Simulations ab initio innovantes pour le photovoltaïque – PANELS

Le projet PANELS rassemble trois groupes français expert dans le développement méthodologique d’approches quantiques ab initio dans le cadre des théories de perturbations à N-corps (MBPT) et d’extensions récentes de la théorie de la fonctionnelle de la densité, avec pour objectif l’étude des propriétés électroniques, optiques et de transport des cellules photovoltaïques de seconde et troisième génération. De façon plus spécifique, il s’agit de rendre possible l’étude, par des approches ab initio innovantes, de plusieurs propriétés centrales au fonctionnement des cellules photovoltaïques « non silicium », tels que les décalages de bande et les excitations à transfert de charge aux interfaces donneur/accepteur des cellules organiques ou hybride (organique/inorganique), les mécanismes responsables de la mobilité et de la dissociation des paires électron-trou (excitons) photogénérées dans ces systèmes, la nature et les propriétés des défauts dans les films minces de quaternaires (CIGS,CZTS, etc.), et l’exploration de nouvelles molécules organiques ou agrégats semiconducteurs de type donneur ou accepteur, afin de comprendre, et potentiellement conduire à l’amélioration, des rendements quantiques. Ce projet s’appuie sur les développements importants accomplis très récemment par les partenaires et suggérant que les objectifs majeurs soulignés ci-dessus sont réalisables. De l’implémentation d’approches de type perturbation à N-corps (GW, Bethe-Salpeter) « environnées » (« embedded ») pour l’étude de systèmes complexes apériodiques, à la généralisation aux systèmes étendus d’une nouvelle approche DFT permettant une meilleure définition des orbitales et niveaux d’énergie de Kohn-Sham (« Koopmans compliant »), ce projet repose sur des objectifs méthodologiques ambitieux permettant l’étude par des approches performantes des cellules photovoltaïques innovantes dans la taille et le caractère non-périodiques constituent un défi pour les approches actuelles. En particulier, capitalisant sur le développement par un des partenaires d’un code GW/Bethe-Salpeter sur bases localisés permettant l’étude de systèmes comprenant quelques centaines d’atomes, nous souhaitons généraliser les formalismes de type « environnement effectif polarisable » discret ou continu dans le cadre spécifique des approches à N-corps perturbatives (polarisation dynamique, autocohérence explicite « à la Dyson »). En parallèle, et de façon à confronter plusieurs approches sur les mêmes systèmes et propriétés, des efforts similaires pour le traitement de systèmes étendus, en conditions périodiques ou par des techniques de milieu effectif environnant, seront conduits autour des fonctionnelles DFT « dépendent des orbitales » et visant à mieux formaliser les « niveaux d’énergie électroniques » dits de Kohn-Sham. Nous pensons que ces développements sont nécessaires afin de pouvoir étudier, au delà de la molécule unique ou du cristal parfait, et avec une précision suffisante, les propriétés électroniques, optiques ou excitoniques, des matériaux à l’œuvre dans les cellules post-silicium, tels que les systèmes organiques 3D donneur/accepteur, les cellules de Grätzel dans leur environnement ionique, ou les semiconducteurs quaternaires 3D, filaires ou en agrégat.