenir des matériaux innovants dont la fonction a été choisi en avance.Cet objectif est possible grâce à l’information microscopique que les données théoriques et les nouvelles techniques expérimentales d’investigation, sont à l’heure actuelle, en mesure de fournir.Toutefois, un obstacle très important surgit, qui touche en particulière les matériaux organiques: l’ampleur de l’espace chimique que ces molécules occupent est tel que des stratégies pour l’explorer efficacement deviennent absolument nécessaires.La capacité de surmonter cet obstacle pourrait se traduire, dans l’avenir, dans la possibilité de rendre nos applications technologiques adaptées aux conditions et environnements les plus variés. D’innombrables domaines technologiques, de l’électronique à la médecine, pourraient bénéficier de ce niveau de contrôle.Dans le cas spécifique de la photovoltaïque organique, la promesse est de délivrer des matériaux capables d’absorber la lumière dans des conditions et sur des surfaces assez différentes et de pouvoir la transformer en électricité avec haut rendement.Pour accomplir cela, il est essentiel de déployer des protocoles numériques qui combinent des techniques connues pour simuler et prédire le plus précisément possible le comportement d’un matériau aux échelles les plus influentes.Ce travail de thèse se situe dans ce contexte. Un protocole spécifique a été conçu pour l’étude des matériaux photovoltaïques à l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité, de la dynamique moléculaire et des méthodes Monte-Carlo.Pour simuler le rendement photovoltaïque d’un matériau plusieurs propriétés sont étudiées, notamment celles concernant l’interaction avec la lumière, comme l’absorption ou le transport de charge. Afin de pouvoir produire des simulations suffisamment proche de la réalité, beaucoup d’efforts sont réalisés pour modéliser l’organisation moléculaire à ces échelles de taille qui peuvent influencer plus lourdement les propriétés macroscopiques.Ici, deux systèmes sont étudiés. Dans le chapitre trois, un matériau donneur pour lequel il a été observé un comportement en absorption assez particulier et puis, dans le chapitre quatre, un assemblage moléculaire, dit dyade, qui combine une molécule de donneur et une d’accepteur dans une architecture moléculaire adaptée pour la construction des cellules photovoltaïques dites à composant unique.Ces études nous ont fourni une description microscopique précise, essentielle à la compréhension des mécanismes en jeu et à l’optimisation successive de matériaux photo-actifs. Le protocole de calcul mis au point s’est donc révélé comme un outil très efficace pour aider à l’exploration de cet espace chimique qui recèle de nombreux matériaux aux propriétés inédites et innovantes.
Origine : Version validée par le jury (STAR)