Calculs ab initio de structures

175 Pages·2014·7.39 MB·French

UniversitédeMontréal
Calculsabinitiodestructuresélectroniquespourunmeilleurdesigndepolymères
photovoltaïques
par
NicolasBérubé
Départementdephysique
Facultédesartsetdessciences
ThèseprésentéeàlaFacultédesétudessupérieures
envuedel’obtentiondugradedePhilosophiæDoctor(Ph.D.)
enphysique
Avril,2014
c NicolasBérubé,2014.
(cid:13)

UniversitédeMontréal
Facultédesétudessupérieures
Cettethèseintitulée:
Calculsabinitiodestructuresélectroniquespourunmeilleurdesigndepolymères
photovoltaïques
présentéepar:
NicolasBérubé
aétéévaluéeparunjurycomposédespersonnessuivantes:
CarlosSilva, président-rapporteur
MichelCôté, directeurderecherche
WilliamSkene, membredujury
JohannesHachmann, examinateurexterne
ChristianPellerin, représentantdudoyendelaFES
Thèseacceptéele:11avril2014

RÉSUMÉ
Laprésentethèseportesurl’utilitédelathéoriedelafonctionnelledeladensitédans
ledesigndepolymèrespourapplicationsphotovoltaïques.
L’étude porte d’abord sur le rôle des calculs théoriques pour la caractérisation des
polymèresdans lecadre decollaborationsentre lathéorieet l’expérience.Lastabilité et
les niveaux énergétiques de certaines molécules organiques sont étudiés avant et après
la sulfuration de leurs groupements carbonyles, un procédé destiné à diminuer le band
gap. Les propriétés de dynamique électronique, de séparation des porteurs de charges et
de spectres de vibrations Raman sont également explorées dans un polymère à base de
polycarbazole.
Par la suite, l’utilité des calculs théoriques dans le design de polymères avant leurs
synthèses est considérée. La théorie de la fonctionnelle de la densité est étudiée dans
le cadre du modèle de Scharber afin de prédire l’efficacité des cellules solaires orga-
niques. Une nouvelle méthode de design de polymères à faible band gaps, basée sur
la forme structurale aromatique ou quinoide est également présentée, dont l’efficacité
surpasse l’approche actuelle de donneur-accepteur. Ces études sont mises à profit dans
l’explorationdel’espacemoléculaireetplusieurscandidatsdepolymèresauxpropriétés
électroniquesintéressantessontprésentés.
Mots clés:Photovoltaïque, polymères, matériaux organiques, structure électro-
nique,calculsabinitio,théoriedelafonctionnelledeladensité.

ABSTRACT
Thisthesisfocusesontheroleofdensityfunctionaltheoryinthedesignofpolymers
forphotovoltaicapplications.
Theoretical calculations are first studied in the characterization of polymers in the
context of collaborations between theory and experiment. The stability and the energy
levelsofsomeorganicmoleculesarestudiedbeforeandafterasulfurizationoftheircar-
bonylgroups,aprocessdestinedtolowerthebandgaps. Thedynamicsoftheelectronic
processes and the Raman vibration spectra are also explored in a polycarbazole-based
polymer.
Fromthen,theusefulnessoftheoreticalcalculationsinthedesignofpolymersbefore
their syntheses is explored. Density functional theory calculations are studied under the
Scharber model in order to predict the efficiency of organic solar cells. Then, a new
approach for the design of low band gap polymer based on the aromatic or quinoid
structuresisestablished,whoseefficiencysurpassestheactualdonor-acceptorapproach.
Thesestudiesareusedintheexplorationofthechemicalspaceandseveralcandidatefor
polymerswithinterestingelectronicpropertiesarepresented.
Keywords: Photovoltaics, polymers, organic materials, electronic structure, ab
initiocalculations,densityfunctionaltheory.

TABLEDESMATIÈRES
RÉSUMÉ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
TABLEDESMATIÈRES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
LISTEDESTABLEAUX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
LISTEDESFIGURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
REMERCIEMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
CHAPITRE1: INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
CHAPITRE2: SULFURATIONDUDIKETOPYRROLOPYRROLE . . . 11
2.1 Miseencontexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Article : Thiocarbonyl Substitution in 1,4-Dithioketopyrrolopyrrole and
Thienopyrroledithione Derivatives: An Experimental and Theoretical
Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.2 ExperimentalandTheoreticalMethods . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.3 ResultsandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
CHAPITRE3: DYNAMIQUEÉLECTRONIQUEDUPOLYCARBAZOLE 31
3.1 Miseencontexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Article : Direct Observation of Ultrafast Long-range Charge Separation
atPolymer:fullereneHeterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
x
3.2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.5 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
CHAPITRE4: THÉORIE DE LA FONCTIONNELLE DE LA DENSITÉ
DANSLEMODÈLEDESCHARBER . . . . . . . . . . . 57
4.1 Miseencontexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 Article : Designing Polymers for Photovoltaic Applications Using ab
InitioCalculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.3 Resultsanddiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
CHAPITRE5: DESIGN DE POLYMÈRES SELON L’APPROCHE
QUINOIDE-AROMATIQUE . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.1 Miseencontexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Article : Low Band Gap Polymers Design Approach Based on a Mix of
AromaticandQuinoidStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.3 Resultsanddiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
CHAPITRE6: CONCLUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
BIBLIOGRAPHIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
ANNEXEI: SUPPLEMENTARY INFORMATION FOR DIRECT OB-
SERVATION OF ULTRAFAST LONG-RANGE CHARGE
SEPARATION AT POLYMER:FULLERENE HETERO-
JUNCTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi