La diffusion des excitons dans les cristaux de molécules
La diffusion des excitons dans des cristaux ou des agrégats de molécules intervient dans beaucoup de dispositifs électroniques organiques, comme les diodes électroluminescentes et les cellules solaires. Pour atteindre un bon rendement avec des cellules solaires en matériaux organiques, les excitons doivent diffuser sur une longue distance vers une interface de donneur-accepteur, afin d'initier la séparation des charges. Ceci conduit à la génération de courant sous l'effet de la lumière. Le projet EXTMOC (Exciton transport in molecular crystals: The role of dynamic disorder) a été lancé pour concevoir un modèle théorique décrivant exactement la diffusion des excitons dans les cristaux de molécules. Son but était d'intégrer à l'approximation le déplacement des molécules sous l'effet de la chaleur (désordre dynamique). Le projet comportait plusieurs étapes: la conception d'une méthode appropriée de diabatisation pour calculer le couplage des excitons; l'évaluation des fluctuations du couplage sous l'effet des mouvements thermiques des noyaux; la modélisation théorique pour étudier la diffusion des excitons dans des régimes cohérents ou non. Les chercheurs ont montré que dans les cristaux de molécules, le couplage des excitons fluctuait largement à température normale, à cause des mouvements thermiques des noyaux. Ils ont conçu une méthode de diabatisation pour calculer le couplage des excitons entre un nombre quelconque d'états dans des paires moléculaires. Cette méthode s'appuyait sur une procédure algébrique pour trouver des états diabatiques avec des propriétés aussi proches que possible de certains états de référence. Les chercheurs ont obtenu une expression pour le taux de sauts entre des états localisés dans des polymères semi-conducteurs désordonnés, représentant les taux les plus utilisés comme cas spéciaux dans la littérature. Ces taux ne peuvent être obtenus directement à partir des théories de taux de transfert d'électrons, car il est impossible de définir des états localisés d'un point de vue diabiatique si la localisation est causée par le désordre. Ce désordre est le facteur prépondérant pour la plupart des polymères, plutôt que les effets de polarisation nucléaire. Les chercheurs ont étudié le mécanisme de génération de charges libres dans des cellules photovoltaïques organiques, à partir de paires électron-trou liées par des forces électrostatiques. Ils ont démontré que les mouvements d'origine thermique entraînent dans les cristaux de molécules une fluctuation notable du couplage des excitons entre molécules voisines (désordre dynamique). Ils ont étudié l'effet de cette fluctuation sur la dynamique des excitons, pour deux cas bien différents représentés par des cristaux d'anthracène et un dérivé d'hétéropentacène. Les découvertes du projet pourraient améliorer considérablement la conception de cellules photovoltaïques.
Mots‑clés
Exciton, diffusion, diode électroluminescente, cellule solaire, diabatisation, anthracène, hétéropentacène
