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Forschungsthemen

Batterien auf der Basis organischer Radikale

Ziel unserer Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet neuartiger Batterien ist insbesondere die Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses von Redox-Prozessen, die an den Elektroden in "Organic Radical Batteries" (ORBs) auftreten. Zu diesem Zweck entwickeln und verwenden wir maßgeschneiderte Analysetechniken auf der Basis konventioneller EPR- sowie Elektrisch Detektierter Magnetischer Resonanz-Spektroskopie. Diese Experimente können relevante Informationen hinsichtlich der Lokalisierung von Ladungsträgern sowie von Oxidationsmechanismen auf molekularer Ebene liefern. Sie können zudem dazu beitragen, Verlustmechanismen zu identifizieren, die möglicherweise ursächlich für eine Verringerung der Batterie-Kapazität sind, die häufig im Zusammenhang mit wiederholten Lade- und Entladevorgängen beobachtet wird.

Auf dem Gebiet der "Batterieforschung" arbeiten wir eng mit der Gruppe von Prof. Oleg Levin von der St. Petersburg State University zusammen. Diese Kollaboration wird im Rahmen der G-RISC-Plattform durch den Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) gefördert.

     

Publikationen

  • A. A. Vereshchagin, D. A. Lukyanov, I. R. Kulikov, N. A. Panjwani, E. A. Alekseeva, J. Behrends, O. V. Levin.
    The Fast and the Capacious: A [Ni(Salen)]-TEMPO Redox-Conducting Polymer for Organic Batteries.
    Batteries & Supercaps, accepted, 2020.

Kontakt: Jan Behrends
Mitarbeiter: Ilia Kulikov, Naitik Panjwani (AG Bittl)


Singlet Fission

Wir verwenden zeitaufgelöste EPR- und Optisch Detektierte Magnetische Resonanz-Methoden, um den sogenannten "Singlet Fission"-Prozess in organischen Halbleitern zu untersuchen. In bestimmten Materialien erzeugt ein Photon ein sogenanntes Singulett-Exziton, das spontan in zwei neue Exzitonen aufspaltet, die zusammen die gleiche Energie wie das ursprüngliche Singulett-Exziton tragen, aber jedes einen anderen Spin (Triplett-Zustand) besitzt. Diese so genannten angeregten Triplett-Exzitonen können auf andere Moleküle übergehen, durch das Material wandern und im Idealfall jeweils ein bewegliches Elektron und somit elektrischen Strom erzeugen. Daher wird Singlet Fission als vielversprechender Weg zur Steigerung der Effizienz zukünftiger Solarzellen betrachtet.

Unsere Aktivitäten zur Untersuchung des Singlet-Fission-Prozesses finden in enger Zusammenarbeit mit der Optoelectronics Group am Cavendish Laboratory der University of Cambridge statt.

   

Publikationen

  • Leah R. Weiss, Sam L. Bayliss, Felix Kraffert, Karl J. Thorley, John E. Anthony, Robert Bittl, Richard H. Friend, Akshay Rao, Neil C. Greenham, Jan Behrends.
    Strongly exchange-coupled triplet pairs in an organic semiconductor.
    Nat. Phys., 13:176, 2017.
  • S. L. Bayliss, L. R. Weiss, A. Mitioglu, K. Galkowski, Z. Yang, K. Yunusova, A. Surrente, K. J. Thorley, J. Behrends, R. Bittl, J. E. Anthony, A. Rao, R. H. Friend, P. Plochocka, P. C. M. Christianen, N. C. Greenham, A. D. Chepelianskii.
    Site-selective measurement of coupled spin pairs in an organic semiconductor.
    P. Natl. Acad. Sci. USA 115:5077-5082, 2018.
  • Sam L. Bayliss, Felix Kraffert, Rui Wang, Chunfeng Zhang, Robert Bittl, Jan Behrends.
    Tuning Spin Dynamics in Crystalline Tetracene.
    J. Phys. Chem. Lett., 10:1908, 2019.
  • S. L. Bayliss, L. R. Weiss, F. Kraffert, D. B. Granger, J. E. Anthony, J. Behrends, R. Bittl.
    Probing the Wave Function and Dynamics of the Quintet Multiexciton State with Coherent Control in a Singlet Fission Material.
    Physical Review X 10:021070, 2020.

Kontakt: Jan Behrends
Mitarbeiter: Naitik Panjwani (AG Bittl)


Transport in Organischen Solarzellen

Wir beschäftigen uns damit, ein grundlegendes Verständnis von Ladungstransfer und Ladungstransport in organischen Solarzellen zu erarbeiten. Zu diesem Zweck werden passende EPR-basierte Techniken verwendet. Insbesondere soll die experimentelle Methode der transienten elektrisch detektierten magnetischen Resonanz (transiente EDMR) entwickelt werden. Die Kombination der Empfindlichkeit von EDMR und der Zeitauflösung von transienter EPR wird es uns ermöglichen, den Zusammenhang zwischen Ladungstransferkomplexen, die infolge von Photoanregung und anschließendem Ladungstransfer zwischen Donator und Akzeptor entstehen, und dem Photostrom von Polymer:Fulleren-Solarzellen systematisch zu untersuchen.

Dieses Projekt ist Teil des DFG Schwerpunktprogramms 1601 zum Thema “New Frontiers in Sensitivity für EPR Spectroscopy: From Biological Cells to Nano Materials”.

 

Publikationen

  • Felix Kraffert, Robert Steyrleuthner, Christoph Meier, Robert Bittl, Jan Behrends.
    Transient Electrically Detected Magnetic Resonance Spectroscopy applied to Organic Solar Cells.
    Appl. Phys. Lett., 107:043302, 2015.
  • C. Meier, C. Teutloff, J. Behrends, R. Bittl, O. Astakhov, K. Lips.
    Triplet excitons as sensitive spin probes for structure analysis of extended defects in microcrystalline silicon.
    Phys. Rev. B 94:045302, 2016.
  • F. Kraffert, D. Bahro, C. Meier, M. Denne, A. Colsmann, J. Behrends.
    Transport-related triplet states and hyperfine couplings in organic tandem solar cells probed by pulsed electrically detected magnetic resonance spectroscopy.
    J. Magn. Reson. 282:10-17, 2017.
  • F. Kraffert, J. Behrends.
    Spin-correlated doublet pairs as intermediate states in charge separation processes.
    Mol. Phys. 115:2373-2386, 2017.

Kontakt: Jan Behrends


EPR Charakterisierung von organischen Materialien für Photovoltaik und Optoelektronik

Eines unserer Forschungsziele ist die Weiterentwicklung und Anwendung der EPR Spektroskopie für die Charakerisierung von organischen Molekülen und Materialien für Photovoltaik und Optoelektronik. Durch Anwendung von Multifrequenz CW und Puls EPR Methoden bestimmen wir die Eigenschaften der paramagnetische Zentren in organischen Materialien und charakterisieren die Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung auf molekularer Ebene. Mit diesen Informationen versuchen wir dann Korrelationen zwischen der molekularen Struktur und den elektronischen und magnetischen Eigenschaften von organischen Halbleitern und anderen organischen funktionellen Materialien zu erkennen.

Dieses Projekt ist Teil eines Marie Skłodowska Curie Fellowships, welches von der EU Kommission im Rahmen der Horizon 2020 Initiative finanziert wird.

Publikationen

  • C. E. Tait, A. Bedi, O. Gidron, J. Behrends.
    Photoexcited triplet states of twisted acenes investigated by Electron Paramagnetic Resonance.
    Phys. Chem. Chem. Phys. 21:21588-21595, 2019.
  • B. Wegner, D. Lungwitz, A. E. Mansour, C. E. Tait, N. Tanaka, T. Zhai, S. Duhm, M. Forster, J. Behrends, Y. Shoji, A. Opitz, U. Scherf, E. J. W. List-Kratochvil, T. Fukushima, N. Koch.
    An Organic Borate Salt with Superior p-Doping Capability for Organic Semiconductors.
    Advanced Science 7:2001322, 2020.
  • M. Arvind, C. E. Tait, M. Guerrini, J. Krumland, A. M. Valencia, C. Cocchi, A. E. Mansour, N. Koch, S. Barlow, S. R. Marder, J. Behrends, D. Neher.
    Quantitative Analysis of Doping-Induced Polarons and Charge-Transfer Complexes of Poly(3-hexylthiophene) in Solution.
    J. Phys. Chem. B 124:7694-7708, 2020.

Kontakt: Jan Behrends
Mitarbeiterin: Claudia Tait


Ladungstrennung in Hybrid-Solarzellen

Hybrid-Solarzellen aus organischen und anorganischen Halbleitern bieten das Potenzial für zukünftige photovoltaische Bauelemente mit hohen Wirkungsgraden bei vergleichsweise niedrigen Produktionskosten. Die Kombination aus (nanostrukturierten) anorganischen Halbleitern und organischen Halbleitern erscheint besonders vielversprechend, da sich die Vorteile von beiden Materialien kombinieren lassen. Dennoch liegen die Wirkungsgrade derzeitiger Hybrid-Solarzellen in der Regel weit unterhalb der Wirkungsgrade von rein anorganischen Solarzellen bzw. Zellen mit ausschließlich organischen Absorbermaterialien. Ein entscheidender Grund hierfür ist oftmals die ineffiziente Ladungstrennung, d.h. die Umwandlung von photogenerierten Exzitonen in freie Elektronen und Löcher an der Hybrid-Grenzfläche. An dieser Stelle setzen unsere Arbeiten an.

Im Rahmen einer Helmholtz Energie-Allianz arbeiten wir gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin, dem Forschungszentrum Jülich, der Humboldt-Universität zu Berlin und der Universität Potsdam daran, „Anorganisch/organische Hybrid-Solarzellen und -Techniken für die Photovoltaik“ zu entwickeln. Unser Schwerpunkt liegt dabei auf dem Erstellen eines umfassenden Verständnisses der Prozesse, die zur Exzitonendissoziation und Ladungsträgertrennung an Grenzflächen zwischen anorganischen Halbleitern (ZnO, CIGS, Si) und konjugierten organischen Polymeren bzw. kleinen organischen Molekülen führen.

Kontakt: Jan Behrends