FOM - 13.0414
Voortgangsverslag 2012 FOM-programma nr. 130 'Next generation organic photovoltaics'
Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie www.fom.nl
mei 2013
Inhoudsopgave Woord vooraf van de programmaleider ..................................................................................................... 2 Hoogtepunt uit het FOM Jaarboek 2012...................................................................................................... 3 Fact sheet per 1 januari 2013 ......................................................................................................................... 4 Historisch kwantitatief overzicht van input en output ............................................................................. 6 Promoties ......................................................................................................................................................... 6 Personele bezetting in 2012 ........................................................................................................................... 7 Output 2012 ..................................................................................................................................................... 8 Werkgroep FOM-G-23 ................................................................................................................................... 8 Bijlage bij de outputgegevens ..................................................................................................................... 12
-1-
Woord vooraf van de programmaleider Het programma 'Next generation organic photovoltaics' begint nu echt op st(r)oom te komen. Met inmiddels vijf oio's, aangevuld met een RUG aio en enkele MSc en BSc studenten die hun onderzoek onder begeleiding van de promovendi doen begint het onderzoek duidelijk vorm en inhoud te krijgen. De start van het programma was een grote uitdaging omdat er een brug geslagen moest worden tussen de moleculaire chemie en de vaste stof fysica om tot een gezamenlijk inzicht te komen op basis waarvan de onderzoeksaanpak op dagelijks niveau vorm en inhoud kon krijgen. Om dit te bereiken hebben we, naast de gebruikelijke gezamenlijke bijeenkomsten waarop een onderzoeker over het onderzoek bericht, brainstormsessies gehouden waar alleen de stafleden aan deelnamen. Dat laatste is vrij ongebruikelijk, maar bleek buitengewoon zinvol en vruchtbaar. Het resultaat van onze aanpak is dat er nu vanuit heel verschillende invalshoeken simultaan en zeer samenhangend gewerkt wordt aan het ontwerp en de ontwikkeling van nieuwe organische materialen. Het onderzoek is nu gefocust op de ontwikkeling van bestaande typen organische materialen, maar dan van een veel hogere kwaliteit, en van nieuwe organische materialen met een hogere relatieve diëlektrische constante εr. Het is nog vroeg om te juichen, maar op verscheidene elementen van het εr onderzoek wordt inmiddels goede vooruitgang geboekt. Dat gaat van theoretisch chemische berekeningen (zie highlight) tot het bepalen van εr van de eerste reeksen nieuw ontwikkelde moleculaire materialen. Het voornemen, zoals beschreven in het voorstel, om te komen tot terugkoppeling vanuit de devicefysica naar de synthetisch chemici en de theoretici blijkt heel vruchtbaar. Dit heeft inmiddels geleid tot het ontwerpen van een tweede generatie materialen die inderdaad verbeterde eigenschappen blijken te hebben. Het team ervaart deze zeer brede en symbiotische aanpak van materialenonderzoek als heel bijzonder, zeer leerzaam en heel positief. Hiermee is de meerwaarde van dit programma op dit moment, ten opzichte van een meer standaard formaat FOM-project, goed weergegeven. Het programma als geheel ligt op schema. De opbouw van het onderzoeksteam is tot nu toe goed verlopen, met uitsluitend vertraging op het onderdeel spectroscopie en hybride materialen. Op dit moment wordt (weer) geworven voor die oio positie. Die vertraging heeft geen probleem opgeleverd voor het programma. De procedure voor invulling van de vacante positie device fysica ('opvolging' Paul Blom) loopt op dit moment. Naar verwachting zal deze procedure voor de zomer afgerond kunnen worden. In de matchingsfeer is één door de faculteit FWN en één door het Zernike instituut gefinancierde aio aangesteld. Jan Anton Koster haalde als 'matching' een Shell/FOM-project binnen. Verder lopen er enkele potentieel matchende aanvragen, waaronder een in de EU. De eerste van de serie van door het CvB bekostigde vijf internationale conferenties 'Next Generation organic Photovoltaics' zal in Groningen plaatsvinden op 2-5 juni 2013. Het programma wordt tot nu toe volgens plan ingevuld en uitgevoerd, zonder noemenswaardige veranderingen qua karakter of onderwerp. We verwachten in het komende jaar een sterke toename van experimenten met de binnen het team ontwikkelde nieuwe organische materialen. De idee van organische (opto)elektronische materialen met een hogere diëlektrische constante en het grote nut daarvan in (o.a.) moleculaire fotovoltaïca hebben we wetenschappelijk fundament gegeven in een publicatie in 2012 in Advanced Energy Materials. Daarnaast hebben we dit idee veelvuldig uitgedragen op conferenties.
