Analyse computationnelle de l’efficacité de la récupération lumineuse par de nouveaux matériaux organiques à base de nitrothiophène

Abstract

Dans cette étude, les propriétés structurales, électroniques et photophysiques de trois composés organiques à base de nitrothiophène ont été analysées : NTH1 et NTH2 de formule C11H7ClN2O2S et NTH3 de formule C17H10Cl2N2O3S. Les calculs théoriques ont été effectués à l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), en utilisant la méthode MPW1PW91/6-311G. Une bonne corrélation a été observée entre les paramètres géométriques calculés et ceux déterminés expérimentalement par la diffraction de rayons X. L’étude s’est ensuite concentrée sur les orbitales frontières HOMO-LUMO, le gap énergétique (Eg), l’efficacité de la récupération de la lumière (LHE) ainsi que l’énergie de liaison électron-trou (Eb). Les résultats obtenus ont montré que ces composés appartiennent à la famille des semiconducteurs organiques, capables de convertir l’énergie lumineuse en énergie électrique. Parmi eux, NTH3 a montré les meilleures performances, avec une efficacité de récupération lumineuse dépassant 73 % en présence du solvant. Cette forte capacité d’absorption lumineuse indique que NTH3 est particulièrement bien adapté pour les applications optoélectroniques, notamment dans les cellules solaires organiques. Mots-clés : semi-conducteurs organiques, nitrothiophène, DFT, orbitales frontières, récupération lumineuse. Abstract In this study, the structural, electronic, and photophysical properties of three organic compounds based on nitrothiophene were analyzed: NTH1 and NTH2 with formula C11H7ClN2O2S and NTH3 with formula C17H10Cl2N2O3S. The theoretical calculations were performed using the density functional theory (DFT), employing the MPW1PW91/6-311G method. A good correlation was observed between the calculated geometric parameters and those determined experimentally by X-ray diffraction. The study then focused on the frontier orbitals HOMO-LUMO, the energy gap (Eg), the light harvesting efficiency (LHE) as well as the electron-hole binding energy (Eb). The results obtained showed that these compounds belong to the family of organic semiconductors, capable of converting light energy into electrical energy. Among them, NTH3 showed the best performance, with a light harvesting efficiency exceeding 73% in the presence of the solvent. This high light absorption capacity indicates that NTH3 is particularly well suited for optoelectronic applications, particularly in organic solar cells. Keywords: Organic semiconductor, nitrothiophene, DFT, frontier orbitals, light harvesting efficiency الملخص في هذه الدراسة، تم تحليل الخصائص الهيكلية، اإللكترونية والضوئية الفيزيائية لثالثة مركبات عضوية قائمة على النيتروثيوفين 1NTH و 2NTH ذات الصيغة الكيميائية S2O2ClN7H11C و 3NTH ذات الصيغة الكيميائية S3O2N2Cl10H17C. تم إجراء الحسابات النظرية باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية (DFT(، و باالعتماد على طريقة G91/6-311PW1MPW. لوحظ وجود ارتباط جيد بين المعايير الهندسية المحسوبة وتلك المحددة تجريبيا . ركزت الدراسة بعد ذلك على المدارات ًعن طريق حيود األشعة السينية الجزيئية (LUMO-HOMO(، الفجوة الطاقية (Eg(، كفاءة استعادة الضوء (LHE (وكذلك طاقة ربط اإللكترون-الثقب(Eb (. أظهرت النتائج أن هذه المركبات تنتمي إلى فئة أشباه الموصالت العضوية، القادرة على تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية. من بينها، أظهر المركب 3NTH أفضل أداء، حيث تجاوزت كفاءة استعادة الضوء 73 % في وجود المذيب. تشير هذه القدرة العالية على امتصاص الضوء إلى أن 3NTH مناسب بشكل خاص للتطبيقات اإللكترونية الضوئية، وخاصة في الخاليا الشمسية العضوية. الكلمات المفتاحية: أشباه الموصالت العضوية، نيتروثيوفان، نظرية الكثافة الوظيفية، المدارات الجزيئية، كفاءة استعادة الضوء.