Ellen Moons

Jag är intresserad av hur elektriskt ledande polymerer, mindre molekyler och nya material organiserar sig i tunna halvledarskikt och bildar effektiva solceller och lysdioder (LEDs). I min forskargrupp studerar vi struktur, sammansättning och egenskaper på nanometer till mikrometerskala med hjälp av svepprobmikroskopimetoder och mjukröntgenspektroskopi och -mikroskopi. Vi mäter och optimerar också matchningen av energinivåer mellan halvledarskiktet och de angränsande lager i organiska och halidperovskitsolceller. vi är även intresserade av solcellens livslängd under drift och hur den påverkas av fotodegradering av halvledarmaterialet och gränsskikten.

Nyckelord

• molekylära material
• ledande polymerer
• tunnfilmsbeläggning från lösning
• atomkraftmikroskopi
• svepprobmikroskopi
• röntgenspektroskopi
• polymersolceller
• Halidperovskitsolceller
• molekylär optoelektronik.

Forskningsfokus

Fokusområden för min forskning är polymersolceller. Under tillverkningsprocessen av solceller beläggs ett substrat med ett fotoaktivt skikt, som består av konjugerade polymerer och molekyler, som kan absorbera ljus och leda ström. Skiktet beläggs från en polymerlösning, som fasseparerar och bildar domäner när lösningsmedlet avdunstar. Genom mikroskopi- och spektroskopistudier i forskargruppen undersöker vi dessa domänstrukturer. Även perovskitsolceller tillverkas från lösning och har mycket gemensamt med polymersolceller. 

Mål

Övergripande mål för forskningen är att förbättra solcellernas verkningsgrad och stabilitet. En annan utmaning för forskningsfältet är att göra flexibla solceller på bojbara underlag, vilket tillåter en uppskalning av tekniken genom tryckmetoder som roll-to-roll. Vi har kunnat bidra till förståelsen av hur strukturerna bildas i solcellens fotoaktiva polymer/fulleren lager och hur de påverkar polymersolcellens prestanda. I samarbete med andra forskargrupper fortsätter vi att sträva efter en optimering av morfologin, nu också för polymer/polymerblandningar. Vi studerar även alternativa transparenta elektrodmaterial för polymersolceller, vilket kan bidra till längre livslängd för solcellerna genom. 

Annan forskning

Andra forskningsfrågor som jag har studerat omfattar styra strukturen i tunna skikt av blandningar an konjugerade och icke-konjugerade polymerer, självorganisation av molekylära monolager av tioler på guldytor, molekylära halvledarmaterial för optoelektronik, och barriärmaterial mot syre och vattenånga. 

Historik

Forskningsaktiviteterna i organiska och polymerbaserade solceller vid Karlstads universitet startade 2002 med ett första projekt finansierad av Vetenskapsrådet och finansiering till doktorander från den nationella nätverkforskarskolan materialvetenskap. Under åren har forskningen fortsatt med  ytterligare finansiering från Energimyndigheten (2007-2010, 2014-2019 och 2020 -2025), Vetenskapsrådet (2011-2013, 2016-2019 och 2022-2025) och Göran Gustafssons Stiftelse för Naturvetenskap och Medicin (2012 - 2015). Gruppen deltog i ett COST Action  StableNextSol (MP1307) med över 60 parter i 26 länder. Under 2017-2022 ledde Ellen Moons ett 5-årigt projekt "Mastering Morphology for solution-borne electronics" (SOLA), med parter vid Chalmers Högskola, Linköpings universitet and Lunds universitet, med finansiering från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse (KAW). Sedan 2024 deltar gruppen i två Europe Horizon projekt, ett MSCA doktorandnätverk OPVStability koordinerat av TUGraz och ett MSCA-COFUND projekt PRISMAS som MAXIV koordinerar. 

Metoder och samarbeten

Forskningen sträcker sig över ämnesgränserna mellan kemi, fysik och elektronik. Vid KaU har vi forskningsutrustning för tillverkning och elektrisk testning av solceller och svepprobmikroskop (AFM) och infrarödspektroskop (FT-IR) för bestämning av struktur och sammansättning av tunna polymerskikt.

Vid synkrotronanläggningen MAX IV i Lund, är vi användare av mjukröntgentekniker, som "Near-edge X-ray Absorption Fine Structure" (NEXAFS) spektroskopi och högupplöst fotoelektronspektroskopi (XPS).  Vi använder även "Scanning Transmission X-ray Microscopy" (STXM) vid den Schweiziska synkrotronen Swiss Light Source och Advanced Light Source i Berkeley, Kalifornien i USA, för att avbilda sammansättningsvariationer i molekylära tunna filmer.