-2-
Hoogtepunt uit het FOM Jaarboek 2012
-3-
Fact sheet per 1 januari 2013 FOM - 11.0411/2 datum: 01-01-2013 APPROVED FOM PROGRAMME Number
130.
Title (code)
Next generation organic photovoltaics (NGOPV)
Executive organisational unit
BUW
Programme management
Prof.dr. J.C. Hummelen
Duration
2011 - 2021
Cost estimate
M€ 5.2 (FOM part)
Concise programme description a. Objectives The Focus Group Next generation organic photovoltaics will work on enabling and realizing the next generation of Organic Photovoltaics (OPV) through the development of OPV science. It is based on a multidisciplinary approach where physics, photophysics, device physics, organic chemistry, material science, and theoretical modeling are combined synergistically. The goal of the research programme is to enable PV technologies within the next 10 years that lead to mass production that fits in the accepted roadmap for solar technology. Performance targets are: green technology, >15% efficiency, >20 years lifetime, < 0.25€/Wp. b. Background, relevance and implementation Solution-processed OPV cells are promising low-cost alternatives to conventional silicon-based PV devices. The fabrication of these devices by processing the photoactive layer from solution is the key advantage, enabling cheap, flexible, large-area PV technologies. In the last few years the design and synthesis of new p-type polymers has dramatically improved the power conversion efficiency, presently reaching 8,3% (in laboratory-scale experiments). At the heart of an OPV device is the interface between the donor and acceptor, where light is converted to free charges, and where the biggest challenges lie. Several basic questions about the mechanism of photoinduced charge-separation across this interface have remained unanswered, largely because the physical phenomena cannot be studied without the close collaboration of materials chemists and device physicists; OPV is truly a multi-disciplinary challenge. Thus, it is through the close collaboration of the three lines of research - theoretical aspects & modeling, physical characterization & device physics, and material development - that this elusive and challenging problem will be tackled and that a complete physical understanding of the microscopic details of charge-separation will be realized. The key to this programme's approach that will convert the fundamental physics into deliverable innovations in OPV is to address a fundamental difference between inorganic and organic materials: dielectric properties. The high dielectric constant of inorganic materials screens charges, facilitating their spatial separation after the absorption of light. Organic materials for OPV have thus far almost exclusively used hydrocarbon chains, leading to low dielectric constants and tightly-bound charges. This programme blends the discovery of the underlying physics of charge-
-4-
separation with a radical change in thinking about the materials that is based on simple and wellunderstood principles. Understanding how dipoles interact to influence the local environment at the nanostructured interfaces between two organic materials is a challenging theoretical problem. Measuring it is a challenging physics problem. Designing the materials is a challenging chemistry problem. Translating these gains at the chargeseparation interface into external efficiency is a multidisciplinary problem rooted in device physics. A natural outcome of moving away from low-dielectric materials are new materials that are less hydrophobic and can be processed from renewable solvents such as methanol. This move towards 'green' materials for OPV is as important for the long-term impact of OPV technology as efficiency. It brings down the costs associated with scaling and technology transfer and truly sets OPV apart from other technologies as a sustainable means to generate electricity. Implementation of the scientific results takes place through collaboration with national knowledge institutes (Holst Centre, ECN) for upscaling of OPV fabrication and with the leading OPV industries towards mass production. Funding salarispeil cao per 01-07-2012 bedragen in k€
< 2012
2013
2014
2015
2016
2017
> 2018
Totaal
FOM-basisexploitatie
672
448
580
519
326
458
1.801
4.804
FOM-basisinvesteringen
173
153
20
20
20
20
-
406
Doelsubsidies NWO
-
-
-
-
-
-
-
-
Doelsubsidies derden
-
-
-
-
-
-
-
-
845
601
600
539
346
478
1.801
5.210
Totaal
The contribution of the RUG to the focus group is k€ 4.057 in kind (specified in the original proposal).
