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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.

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1 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

2 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 Material Synthesis Advanced Characterisation & Modelling Solar cells and modules From molecular synthesis to roll-to-roll processing of OPV modules

3 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 within Rhein-Solar < 1 µm

4 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 layer target properties Active layer Light harvesting : Energy Bandgap Si solar cell * *O. Semonin (DOI: / )

5 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 layer Light harvesting : Energy Bandgap Si solar cell * *O. Semonin (DOI: / ) Shockley-Queisser limit Target E g : 1 – 1,5 eV Active layer target properties Target zone

6 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 layer Light harvesting : Donor-Acceptor Interface *E. Verploegen Adv.Fun.Mat 2010 Interface Energetics and D & A domain morphology are critical for charge generation and transport Interface Energetics and D & A domain morphology are critical for charge generation and transport drives charge generation (exciton dissociation) Active layer target properties

7 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 layer Power conversion efficiency : Effective bandgap * * G. Dennler et al. Adv. Mat Minimum ΔE LUMO,HOMO 0.3 eV V OC with E g eff Minimum ΔE LUMO,HOMO 0.3 eV V OC with E g eff * Active layer target properties

8 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 layer * G. Dennler et al. Adv. Mat Theoretical conversion efficiency Efficiencies above 10% are possible Efficiencies above 10% are possible * Power conversion efficiency : perspectives Active layer target properties FF: 65% EQE: 65%

9 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 layer Chemical stability in air : Ionisation potential No oxydation in air if HOMO level below - 5 eV Active layer target properties

10 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 layer Thermal stability : D/A morphology Macrophase separation reduces D/A interface and needs to be avoided Active layer target properties

11 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 layer 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

12 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 developed within Rh(e)in-Solar Active layer 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

13 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 developed within Rh(e)in-Solar Active layer Method : : electron rich unit controls HOMO level : electron poor unit controls LUMO level a a a a a a d d d d d d LUMO HOMO d-a copolymers Allows controlled HOMO/LUMO level engineering I. Low bandgap electron-donor polymers L. Biniek,C. Chochos, N. Leclerc // P. Lévêque, R. Bechara, S. Fall, T. Heiser // D. Anokhin, D. Ivanov a a d d

14 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 developed within Rh(e)in-Solar Active layer Recent example : d d a a R L. Biniek et al. Macromolecules 2010, 43, 9779 I. Low bandgap electron-donor polymers

15 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 developed within Rh(e)in-Solar Active layer Best performance Optimum combination of key parameters I. Low bandgap electron-donor polymers

16 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 developed within Rh(e)in-Solar Active layer E g = 1.6eV HOMO = -5,04 eV V oc =0.66V Measured PCE : 3,7% Theor. PCE : 5-6% E g = 1.6eV HOMO = -5,04 eV V oc =0.66V Measured PCE : 3,7% Theor. PCE : 5-6% L. Biniek et al. Org. Electronics 13(2012)114 I. Low bandgap electron-donor polymers D A

17 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 developed within Rh(e)in-Solar Active layer Recent example: Soluble Bodipy-based molecular semiconductors Variable alkyl substituants Variable substituants Variable building blocks Very high extinction coefficient Chemically stable Fast synthesis Low Energy-gap Easy functionalization Very high extinction coefficient Chemically stable Fast synthesis Low Energy-gap Easy functionalization II. 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

18 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 developed within Rh(e)in-Solar Active layer II. Electron-donor molecular dyes

19 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 developed within Rh(e)in-Solar Active layer TB2 TB1 II. Electron-donor molecular dyes

20 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 developed within Rh(e)in-Solar Active layer TB2 V oc =0.7V Measured PCE : 4,7% E g = 1.45eV HOMO = -5,3 eV ΔLUMO = 0,25 eV V oc =0.7V Measured PCE : 4,7% E g = 1.45eV HOMO = -5,3 eV ΔLUMO = 0,25 eV Further improvement possible II. Electron-donor molecular dyes TB2/PCBM Theoretical PCE : 10 % !

21 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 developed within Rh(e)in-Solar Active layer III. D-A cooligomers for monocomponent devices Concept AD D 2-20 nm ~ 100 nm DA D-A dyadorD-A-D triad Liquid cristalline 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//

22 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 developed within Rh(e)in-Solar Active layer First results efficient exciton dissociation into CT state CT lifetime control by molecular engineering (proof of principle) III. D-A cooligomers for monocomponent devices

23 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 developed within Rh(e)in-Solar Photo-inactive materials A. Dinia J. L. Rehspringer W. Siefert

24 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. Acknowledgments Chemistry Laure Biniek, Christos Chochos, Helena Zarabova, Nicolas Leclerc Thomas Bura, Sandra Rihn, Antoine Mirloup, Raymond Ziessel Pierre-Olivier Schwartz, Stephane Mery Patrick Lévêque, Rony Bechara Markus Kohlstaedt Ton Offermans Characterization Martin Brinkmann Denis Anokhin, Dimitri Ivanov Thomas Roland, Alexandre Cheminal, Stefan Haacke Sadiara Fall Devices

25 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.


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