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