Ab initio molecular dynamics modelling of excitonic transport and thermal transport in organic semiconductors for energy harvesting
Modélisation par dynamique moléculaire ab initio du transport des excitons et du transport thermique dans les semiconducteurs organiques pour la collecte d'énergie
Résumé
The exciton plays a central role in the functioning of organic solar cells (OSCs). Understanding its dynamics in organic semiconductors is essential, particularly to optimize the diffusion length, a key property for the performance of planar heterojunctions, which are considered as a potentially more stable alternative to bulk heterojunctions (BHJ) in certain contexts. In the first part of this thesis, we developed a robust and versatile methodological approach to evaluate the exciton diffusion length in organic semiconductors. This method, based on AIMD-ROKS, was successfully validated for the P3HT polymer. It was also applied to the NFA O-IDTBR acceptor, revealing promising diffusion lengths, though still insufficient for planar heterojunctions. The second part of the thesis explores heat transfer in organic semiconductors, a crucial element for the performance of thermoelectric devices. These studies focused on P3HT, a material used in thermoelectricity. First, the thermal conductivity within P3HT chains was studied, revealing the influence of polymer chain length. Then, heat transfers between these chains were also examined.
L'exciton joue un rôle clé dans le fonctionnement des cellules solaires organiques (OSCs). Comprendre sa dynamique dans les semiconducteurs organiques est essentiel, notamment pour améliorer la longueur de diffusion, une propriété déterminante pour la performance des hétérojonctions planaires, envisagées comme une alternative plus stable aux hétérojonctions en volume (BHJ). Dans la première partie de cette thèse, nous avons développé une approche méthodologique robuste et polyvalente pour évaluer la longueur de diffusion de l'exciton dans les semiconducteurs organiques. Cette approche, basée sur AIMD-ROKS, a été validée avec succès dans le cas du polymère P3HT. Elle a également été appliquée à l'accepteur NFA O-IDTBR, révélant des longueurs de diffusion prometteuses, mais encore insuffisantes pour les hétérojonctions planaires. Dans la deuxième partie de la thèse, le transfert de chaleur dans les semiconducteurs organiques a été exploré, élément crucial pour la performance des dispositifs thermoélectriques. Ces études se sont concentrées sur le P3HT, un matériau utilisé en thermoélectricité. Dans un premier temps, la conductivité thermique au sein des chaînes de P3HT a été étudiée, révélant l'influence de la longueur des chaînes de polymère. Ensuite, les transferts de chaleur entre ces chaînes ont également été examinés.
Mots clés
Exciton dynamics
Organic semiconductor
Singlet excited state
Ab initio molecular dynamics (AIMD)
Restricted Open-Shell Kohn-Sham (ROKS)
Electronic structure
Exciton diffusion length
Exciton lifetime
Exciton diffusion coefficient
P3HT polymer
Non-fullerene acceptor (NFA)
O-IDTBR
Thermal conductivity
Interfacial thermal conductance
Organic photovoltaic (OPV)
Approach-to-equilibrium molecular dynamics (AEMD)
Dynamique de l’exciton
Semiconducteur organique
État excité singulet
Dynamique moléculaire ab intio (AIMD)
Restricted Open-Shell Kohn-Sham (ROKS)
Structure électronique
Longueur de diffusion de l’exciton
Temps de vie de l’exciton
Coefficient de diffusion de l’exciton
Polymère P3HT
Accepteur non-fullerène (NFA)
O-IDTBR
Conductivité thermique
Conductance thermique d’interface
Photovoltaïque organique (OPV)
Dynamique moléculaire d’approche à l’équilibre (AEMD)
Domaines
Physique [physics]| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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