I samarbete med Jagiellonian University i Krakow, studerar vi djupprofiler för  polymerskikten med hjälp av dynamisk jonmasspektrometri, SIMS.

• CBAD81 Funktionella material, 7,5 hp. 
• FYGB06 Modern experimentell fysik, 7,5 hp
• B.Sc. and M.Sc. thesis / examensarbete i fysik och teknisk fysik.
• FYGA25 Experimentell problemlösning och dataanalys, 7,5 hp (2012-2021)

Min forskargrupp samverkar med många forskare internationellt och nationellt och deltar i ett flertal nätverk och forskarskolor.

Några exempel är:

• 2023-present: Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability (WISE)  
• 2023- present : Europe Horizon supports the MSCA-DN doctoral network  OPVStability coordinated by TUGraz with ten European groups as partners. 
  2023- present : Europe Horizon supports the MSCA-COFUND project "PhD Research and Innovation in Synchrotron Methods and Applications in Sweden" PRISMAS. PRISMAS is coordinated by MAXIV and has 9 Swedish universities as partners. The PRISMAS graduate school has 40 PhD students in targeted areas. 
• 2023-2028: SSF-finansierat bilateralt samarbetsprojekt Shepherd om perovskitsolcellers degradering och självläkning. 
• 2017-2022: Forskningsprojektet SOLution-borne materials for organic electronic Applications (SOLA), som finansieras av Knut och Alice Wallenbergsstiftelsen (2017-2022). SOLA är ett samarbete mellan Karlstads universitet (materialfysik och fysikalisk kemi), Chalmers, Linköpings Universitet och Lunds Universitet (kemisk fysik och teoretisk kemi). 
• COST Action MP1307, StableNextSol, Unraveling Degradation Mechanisms of Organic and Perovskite Solar Cells by Complementary Characterization Techniques, som är ett europeiskt mångvetenskapligt nätverk av akademiska och industriella forskare.
•  

Jag har studerat fysik vid Universiteit Gent i Belgien. Examensarbete inom fasta tillståndets fysik, halvledarfysik. Jag har också en gymnasielärarexamen i fysik från samma universitet. 

Jag disputerade 1995 vid Weizmann Institute of Science i Rehovot, Israel med avhandlingen: Linking the Interfacial Chemistry and Physics of CuInSe2- and CdTe-based Photovoltaic Cells and Diodes.

Efter postdokvistelser i Delft, Lausanne och Cambridge samt forskning på företaget Cambridge Display Technology i Cambridge, UK, påbörjade jag min anställning på Karlstads universitet år 2000, först som forskarassistent, sedan som universitetslektor och sedan 2011 som professor. 

