Étude Structurale et Modélisation des Molécules Organiques pour des Applications en Photovoltaïque.

Abstract

الملخص (بالعربية) :

تقدم الخلايا الكهروضوئية القائمة على الجزيئات العضوية بديلاً مثيرًا للاهتمام نظرًا لتكلفة إنتاجها المنخفضة وتقنيات الإستخدام التي يتعذر الوصول إليها في حالة الخلايا القائمة على المواد غير العضوية. في بحثنا هذا ، تم استخدام نظرية (DFT) في الظروف الدورية (PBC) لدراسة الخواص الهيكلية , الإلكترونية والبصرية لمركبات M @ C60 (M = Li, Na, K) وسلسلة من البولي ثيوفين ن (C4H4S) (ن = 1-11( تم الحصول على الصيغ المستقرة ذات الطاقة الدنيا لكل مركب. يُظهر التحليل الهيكلي أن الشكل الهندسي ل M@ C60 ليس كرويًا تمامًا. في ظل الظروف الدورية ، يحتفظ K و K+ فقط بمواقعهما في مركز الفوليرين ، من ناحية أخرى ينزاح كل من Li و Na من المركز بمقدار 1.53 Å و 0.89Å على التوالي. أشار تحليل Mulliken إلى أن رابطة M-C60 أيونية بحتة في حالة K و Na ، وأيونية جزئيًا في حالة .Li كل من HOCO و LUCO وطاقة Gap تم حسابها ومقارنتها مع النتائج المنشورة الأخرى. أظهرت دراسة البوليثيوفين أن أفضل بوليمر موضعي للتطبيق الكهروضوئي هو الذي يحتوي على سبع وحدات ثيوفين لأنه يحتوي على أفضل الخصائص الإلكترونية والبصرية مقارنة بالآخرين. أظهرت النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام المقاربة PBCs أن نموذج المحاكاة المستخدم في هذه الدراسة مناسب بالفعل ، فهو لا يتوافق فقط مع الطرق النظرية الأخرى ولكنه يتوافق أيضًا مع النتائج التجريبية التي تم الحصول عليها لـ C60 بالإضافة إلى ذلك ، يوفر هذا النموذج قيم Gap جديدة للمركب (M @ C60) والتي يمكن للمجتمع العلمي استخدامها لاشتقاق خصائص إلكترونية أخرى.

----------------------------------------------

Abstract :

Materials based on π-conjugated organic molecules are increasingly attracting attention for photovoltaic energy research fields.This interest is justified by their remarkable properties such as low cost and easy elaboration compared with material based on silicon. Density functional calculations in periodic boundary conditions (PBCs) were performed to investigate the structural and electronic properties of neutral and charged M@C60 (M=Li, Na or K) and a series of polythophene (C4H4S)n (n=1-11). Minimal energy structures for each compound were obtained. The structural analysis shows that the geometrical shape of the endohedral fullerenes is not perfectly spherical. In the periodic boundary conditions, only K and K+ retain their position in the center of fullerene while (Li) and (Na) are shifted from the center by 1.53Å and 0.89Å respectively. Mulliken population analysis indicated that the M-C60 bond may be purely ionic in the case of encapsulated K and Na, and partly ionic in the case of Li. For all compounds, the highest occupied cluster orbitals (HOCOs), the lowest unoccupied cluster orbitals (LUCOs) and the Gap energy were calculated and compared with literature. . The study of polythophene shows that the polymer that contains seven units of thiophene is in the best position to used in the photovoltaic applications because it has the best electronic and optical properties compared to others. The results obtained using PBCs approach show that the simulation model used in this study is indeed appropriate, it not only agrees very well with other theoretical methods but also is consistent with experimental results for C60. Furthermore, this model provide new Gap values for (M@C60) compound (M=Li, Na or K) that can be used by the scientific community for deriving other electronic properties.

----------------------------------------------

Résumé: Les cellules photovoltaïques à base de molécules organiques offrent une alternative intéressante en raison de leur faible coût de production et des techniques de mise en œuvre qui sont inaccessibles pour les cellules à base de matériaux inorganiques. Dans notre travail de thèse, la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) a été utilisée dans les conditions périodiques aux limites (PBC) pour étudier les propriétés structurales, électroniques et optiques des endofullerènes M@C60 (M = Li, Na ou K) et d’une série de polythiophènes (C4H4S)n (n=1-11).

Des structures énergétiques minimales pour chaque composé ont été obtenues. L'analyse structurale montre que la forme géométrique des endofullerènes n'est pas parfaitement sphérique. Dans les conditions périodiques aux limites, seuls K et K+ conservent leurs positions au centre du fullerène par contre Li et Na sont décalés du centre de 1,53Å et 0,8Å respectivement. L'analyse de la population Mulliken a indiqué que la liaison M-C60 est purement ionique dans le cas de K et Na, et partiellement ionique dans le cas de Li. Les orbitales HOCO, LUCO et l'énergie de Gap des composés étudiés ont été calculées et comparées avec d'autres résultats publiés. L’étude de polythiophène montre que le polymère le mieux placé pour une application en photovoltaïque est celui qui contient sept unités de thiophène car il présente les meilleures propriétés électroniques et optiques par rapport aux autres. Les résultats obtenus en utilisant l'approche PBCs montrent que le modèle de simulation utilisé dans cette étude est en effet approprié, il est non seulement en accord avec d'autres méthodes théoriques mais également cohérent avec les résultats expérimentaux obtenus pour le C60. De plus, ce modèle fournit de nouvelles valeurs de Gap pour le composé (M@C60) (M = Li, Na ou K) qui peuvent être utilisées par la communauté scientifique pour dériver d'autres propriétés électroniques.