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Ce projet est co-financé par l'European Regional Development Fund (ERDF)Dieses Projekt wurde von der Europäischen Union kofinanziert – Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)
Dépasser les frontières : projet après projet.Der Oberrhein wächst zusammen, mit jedem Projekt.
RH(E)IN-SOLAR
Material Developments for OPV
Thomas HEISER
Ce projet est co-financé par l'European Regional Development Fund (ERDF).Dieses Projekt wurde von der Europäischen Union kofinanziert – Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).
Dépasser les frontières : projet après projet.Der Oberrhein wächst zusammen, mit jedem Projekt.
Rh(e)in-solar consortium
From molecular synthesis to roll-to-roll processing of OPV modulesFrom molecular synthesis to roll-to-roll processing of OPV modules
Ce projet est co-financé par l'European Regional Development Fund (ERDF).Dieses Projekt wurde von der Europäischen Union kofinanziert – Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).
Dépasser les frontières : projet après projet.Der Oberrhein wächst zusammen, mit jedem Projekt.
Materials for Organic Solar Cells
Materials investigated withinRhein-Solar
< 1
µm<
1 µm
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Active layer target properties
Active layerActive layer Light harvesting : Energy Bandgap Light harvesting : Energy Bandgap
Si solar cell*
€
EgSi=1.12 eV
*O. Semonin (DOI: 10.1117/2.1201203.004146)
Ce projet est co-financé par l'European Regional Development Fund (ERDF).Dieses Projekt wurde von der Europäischen Union kofinanziert – Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).
Dépasser les frontières : projet après projet.Der Oberrhein wächst zusammen, mit jedem Projekt.
Active layerActive layer Light harvesting : Energy Bandgap Light harvesting : Energy Bandgap
Si solar cell*
€
EgSi=1.12 eV
*O. Semonin (DOI: 10.1117/2.1201203.004146)
Shockley-Queisser limit
Target Eg : 1 – 1,5 eVTarget Eg : 1 – 1,5 eV
Active layer target properties
Target zone
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Active layerActive layer Light harvesting : Donor-Acceptor Interface Light harvesting : Donor-Acceptor Interface
*E. Verploegen Adv.Fun.Mat 2010
Interface Energetics andD & A domain morphologyare critical for charge generation and transport
Interface Energetics andD & A domain morphologyare critical for charge generation and transport
drives charge generation(exciton dissociation)
Active layer target properties
Ce projet est co-financé par l'European Regional Development Fund (ERDF).Dieses Projekt wurde von der Europäischen Union kofinanziert – Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).
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Active layerActive layer Power conversion efficiency : Effective bandgap Power conversion efficiency : Effective bandgap
*
* G. Dennler et al. Adv. Mat. 2009
€
Egeff
Minimum ΔELUMO,HOMO 0.3 eV≃VOC with Eg
eff Minimum ΔELUMO,HOMO 0.3 eV≃VOC with Eg
eff
*
Active layer target properties
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Active layerActive layer
* G. Dennler et al. Adv. Mat. 2009
€
Egeff
Theoretical conversion efficiency
Efficiencies above 10% are possible
Efficiencies above 10% are possible
*
Power conversion efficiency : perspectives Power conversion efficiency : perspectives
Active layer target properties
FF: 65%EQE: 65%
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Active layerActive layer Chemical stability in air : Ionisation potential Chemical stability in air : Ionisation potential
No oxydation in air if HOMO level
below - 5 eV
No oxydation in air if HOMO level
below - 5 eV
€
Egeff
Active layer target properties
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Active layerActive layer Thermal stability : D/A morphology Thermal stability : D/A morphology
Macrophase separation reduces D/A interface and needs to be avoided
Macrophase separation reduces D/A interface and needs to be avoided
Active layer target properties
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Active layerActive layer Target electronic and physical properties Target electronic and physical properties
Bandgap between 1 and 1.5 eV
D/A couple with highest effective band-gap and driving force for exciton dissociation
D material with ionisation potential above 5 eV
Optimal and thermally stable nano-morphology
Good charge transport
Bandgap between 1 and 1.5 eV
D/A couple with highest effective band-gap and driving force for exciton dissociation
D material with ionisation potential above 5 eV
Optimal and thermally stable nano-morphology
Good charge transport
Active layer target properties
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Materials developed within Rh(e)in-Solar
Active layerActive layer Material categories Material categories
I. Low-bandgap electron donor polymers
I. Electron donor molecular dyes
I. D-A co-oligomers for single-component devices
I. Low-bandgap electron donor polymers
I. Electron donor molecular dyes
I. D-A co-oligomers for single-component devices
Energy level engineering