• Ishita Jalan, Leif. K.E. Ericsson, Jan van Stam, Ellen Moons, AFM-IR Spectromicroscopy Unveils Hidden Phase Separation in Polymer−Polymer Blend Films for Photovoltaic Applications, ACS Appl. Polym. Mater. 6, 11312 (2024). 
• Leticia P. Christopholi, Cleber F.N. Marchiori, Ishita Jalan, Andreas Opitz, Stela Andrea Muntean, Ellen Moons, The role of the solvent on the orientation of Y-type acceptor molecules in spin-coated films, Journal of Physical Chemistry C 128 (42), 17825 (2024). 
• Suraj Prasad, Zewdneh Genene, Cleber F.N. Marchiori, Shivam Singh, Leif K.E. Ericsson, Ergang Wang, C. Moyses Araujo, Ellen Moons, Effect of molecular structure on the photochemical stability of acceptor and donor polymers used in organic solar cells, Materials Advances 5, 7708 (2024). 
• Shivam Singh and Ellen Moons, Impact of Light-induced Phase Segregation in Mixed Halide Perovskite Absorbers on their Materials Stability, APL Energy 2 (2024) 016112. 
• Merwe Tutundzic, Xin Zhang, Stijn Lammar, Shivam Singh, Paulo Ernesto Marchezi, Tamara Merckx, Aranzazu Aguirre, Ellen Moons, Tom Aernouts, Yinghuan Kuang, Bart Vermang, Toward Efficient and Fully Scalable Sputtered NiOx-Based Inverted Perovskite Solar Modules via Co-Ordinated Modification Strategies, Solar RRL 8, 3 (2023) 2300862. 
• Iulia Brumboiu, Leif K.E. Ericsson, Vanja Blazinic, Rickard Hansson, Andreas Opitz, Barbara Brena, Ellen Moons, The Photooxidation of PC60BM: New Insights from Spectroscopy, Physical Chemistry Chemical Physics 24 (2022)  25753-25766. 
• Isidora Susic, Kassio P. S. Zanoni, Abhyuday Paliwal, Ismail C. Kaya, Zafer Hawash, Michele Sessolo, Ellen Moons, Henk J. Bolink, Intrinsic organic semiconductors as hole transport layers in p-i-n perovskite solar cells, Solar RRL 6, 4 (2022) 2100882. 
• Lidon Gil-Escrig, Chris Dreessen, Francisco Palazon, Zafer Hawash, Ellen Moons, Steve Albrecht, Michele Sessolo, Henk Bolink, Efficient wide-bandgap mixed-cation and mixed-halide perovskite solar cells by vacuum deposition, ACS Energy Letters 6 (2021) 827. 
• Rickard Hansson, Ericsson, L. K.E., Blazinic, V., Holmes, N.P., Dastoor, P., Moons, E., Opportunities and challenges in probing local composition of organic material blends for photovoltaics Journal of Materials Science, Focus Issue: Microstructural Characterization for Emerging Photovoltaic Materials 32, 10 (2017) 1982-1992.
• Sudam Chavhan, Hansson, R., Ericsson, L.K.E., Beyer P., Opitz A., Moons, E., Low temperature processed NiO hole transport layers for efficient polymer solar cells, Organic Electronics, Organic Electronics 44 (2017) 59-66.
• Ana Sofia Anselmo, Dzwilewski, A., Svensson, K., Moons, E. Light-induced Degradation of the Electronic Structure of PCBM and C60 Thin Films, Chem. Phys. Lett., 652 (2016) 220-224.
• Rickard Hansson, Lindqvist, C., Ericsson, L. K. E., Opitz, A., Wang, E., Moons, E., Photodegradation in air of the active layer components in a thiophene-quinoxaline copolymer:fullerene solar cell, Phys. Chem. Chem. Phys., 18 (2016) 11132-11138.
• Rickard Hansson, Ericsson, L.K.E., Holmes, N.P., Rysz, J., Opitz, A., Campoy-Quiles M., Wang, E., Barr, M.G., Kilcoyne, A.L.D., Zhou, X., Dastoor, P., Moons, E., Vertical and lateral morphology effects on solar cell performance for a thiophene-quinoxaline copolymer:PC70BM blend, J. Mater. Chem. A 3 (2015), 6970-6979. 
• Jasper Michels, Moons, E., Simulation of Surface-Directed Phase Separation in a Solution-Processed Polymer/PCBM Blend, Macromolecules 46, 12 (2013) p. 8693-8701. 
• Björström Svanström, C. M., Rysz, J., Bernasik, A., Budkowski, A., Zhang, F., Benson-Smith, J. J., Inganäs, O., Andersson, M. R., Magnusson, K. O., Nelson, J., Moons, E., Device performance of APFO-3/PCBM solar cells with controlled morphology, Adv. Mater. 21, 43 (2009), p.4398-4403.
• Somsakul Watcharinyanon, Puglia,C., Göthelid, E., Jan-E. Bäckvall, J.-E., Moons, E., and Johansson, L. S. O., Molecular orientation of thiol-derivatized tetraphenylporphyrin on gold studied by XPS and NEXAFS, Surface Science 603, 7 (2009), p.1026-33.
• Svante Nilsson, Bernasik, A., Budkowski, A., Moons, E., Morphology and phase segregation of spin-casted films of polyfluorene/PCBM blends, Macromolecules 40, 23 (2007), p. 8291-8301
• Cecilia M. Björström, Bernasik, A., Rysz, J., Budkowski, A., Nilsson, S., Svensson, M., Andersson, M.R., Magnusson, K.O., and Moons, E., Multilayer formation in spin-coated thin films of low-bandgap polyfluorene:PCBM blends, J. Phys.: Condens. Matter, 17 (2005), L529–L534.
• Ellen Moons, Conjugated Polymer Blends: Linking Film Morphology to Performance of Light Emitting Diodes and Photodiodes, J. Phys.: Condens. Matter 14, 47 (2002) p. 12235-12260.
• Lukas Schmidt-Mende, Fechtenkötter, A., Müllen, K., Moons, E., Friend, R.H., MacKenzie, J.D., Self-organised Discotic Liquid Crystals for High Efficiency Organic Photovoltaics, Science 293 (2001) p. 1119-1122.