Source documents and progress control a) Original programme proposal: FOM-10.1702 b) Ex ante evaluation: FOM-10.1846 c) Decision Executive Board: FOM-11.0409 Remarks This programme was launched following a national call for proposals for FOM focusgroups for fundamental energy research and forms part of and is scientifically connected to the Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER). During the second half of 2015 the scientific programme of this focus group will be subject to a mid-term evaluation. The final evaluation will consist of a self-evaluation initiated by the programme leader and is foreseen for 2021.
JR Subgebieden: 50% NANO, 50% COMOP
-5-
par. HOZB
Historisch kwantitatief overzicht van input en output personeelsaantallen (in gerealiseerde fte) WP/V WP/T oio NWP -
Input 2011 2012
-
-
-
2011
-
overige wetenschappelijke publicaties -
2012
-
10
Output
proefschriften
2,9
totaal op activiteitenniveau * (in k€ ) 85
* Bedragen na afsluiten boekjaar. Promoties 2012 Geen.
-6-
228
overige producten van wetenschappelijke activiteit -
vakpublicaties
30
-
-
Personele bezetting in 2012
-7-
Output 2012
Werkgroep FOM-G-23 Werkgroepleider
Prof.dr. J.C. Hummelen
Affiliatie
Rijksuniversiteit Groningen Prof.dr. M.A. Loi
Binnen de werkgroep actieve U(H)D's
Dr. R.C. Chiechi (tenure track ass. prof.) Dr. R.W.A. Havenith (senior scientific researcher) Dr. L.J.A. Koster (senior scientific researcher) FOM-programma
Next generation organic photovoltaics
Titel van het project + nummer
Next generation organic photovoltaics 10NGOPV01
FOM medewerker(s) op het project Naam Soort Personeel Y. Kuribara oio
Datum in dienst 01 feb 2012
Datum uit dienst 25 apr 2012
H.D. de Gier
oio
01 feb 2012
31 jan 2016
T.P. Voortman
oio
01 apr 2012
31 mrt 2016
N.J. van der Kaap
oio
01 mei 2012
30 apr 2016
E. Douvogianni
oio
01 sep 2012
31 aug 2016
1. Academische publicaties a. Publicaties in gerefereede tijdschriften 1. L.J.A. Koster, S.E. Shaheen, and J.C. Hummelen, Pathways to a new efficiency regime for organic solar cells, Adv. Energy Mater., 2, 1246, 2012 2. R.K.M. Bouwer, G.A.H. Wetzelaer, P.W.M. Blom, and J.C. Hummelen, Influence of the Isomeric Composition of the Acceptor on the Performance of Organic Bulk-heterjunction P3HT:bisPCBM Solar Cells, J. Mater. Chem., 22, 15412, 2012 3. Broadband Dye-Sensitized Upconversion of Near-IR Light, W. Zou, C. Visser, J. Maduro, M.S. Pshenichnikov, and J.C. Hummelen, Nature Photonics, 6, 560, 2012 4. R.C. Chiechi, J.C. Hummelen, Polymer Electronics: Quo Vadis?, ACS Macro letters, 1, 1180, 2012 5. Claudia Piliego, Marianna Manca, Renee Kroon, Maksym Yarema, Krisztina Szendrei, Mats Andersson, Wolfang Heiss and Maria A. Loi, Charge separation dynamics in narrow band gap polymer/PbS nanocrystal blend for efficient hybrid solar cells, J. Mater. Chem., 22, 24411, 2012 6. Claudia Piliego and Maria Antonietta Loi, Charge transfer state in highly efficient polymer– fullerene bulk heterojunction solar cells, J. Mater. Chem., 22, 4141, 2012 7. R.W.A. Havenith, H.D. de Gier, R. Broer, Explorative computational study of the singlet fission process, Mol. Phys., 110, 2445, 2012 8. D.J. Wehenkel, L.J.A. Koster, M.M. Wienk, and R.A.J. Janssen, Influence of injected charge carriers on photocurrents in polymer solar cells, Phys. Rev. B, 85, 125203, 2012
-8-
