Étude ad initio des propriétés électroniques et optiques d'un système donneur-accepteur organique utilisé dans les cellules photovoltaïques

La demande croissante en énergie, soutenue par l'industrialisation des pays en développement et par la croissance démographique, ainsi que la sensibilisation de la population au développement durable ont encouragé la recherche de nouvelles sources d'énergie propre et renouvelable. Dans ce contexte, l'exploitation de l'énergie solaire à l'aide de cellules photovoltaïques pour produire de l'électricité est particulièrement intéressante, puisque cette source d'énergie est très peu employée par rapport à son plein potentiel. La production d'électricité à grande échelle à l'aide de la génération actuelle de cellules photovoltaïques, soit les cellules à base de silicium, est toutefois freinée par le coût de fabrication des dispositifs. Une nouvelle génération de cellules photovoltaïques, qui comprend les cellules photovoltaïques organiques à base de polymère, est donc en cours de développement afin de réeduire radicalement les coûts de fabrication. L'usage de polymères semiconducteurs conjugués dans ces dispositifs ouvre la voie à l'utilisation des procédés de fabrication rapide de grandes surfaces et à faibles coûts qui sont associés aux polymères. Cependant, l'efficacité de conversion d'énergie ainsi que la durée de vie des cellules photovoltaïques organiques sont présentement trop faibles pour que ces dispositifs soient rentables. Une compréhension accrue du processus photovoltaïque organique est donc nécessaire afin d'améliorer, dans un premier temps, l'efficacité de conversion d'énergie des dispositifs. Le fonctionnement des cellules photovoltaïques organiques est basé sur le transfert de charges entre un polymère donneur d'électrons et une molécule accepteur d'électrons qui permet la dissociation des excitons photogénérés. De plus, l'usage d'une région active formée d'une hétérojonction volumique entre le donneur et l'accepteur assure la dissociation de la majorité des excitons. De nombreuses études expérimentales ont démontré que l'efficacité de conversion d'énergie de ces dispositifs, qui est proportionnelle au produit du courant en court-circuit Isc et du potentiel en circuit ouvert Voc, est fortement régie par la microstructure des hétérojonctions volumiques, c'est-à-dire par l'ordre local des deux phases et par l'organisation des interfaces donneur-accepteur. Malgre que ces études aient permis d'améliorer l'efficacité des cellules photovoltaïques organiques,les liens rattachant les propriétés électroniques et optiques aux propriétés microstructurales des hétérojonctions volumiques ne sont pas encore bien établis, ce qui rend difficile l'ingénierie des cellules photovoltaïques organiques. L'objectif du projet de recherche est d'étudier théoriquement les propriétés électroniques et optiques de systèmes donneur-accepteur organiques formés de poly(3-hexylthiophène) régiorégulier (rrP3HT) et de C60, deux matériaux archétypes utilisés dans les cellules photovoltaïques organiques. Cette étude théorique, en régissant directement la microstructure et les interfaces donneur-accepteur des systèmes, permet d'explorer directement l'influence de ces paramètres sur les niveaux électroniques et les transitions optiques des hétérojonctions volumiques organiques. Les propriétés

Abstract

The search for new sources of clean and renewable energy has recently been encouraged by the growing energy demand caused by the industrialization of developing countries and by population growth. In this context, the generation of electricity through the exploitation of solar energy with photovoltaic cells is particularly interesting, since this energy source is largely unused compared to its full potential. Nevertheless, large scale electricity generation with the current design of photovoltaic cells based on silicon is hindered by the large manufacturing cost of these devices. A new generation of photovoltaic cells, which includes organic photovoltaic cells that use semiconducting polymers, is under intense development in order to significantly reduce the manufacturing costs. The replacement of conventional materials with conjugated polymers in photovoltaic cells opens the possibility of using large scale manufacturing processes to produce large-area devices at low cost. However, the power conversion efficiency and the lifetime of organic photovoltaic cells are currently too low for these devices to be cost effective. A better understanding of the organic photovoltaic process is therefore necessary to improve the power conversion efficiency of these devices. The operating principle of photovoltaic cells requires the charge transfer between a polymer acting as an electron donor and a molecule acting as an electron acceptor to enable the dissociation of photogenerated excitons into free charge carriers. Furthermore, to ensure that the majority of the photogenerated excitons dissociates, the active region of an organic photovoltaic cell is typically formed by a bulk heterojunction between the donor and the acceptor. Many experimental studies have shown that the power conversion efficiency of these devices, which is proportional to the product of their short-circuit current Isc with their open circuit potential Voc, is strongly governed by the microstructure of the bulk heterojunction defined as the local order of the two phases and the organization of the donor-acceptor interfaces. Even though these studies have helped to increase the efficiency of organic photovoltaic cells, the relations linking the microstructure of the bulk heterojonction to their electronic and optical properties are still to be established. The objective of the research project is to computationally study the electronic and optical properties of organic bulk heterojunctions composed of regioregular poly(3-hexylthiophene) (rrP3HT)and C60, two materials typically used in organic photovoltaic cells. In this study, the microstructure of the donor-acceptor systems can be directly controlled, which facilitates the systematic study of the influence of this parameter on the electronic and optical properties of the organic bulk heterojunctions. The density functional theory (DFT) is used to study the ground state geometric and electronic properties of multiple bulk heterojunction systems, while the time dependent density functional theory (TDDFT) is used to study the optical properties of these systems. The SIESTA software package is used to study periodic systems representing perfectly crystalline materials.