Morphology control
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Materials developed within Rh(e)in-Solar
Active layerActive layer
Method :Method :
: electron rich unit controls HOMO level
: electron poor unit controls LUMO level
aa aa aa dddd dd
LUMO
HOMO
d-a copolymers
Allows controlled HOMO/LUMO level engineeringAllows controlled HOMO/LUMO level engineering
I. Low bandgap electron-donor polymersI. Low bandgap electron-donor polymersL. Biniek ,C. Chochos, N. Leclerc // P. Lévêque, R. Bechara, S. Fall, T. Heiser //D. Anokhin, D. Ivanov
aa
dd
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Materials developed within Rh(e)in-Solar
Active layerActive layer
Recent example :Recent example :
ddaa
R
L. Biniek et al. Macromolecules 2010, 43, 9779
I. Low bandgap electron-donor polymersI. Low bandgap electron-donor polymers
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Materials developed within Rh(e)in-Solar
Active layerActive layer
Best performance ⬍Optimum combination of key parameters
I. Low bandgap electron-donor polymersI. Low bandgap electron-donor polymers
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Materials developed within Rh(e)in-Solar
Active layerActive layer
Eg = 1.6eVHOMO = -5,04 eVVoc=0.66VMeasured PCE : 3,7%Theor. PCE : 5-6%
Eg = 1.6eVHOMO = -5,04 eVVoc=0.66VMeasured PCE : 3,7%Theor. PCE : 5-6%
L. Biniek et al. Org. Electronics 13(2012)114
I. Low bandgap electron-donor polymersI. Low bandgap electron-donor polymers
D
A
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Materials developed within Rh(e)in-Solar
Active layerActive layer
Recent example:Recent example: Soluble Bodipy-based molecular semiconductors
Variable alkyl substituants Variable substituants Variable building blocks
Very high extinction coefficientChemically stableFast synthesisLow Energy-gap Easy functionalization
Very high extinction coefficientChemically stableFast synthesisLow Energy-gap Easy functionalization
II. Electron-donor molecular dyesII. Electron-donor molecular dyes
T. Bura et al. JACS 2012
T. Bura, S. Rihn, A. Mirloup, R. Ziessel // N. Leclerc // P. Lévêque, R. Bechara, S. Fall, T. Heiser
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Materials developed within Rh(e)in-Solar
Active layerActive layer II. Electron-donor molecular dyesII. Electron-donor molecular dyes
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Materials developed within Rh(e)in-Solar
Active layerActive layer
TB2
TB1
II. Electron-donor molecular dyesII. Electron-donor molecular dyes
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Materials developed within Rh(e)in-Solar
Active layerActive layer
TB2TB2
Voc=0.7VMeasured PCE : 4,7%
Eg = 1.45eVHOMO = -5,3 eVΔLUMO = 0,25 eV
Voc=0.7VMeasured PCE : 4,7%
Eg = 1.45eVHOMO = -5,3 eVΔLUMO = 0,25 eV
Further improvement possible
II. Electron-donor molecular dyesII. Electron-donor molecular dyes
TB2/PCBM
Theoretical PCE : 10 % !
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Materials developed within Rh(e)in-Solar
Active layerActive layer III. D-A cooligomers for monocomponent devicesIII. D-A cooligomers for monocomponent devices
ConceptConcept
A D D
2-20 nm
~ 100 nm
D A
D-A dyad or D-A-D triadLiquid cristalline
Self-assembled nano-structured single-component thin films
Self-assembled nano-structured single-component thin films
P.O. Schwartz, S. Mery // H. Zarabova, N. Leclerc //L. Biniek, M. Brinkmann // T. Roland,A. Cheminal, S. Haacke//
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Materials developed within Rh(e)in-Solar
Active layerActive layer
First resultsFirst results
efficient exciton dissociation into CT stateCT lifetime control by molecular engineering
(proof of principle)
III. D-A cooligomers for monocomponent devicesIII. D-A cooligomers for monocomponent devices
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Materials developed within Rh(e)in-Solar
Photo-inactive materials Photo-inactive materials
A. Dinia
J. L. Rehspringer
W. Siefert
Ce projet est co-financé par l'European Regional Development Fund (ERDF).Dieses Projekt wurde von der Europäischen Union kofinanziert – Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).
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Acknowledgments
ChemistryChemistry
Laure Biniek , Christos Chochos, Helena Zarabova, Nicolas LeclercThomas Bura, Sandra Rihn, Antoine Mirloup, Raymond ZiesselPierre-Olivier Schwartz, Stephane Mery
Patrick Lévêque, Rony BecharaMarkus KohlstaedtTon Offermans
CharacterizationCharacterization
Martin Brinkmann Denis Anokhin, Dimitri IvanovThomas Roland, Alexandre Cheminal, Stefan HaackeSadiara Fall
DevicesDevices
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Dépasser les frontières : projet après projet.Der Oberrhein wächst zusammen, mit jedem Projekt.
![SOUTIEN ET CAPITALIS ATION DU PROGRAMME DE … · 2019-07-20 · [Type here] Cette activité/ ce produit a été financé(e) par l’Union euopéenne pa le iais du pog amme de soutient](https://img.pdfslide.org/doc/110x75/5ecfb2932be48a0de54ed066/soutien-et-capitalis-ation-du-programme-de-2019-07-20-type-here-cette-activit.jpg)