9. O. Stenzel, L.J.A. Koster, R. Thiedmann, S.D. Oosterhout, R.A.J. Janssen, and V. Schmidt, A New Approach to Model-Based Simulation of Disordered Polymer Blend Solar Cells, Adv. Funct. Mater., 22, 1236, 2012 10. P. Pourhossein, R.C. Chiechi, Directly Addressable Sub-3 nm Gold Nanogaps Fabricated by Nanoskiving Using Self-Assembled Monolayers as Templates, ACS Nano, 6, 5566, 2012 2. Voordrachten, posters, prijzen en nevenactiviteiten a. Voordrachten op uitnodiging op internationale conferenties en bijeenkomsten 1. J.C. Hummelen, New strategies for high efficiency OPV, 2nd Molecular Materials Meeting (M3), 09 jan 2012, 11 jan 2012, Singapore, Singapore 2. J.C. Hummelen, Theoretical and experimental pathways to a new efficiency regime for molecular solar cells, TPE12, 22 mei 2012, 24 mei 2012, Rudolstatt, Germany 3. Maria Loi, Singlet, Triplet and Charge Transfer Excitons in Organic Semiconductors, International Symposium on Fundamental Electronic Processes in Organic Semiconductors and Functional Interfaces?' (?OFET 2012), 27 okt 2012, 31 okt 2012, Princeton NJ, USA 4. Maria Loi, New approaches toward high efficiency solar energy conversion, ENERGY FROM THE SUN: Computational chemist and Physicist take up the challenge, 10 sep 2012, 14 sep 2012, Chia Laguna, Italy 5. Maria Loi, Hybrid semiconductors optoelectronic devices, EMRS-Spring meeting, 14 mei 2012, 18 mei 2012, Strasbourg, France 6. Maria Loi, Charge transfer excitons in narrow band-gap polymers for organic solar cells, MRS-Fall meeting, 28 nov 2011, 02 dec 2011, Boston, USA 7. R.W.A. Havenith, The singlet fission mechanism, a nonorthogonal approach, 2012 Singlet Fission Workshop, 16 jun 2012, 20 jun 2012, Lyons, Colorado, USA 8. R.W.A. Havenith, The Singlet Fission problem, a non-orthogonal solution, Symposium 'Accurate Methods for Accurate Properties', 04 jun 2012, 06 jun 2012, Zurich, Switzerland 9. R.W.A. Havenith, Photophysical and magnetic properties, University of Leuven, 26 mrt 2012, 26 mrt 2012, Leuven, Belgium 10. R.W.A. Havenith, Photophysical and magnetic properties, ENS Lyon, 22 mrt 2012, 24 mrt 2012, Lyon, France 11. R.W.A. Havenith, A non-orthogonal configuration interaction approach for molecular excited states in solids, Workshop 'Jujols-VI', 01 feb 2012, 03 feb 2012, Sevilla, Spain 12. L.J.A. Koster, Quantifying the relation between morphology and efficiency of bulk heterojunction solar cells, • DIELOR 2012, 14 nov 2012, 16 nov 2012, Limoges, France 13. L.J.A. Koster, Morphology and efficiency: the case of polymer/ZnO solar cells, • SimOEP, 10 jun 2012, 14 jun 2012, Valencia, Spain b. Overige voordrachten en posters op (internationale) conferenties en andere (wetenschappelijke) bijeenkomsten 1. J.C. Hummelen, Theoretical and experimental pathways to a new efficiency regime for molecular solar cells, Physics@FOM Veldhoven, 17 jan 2012, 18 jan 2012, Veldhoven, the Netherlands 2. J.C. Hummelen, Alternative logic in molecules: omniconjugation and pi-logic, Future Directions of Molecular Electronics, Lorentz Center, 28 jun 2012, 29 jun 2012, Leiden, the Netherlands 3. J.C. Hummelen, Pathways to a new efficiency regime for organic solar cells, KNCV meeting FYSICA CHEMIE, 30 mei 2012, 30 mei 2012, TU Twente, Enschede, the Netherlands
-9-
4. J.C. Hummelen, Theoretical and experimental pathways to a new efficiency regime for molecular solar cells, MESA+, TU Twente, 09 okt 2012, 09 okt 2012, Enschede, the Netherlands 5. J.C. Hummelen, Plastic Solar Cells, Chemical Solutions, TU Twente, 22 nov 2012, 22 nov 2012, Enschede, the Netherlands 6. J.C. Hummelen, Theoretical and experimental pathways to a new efficiency regime for molecular solar cells, QUANTSOL 2012, 12 mrt 2012, 16 mrt 2012, Bad Gastein, Austria 7. J.C. Hummelen, Efficient broadband up-conversion of near-IR light, MRS spring meeting 2012, 08 apr 2012, 13 apr 2012, San Francisco, USA 8. J.C. Hummelen, Pathways to a new efficiency regime for organic solar cells, MRS spring meeting 2012, 08 apr 2012, 13 apr 2012, San Francisco, USA 9. H.D. de Gier, Design of new materials for application in organic photovoltaics, CEICS Nobel Campus, 01 jul 2012, 04 jul 2012, Tarragona, Spain 10. H.D. de Gier, Theory of multiple exciton generation and singlet fission, Workshop 'JujolsVI', 01 feb 2012, 03 feb 2012, Sevilla, Spain 11. H.D. de Gier, R.W.A. Havenith, R. Broer, Design of new materials for application in organic photovoltaics, CW-NWO meeting Spectroscopy and Theory, 15 jun 2012, 15 jun 2012, Utrecht, the Netherlands 12. R.W.A. Havenith, H.D. de Gier, R. Broer, The singlet fission problem, a nonorthogonal solution, CW-NWO meeting Spectroscopy and Theory, 15 jun 2012, 15 jun 2012, Utrecht, the Netherlands 13. H.D. de Gier, R.W.A. Havenith, R. Broer, Design of new materials for application in organic photovoltaics, CEICS Nobel Campus, 01 jul 2012, 04 jul 2012, Tarragona, Spain 14. H.D. de Gier, R.W.A. Havenith, Bulk effects on the electron affinity of C60, Symposium 'Quantum Chemistry in the solid state: magnetic coupling and excited states', 31 aug 2012, 01 sep 2012, Groningen, the Netherlands 15. Parisa Pourhossein, SAM-Templated Nanogap Electrodes: A Powerful New Tool for Constructing Molecular Tunneling Junctions, ElecMol2012, 03 dec 2012, 07 dec 2012, Grenoble, France 16. Parisa Pourhossein, Fabricating Metallic Nanostructures by Nanoskiving Using SAMs as Templates, JSP winter meeting, 26 jan 2012, 26 jan 2012, Delft, the Netherlands 17. Parisa Pourhossein, Fabricating Metallic Nanostructures by Nanoskiving Using SAMs as Templates, JSP summer meeting, 25 jun 2012, 25 jun 2012, Eindhoven, the Netherlands d. Bekleden van posities in organisatie congressen, wetenschappelijke samenwerkingsverbanden, adviesraden, internationale panels, redacteurschap bij tijdschriften 1. Maria Antoinetta Loi: Co-Chair of the EXCON 2012 10th International Conference on Excitonic Processes in Condensed Matter, Nanostructured and Molecular Materials, 1 July 2012 Groningen, the Netherlands. 2. L.J.A. Koster: Session organizer of the International Conference on Simulation of Organic Electronics and Photovoltaics 2012, Valencia, Spain. 3. Kennisoverdracht (maatschappij en economie) b. Contacten met de industrie (inclusief adviserende of andere functies), nieuwe bedrijvigheid naar aanleiding van het project of contacten met andere vakgebieden 1. Solenne BV, Groningen, the Netherlands (function: CSO)
- 10 -
c. Optredens op televisie, radio of bij publieksevenementen 1. (February 6) 'De onstuitbare opmars van zonne-energie', lecture in the series 'De nationale wetenschapagenda van de KNAW', at the Seniorenacademie, Groningen. 2. (February 14) 'De onstuitbare opmars van zonne-energie elders', invited plenary lecture at the 2nd RUG Duurzaamheid Symposium, Univ. Groningen, Groningen. 3. (April 26) 'De plastic zonnecel gaat silicium verdringen', lecture at the Emeritidiner RUG, Groningen. 4. (May 25) 'De onstuitbare opmars van zonne-energie', Lecture for parents of chemistry students, RUG, Groningen. 5. (June 13) 'Photovoltaics: PV', lecture for the Ambassador of The Netherlands in Singapore (Jansing), RUG. 6. (June 26) 'FOM Focus Group 'Next Generation Organic Photovoltaics'', Lecture for Russian Skolkovo delegation, RUG. 7. 'The transition to solar electricity has started!', General Public lecture at the University of Colorado (Boulder, Co,USA). 8. (August 9) Participation in 'Debatlab', public TV (Jan-Douwe Kroeske), discussion between politicians and scientist on sustainable energy, Club Ziggo, Amsterdam. 9. (August 18) Appearance and interview at Llowlab, Lowlands, Biddinghuizen. 10. (August 22) 'Photovoltaics: PV', PhD day RUG, aula, Groningen. Plenary evening lecture. 11. (September 22) 'Photovoltaics: PV', plenary lecture at conference 'Transnatural Festival', NEMO Science Centre, Amsterdam. 12. (November 12) 'De onstuitbare opmars van zonne-energie, elders', Lecture at the general meeting of the cooperative organization Grunneger Power, De Beurs, Groningen. 13. (November 19) 'De onstuitbare opmars van zonne-energie, elders', Lecture for Natuurkundig Genootschap, at Diligentia, The Hague. 14. (December 12) Participation in presentation of 'Groenste Groninger', Forum-Images, Groningen. 15. (December) appearance in promo video of FOM energy research http://youtu.be/NlgS5eFtJuc
- 11 -
Bijlage bij de outputgegevens Dit voortgangsverslag met de outputgegevens is tot stand gekomen aan de hand van de input van de onderzoekers van zowel de FOM-instituten als de universitaire werkgroepen. Dit verslag bevat een dwarsdoorsnede van de geleverde input. De programmaleider heeft de output akkoord bevonden en een woord vooraf geschreven over de voortgang van het programma. Bij alle gegevens staat een datum of een periode. Omdat er enige tijd zit tussen de totstandkoming en publicatie van dit overzicht, geeft dit dus geen actueel beeld. Doel is dan ook de voortgang en bereikte resultaten te laten zien uit het peiljaar. Voor de volledigheid staat hieronder de originele vragenlijst voor de onderzoekers vermeld, plus het relevante deel van de e-mail met instructies. AMOLF en DIFFER hebben een vragenlijst op maat gekregen die op details afwijkt van deze versie. Geachte professor, Hierbij ontvangt u een formulier voor het opgeven van de output van het jaar 2012. In het formulier staan de titel van het project, het projectnummer en de FOM-medewerker(s) al vermeld. U kunt eventueel betrokken U(H)D's ook opgeven in het formulier. We verzoeken u deze informatie terug te zenden vóór 1 februari 2013. Lees deze e-mail in zijn geheel aandachtig door voor de tips bij het invullen en sla regelmatig uw bestand op! Achtergrond outputverzameling Ieder jaar verzamelt FOM de output van alle projecten die bij FOM lopen. De informatie die we daaruit verkrijgen gebruiken we om te voldoen aan de verplichting aan NWO om te rapporteren over het totaal aantal publicaties, proefschriften, octrooien, etc. Daarnaast gebruiken we de informatie om tabellen in het Jaarboek van FOM te kunnen weergeven. Ook wordt aan de werkgemeenschapscommissies een jaarlijks outputverslag gestuurd waarin in detail over alle lopende projecten binnen de FOM-programma's wordt gerapporteerd. Op de website komen rond de zomer de voortgangsverslagen die jaarlijks in de werkgemeenschapscommissies besproken worden, beschikbaar als download bij de fact sheets van de FOM-programma's. Welke output opgeven? Wij verzoeken u alleen output op te geven die toegeschreven kan worden aan het betreffende project en alleen uit het peiljaar. Dus het verzoek is om alleen de output van de FOM-medewerkers die op het formulier staan op te geven. Alvast mijn hartelijke dank voor uw medewerking, Met vriendelijke groet, Gabby Zegers
- 12 -
- 13 -
