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). De strukturer som byggs på nanometer till mikrometerskala studerar jag med svepprobmikroskopimetoder och mjukröntgenspektroskopi och -mikroskopi. Även matchningen av energinivåer mellan halvledarskiktet och de angränsande lager är viktig för att laddningar skall kunna ta sig till elektroderna och generera strömmen i en solcell. Jag är även intresserad av solcellens hållbarhet över tid och hur den påverkas av materialens egenskaper och gränsskikten.

Nyckelord

• molekylära material
• ledande polymerer
• tunnfilmsbeläggning från lösning
• atomkraftmikroskopi
• svepprobmikroskopi
• röntgenspektroskopi
• polymersolceller
• perovskitsolceller
• 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 polymerbaserade solceller vid Karlstads universitet startade 2002 med ett första anslag från Vetenskapsrådet och den nationella nätverkforskarskolan materialvetenskap. Under åren har forskningen fortsatt med  ytterligare finansiering från Energimyndigheten (2007-2010 och 2014-2019), Vetenskapsrådet (2011-2013 och 2016-2019) och Göran Gustafssons Stiftelse för Naturvetenskap och Medicin (2012 - 2015). År 2017 tilldelades ett konsortium som Ellen Moons leder ett 5-årigt stöd från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse (KAW) för projektet "Mastering Morphology for solution-borne electronics" (SOLA). 

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 struktur- och sammansättningsbestämning av tunna polymerskikt. I samarbete med Jagiellonian University i Krakow, studerar vi djupprofiler för  polymerskikten med hjälp av dynamisk jonmasspektrometri, SIMS. 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.

• FYGA25 Experimentell problemlösning och dataanalys, 7,5 hp (2012-2021)
• CBAD81 Funktionella Material, 7,5 hp. 
• Examensarbeten i fysik och teknisk fysik.

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

Några exempel är:

- Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability (WISE) 2023-present. 

- PhD Research and Innovation in Synchrotron Methods and Applications in Sweden (PRISMAS). 2023- present. 

- 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. 

• 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. DOI: 10.1039/D2CP03514F

• Isidora Susic, Kassio P. S. Zanoni, Ismail C. Kaya, Zafer Hawash, Ellen Moons, Michele Sessolo, Henk J. Bolink, Intrinsic organic semiconductors as hole transport layers in p-i-n perovskite solar cells, Solar RRL, 17 December 2021. Open Access. 

• 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.

• Andreas Opitz, Andreas Wilke, Patrick Amsalem, Martin Oehzelt, Ralf-Peter Blum, Jürgen Rabe, Toshiko Mizokuro, Ulrich Hoermann, Rickard Hansson, Ellen Moons, and Norbert Koch, Organic heterojunctions: Contact-induced molecular reorientation, interface states, and charge re-distribution, Scientific Reports, 6 (2016) 21291

• 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. 

• Iulia Brumboiu, Anselmo, A.S., Brena, B., Dzwilewski, A., Svensson, K., Moons, E., Near-edge X-ray Absorption Fine Structure Study of the C60-derivative PCBM, Chemical Physics letters 568–569 (2013) p. 130–134.

• 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

• Fengling Zhang, Jespersen, K.G., Björström, C., Svensson, M., Andersson, M.R., Sundström, V., Magnusson, K.O., Moons E., Yartsev, A., and Inganäs, O., Influence of solvent mixing on the morphology and performance of solar cells based on polyfluorene copolymer/fullerene blends, Adv. Funct. Mater., 16, 5, (2006) p. 667-674

• 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.

• Morteani, A.C., Dhoot, A.S., Kim, J.-S., Silva, C., Greenham, N.C., Friend, R.H., Murphy, C., Moons, E., Ciná, S., Burroughes, J., Barrier-Free Electron-Hole Capture in Polymer Blend Heterojunction Light-Emitting Diodes, Adv. Mater. 15, 20 (2003) p. 1708-1712

• 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.