Calculs ab initio de structures

175 Pages·2014·7.39 MB·English

Université de Montréal
Calculs ab initio de structures électroniques pour un meilleur design de polymères
photovoltaïques
par
Nicolas Bérubé
Département de physique
Faculté des arts et des sciences
Thèse présentée à la Faculté des études supérieures
en vue de l’obtention du grade de Philosophiæ Doctor (Ph.D.)
en physique
Avril, 2014
⃝c Nicolas Bérubé, 2014.
Université de Montréal
Faculté des études supérieures
Cette thèse intitulée:
Calculs ab initio de structures électroniques pour un meilleur design de polymères
photovoltaïques
présentée par:
Nicolas Bérubé
a été évaluée par un jury composé des personnes suivantes:
Carlos Silva, président-rapporteur
Michel Côté, directeur de recherche
William Skene, membre du jury
Johannes Hachmann, examinateur externe
Christian Pellerin, représentant du doyen de la FES
Thèse acceptée le: 11 avril 2014
RÉSUMÉ
La présente thèse porte sur l’utilité de la théorie de la fonctionnelle de la densité dans
le design de polymères pour applications photovoltaïques.
L’étude porte d’abord sur le rôle des calculs théoriques pour la caractérisation des
polymères dans le cadre de collaborations entre la théorie et l’expérience. La stabilité 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’exploration de l’espace moléculaire et plusieurs candidats de polymères aux propriétés
électroniques intéressantes sont présentés.
Mots clés:Photovoltaïque, polymères, matériaux organiques, structure électro-
nique, calculs ab initio, théorie de la fonctionnelle de la densité.
ABSTRACT
This thesis focuses on the role of density functional theory in the design of polymers
for photovoltaic applications.
Theoretical calculations are first studied in the characterization of polymers in the
context of collaborations between theory and experiment. The stability and the energy
levels of some organic molecules are studied before and after a sulfurization of their car-
bonyl groups, a process destined to lower the band gaps. The dynamics of the electronic
processes and the Raman vibration spectra are also explored in a polycarbazole-based
polymer.
From then, the usefulness of theoretical calculations in the design of polymers before
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
structures is established, whose efficiency surpasses the actual donor-acceptor approach.
These studies are used in the exploration of the chemical space and several candidate for
polymers with interesting electronic properties are presented.
Keywords: Photovoltaics, polymers, organic materials, electronic structure, ab
initio calculations, density functional theory.
TABLE DES MATIÈRES
RÉSUMÉ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
TABLE DES MATIÈRES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
LISTE DES TABLEAUX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
LISTE DES FIGURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
REMERCIEMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
CHAPITRE 1: INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
CHAPITRE 2: SULFURATION DU DIKETOPYRROLOPYRROLE . . . 11
2.1 Mise en contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Experimental and Theoretical Methods . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
CHAPITRE 3: DYNAMIQUE ÉLECTRONIQUE DU POLYCARBAZOLE 31
3.1 Mise en contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Article : Direct Observation of Ultrafast Long-range Charge Separation
at Polymer:fullerene Heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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
CHAPITRE 4: THÉORIE DE LA FONCTIONNELLE DE LA DENSITÉ
DANS LE MODÈLE DE SCHARBER . . . . . . . . . . . 57
4.1 Mise en contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 Article : Designing Polymers for Photovoltaic Applications Using ab
Initio Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
CHAPITRE 5: DESIGN DE POLYMÈRES SELON L’APPROCHE
QUINOIDE-AROMATIQUE . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.1 Mise en contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Article : Low Band Gap Polymers Design Approach Based on a Mix of
Aromatic and Quinoid Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.2.2 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.2.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
CHAPITRE 6: CONCLUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
BIBLIOGRAPHIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
ANNEXE I: SUPPLEMENTARY INFORMATION FOR DIRECT OB-
SERVATION OF ULTRAFAST LONG-RANGE CHARGE
SEPARATION AT POLYMER:FULLERENE HETERO-
JUNCTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi