ZHAW ICP Reserach Report 2013 by ZHAW School of Engineering

Research Report 2013

Zurich Universities of Applied Sciences and Arts

www.engineering.zhaw.ch

Research & Development

Temperature and volumetric stress distribution together with magnified plastic deformations for a steel strand by rolling.

Temperaturverlauf und volumetrische Spannungen zusammen mit vergrรถsserte plastische Verformungen eines Stahlstrang bei einem Walzprozess.

Contents Preface

Vorwort

1 Multiphysics Modeling and More 1.1 Simulation von Personenströmen als Kontinuum bei Großanlässen und dichtem Personenverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Scharfe Bilder oder kalter Kaffee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Virtual Layout for Continuous Casting of Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Thermal analysis to predict the cooling of chocolate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Modellierung von Holzvergasungsprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Verbesserte Kühlprozesse für die Schokolade-Produktion . . . . . . . . . . . . . . . 1.7 Transport properties of compacted crushed rock salt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8 Potential of the lock-in thermal imaging method for the early detection of cutaneous melanomas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 6 7 8 9 10 11 12 13

2 Fuel cells and Energy Systems 2.1 Morphology influence on oxide scale conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Modeling Solar Cells for Hydrogen Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Simulation and Freezing of the Fuel Cell Stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 3D topology and reaction kinetics in SOFC electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Strömungssimulation am SOFC-Brennstoffzellenmodul . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Integration of High Temperature Electric Converter for Electricity Generation in a Solide Oxide Fuel System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 A new mathematical solution for the problem of channel-electrode gas flow in fuel cell applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8 Reduzierung der Ohm’schen Verluste in neuer Generation von Hexis Brennstoffzellen 2.9 Modellbasierte Analyse von Impedanzspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15 16 17 18 19 20

3 Solar cells and Organic Electronics 3.1 Simulation of light out-coupling enhancement of OLEDs using scalar-scattering . . . 3.2 Ladungstransport in organischen Solarzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Durability of High-Efficiency Thin-Film Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Nanostructured layers for enhanced light emission from white organic light-emitting diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 OLED Herstellung im Unterricht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Advanced modeling of charge carrier transport in disordered organic semiconductors 3.7 All-in-one Messplattform für OLED und Solarzellen Forschung . . . . . . . . . . . .

25 26 28 29

Appendix A.1 Student Projects . . . . . . . A.2 Scientific Publications . . . . A.3 News Articles . . . . . . . . . A.4 Conferences and Workshops A.5 Public Events . . . . . . . . . A.6 Exhibitions . . . . . . . . . .

35 35 36 37 37 39 39

. . . . . .

. . . . . . 1

. . . . . .

21 22 23 24

30 31 32 33

Institute of Computational Physics A.7 Patents . . . . . . . A.8 Prizes and Awards . A.9 Teaching . . . . . . A.10 ICP-Team . . . . . . A.11 Spin-off Companies A.12 Location . . . . . . .

www.zhaw.ch

. . . . . .

Research Report 2013 . . . . . .

. . . . . .

40 40 40 42 43 44

Z端rcher Fachhochschule

Research Report 2013

Institute of Computational Physics

Preface Looking for the fountain of youth When it comes to aging, we consider ourselves to be experts, even though we never had any research projects with the cosmetics industry. We rather dedicate ourselves to solar and fuel cells and use physical computer models to understand them better and better. When it comes to the human aging process we are still looking for the fountain of youth. So far with limited success. Fortunately, we have found another way to preserve a young team: by means of a live-cell therapy, so to speak. Only two years ago, our institute consisted of about 20 employees including only four lecturers. Today, there are almost 30 employees, of whom about a dozen is involved in teaching. By strengthening our team, we were able to extend long-term research topics and develop new applications. These findings allow our faculty to incorporate practice-oriented topics into teaching, for example in the bachelor program in energy and environmental technology. Below you will find a selection of recent exciting projects: • Rebecca Axthelm: continuum models for the simulation of pedestrian flows at mass events • Gernot Boiger: development of a new wood gasification model • Mathias Bonmarin: detection of skin cancer based on infrared thermography • Kurt Pernstich: own production of OLEDs for teaching purposes • Matthias Schmid: development of thermoelectric generators to convert heat into electricity More information on these and other research topics can be found in this annual Research Report 2013. Also, I would like to thank all employees of our institute for their dedication, their enthusiasm and their great mutual support.

Thomas Hocker, Head of Institute

Zürcher Fachhochschule

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

Research Report 2013

Vorwort Auf der Suche nach dem Jungbrunnen Forschungsprojekte mit der Kosmetikindustrie haben wir noch keine. Wenn es um Alterungsprozesse geht, sind es nach wie vor Solar- und Brennstoffzellen, denen wir uns widmen – und die wir mithilfe von physikalischen Computermodellen immer besser verstehen. Anders ist es mit den menschlichen Alterungsprozessen. Hier sind wir dem Brunnen, dessen Wasser ewige Jugend verheisst, noch immer auf der Spur – bisher leider erfolglos. Zum Glück haben wir einen anderen Weg gefunden, unser Team jung zu erhalten: sozusagen mit einer Frischzellenkur. Hatte das ICP vor zwei Jahren gut 20 Mitarbeiter mit vier Dozenten, sind es mittlerweile fast 30 Mitarbeiter, von denen etwa ein Dutzend unterrichten. Durch die Verstärkung unseres Teams konnten wir langjährige Forschungsschwerpunkte ausbauen und neue Anwendungen erschliessen. Die Erkenntnisse daraus lassen unsere Dozenten praxisorientiert in die Lehre einfliessen, beispielsweise im Studiengang Energie- und Umwelttechnik. Um Ihnen einen Eindruck von unserem Spektrum zu geben, finden Sie nachfolgend eine Auswahl aktueller Projekte: • Rebecca Axthelm: Kontinuumsmodelle zur Simulation von Fussgängerströmen bei Grossanlässen • Gernot Boiger: Entwicklung eines neuen Holzvergasermodells • Mathias Bonmarin: Detektion von Hautkrebs mithilfe der Thermografie • Kurt Pernstich: Eigene Herstellung von OLEDs für den Unterricht • Matthias Schmid: Entwicklung von thermoelektrischen Generatoren zur Umwandlung von Wärme in elektrischen Strom Nähere Informationen zu diesen und weiteren Forschungsarbeiten finden Sie im vorliegenden Jahresbericht 2013. Auch in diesem Jahr möchte ich an dieser Stelle allen Mitarbeitenden unseres Instituts für ihr grosses Engagement, ihre Begeisterungsfähigkeit und die tolle gegenseitige Unterstützung ganz herzlich danken.

Thomas Hocker, Institutsleiter

www.zhaw.ch

Zürcher Fachhochschule

Research Report 2013

Institute of Computational Physics

1 Multiphysics Modeling and More The fast growing technology of coupled physical phenomena is the key figure in the operation of many devices nowadays. Due to their inherent complexity, a multiphysical CAD environment focusing on the application of physical, mathematical and numerical models is almost a necessity for the design and optimization of such devices. Multiphysics modeling is a powerful tool for exploring a wide range of multiple and simultaneous physical phenomena and the past decades have been a period of rapid progress in this area. For example, a Google search of this neologism already returns more than 6000 000 results. The possible range of applications has been widely expanded and numerical methods have become increasingly sophisticated and adapted to exploit actual computational resources. At ICP we perform research and co-develop the numerical software NM-SESES for multiphysics modeling tailored to the needs of our partners. Our extensive experience in numerical analysis, modeling and simulation covers nearly all types of micro-macro devices, sensors and actuators and all governing equations of classical physics. We also develop special and exclusive numerical tools for our partners or use commercial software if better suited to reach the goals and thus to successfully finalize our research projects.

Z端rcher Fachhochschule

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

1.1

Research Report 2013

Simulation von Personenströmen als Kontinuum bei Großanlässen und dichtem Personenverkehr

Verbesserte Simulationsmöglichkeiten tragen dazu bei, die Gefahr einer Massenpanik bei Großveranstaltungen künftig rechtzeitig zu erkennen. Das ICP entwickelt daher zusammen mit der Zürcher ASE GmbH neue, genauere Modellrechnungen für Menschenströme. Contributors:

R. Axthelm

Partners: Funding: Duration:

ASE GmbH, M. Moos KTI 2013–2015 zugrundeliegenden physikalischen Prozesse sind durch die Kontinuitätsgleichung %t + ∇ · (% u) = 0 für die Dichteverteilung % und durch die Eikonalgleichung |∇Φ| = c(%) für die angestrebte Laufrichtung ∇Φ der Masse gegeben.

Fig. 2: 1d-Simulation eines Personenflussen entlang eines Bahnsteigs (Quelle: pFlow)

Fig. 1: Überfüllter Bahnsteig in Peking (Quelle: http://travel.yahoo.com )

Schon mit der Berechnung einer Lösung im eindimensionalen Fall lassen sich Simulationen für Bahnsteige (Fig. 2) durchführen und gegen kommerzielle, agentenbasierte Software validieren (Fig. 3).

Die Simulation von Fußgängerströmen soll zukünftig helfen, Orte und Gebäude mit erhötem Personenaufkommen so zu planen, dass eine genügend hohe Durchflussrate möglich ist und damit Paniksituationen vermieden werden. Da Multi-Agent Methoden nur auf kleine Menschenansammlungen anwendbar sind werden in diesem Projekt Kontinuums-Methoden angewendet, für die bisher keine kommerzielle Software erhältlich ist. Ziel des Projektes ist deshalb die Entwicklung einer kontinuumbasierten Software und deren Validierung durch Videoanalysemethoden. Die Firma ASE ist spezialisiert auf videobasierte Erfassung von Personenströmen, agentenbasierte Simulation realistischer Szenarien und die ereignisorientierte Simulation der Auslastung von Serviceplätzen. Solche sogenannte mikroskopische Simulationen, die jeden Fußgänger einzeln darstellen, stoßen bei hohen Personendichten schnell an Grenzen, so dass keine zuverlässige Analyse mehr möglich ist. Makroskopische Modellansätze versprechen in solchen Situationen bessere Rechenergebnisse. Bis heute ist aber keine kommerzielle Lösung verfügbar. Der makroskopische Modellansatz von Personendichten basiert auf der Annahme, dass eine Menschenmasse als Kontinuum angesehen werden kann. Die mathematische Beschreibung der

www.zhaw.ch

Fig. 3: Validierung einer 1d-Simulation von pFlow mit kommerzieller Software (Quelle: pFlow & SimWalk)

Qualitativ machen bereits theoretischen Ergebnisse der makroskopischen Modelle einen guten Eindruck. Allerdings wurden noch keine Methoden entwickelt, diese Ansätze auch quantitativ zu validieren. Für die praktische Anwendung der in der Forschung erarbeiteten Methoden ist eine softwaretechnische Umsetzung notwendig. Das im Projekt zu erarbeitende Software Tool pFlow soll dies ermöglichen. Zusätzlich wird der Ansatz im Entwicklungsprozess an Hand von gemessenen Personenströmen validiert werden.

Zürcher Fachhochschule

Research Report 2013

1.2

Institute of Computational Physics

Scharfe Bilder oder kalter Kaffee

Ein kalter Tropfen Milch, versenkt im heißen Kaffee wird sich im Laufe der Zeit im Kaffee verteilen. Die Grenze zwischen den beiden Flüssigkeiten verschmiert. Nach einiger Zeit wird sowohl farblich wie auch hinsichtlich der Temperatur keine Abgrenzung mehr möglich sein. Wie kann man diese Erkenntnis gewinnbringend für die Bildschärfung von digitalen Bildern einsetzen ? Contributors:

R. Axthelm

Partners: Funding: Duration:

IDP-ZHAW, O. Dürr interne Finanzierung 2013 zess zeitlich um, so wechselt das Vorzeichen des Laplace-Terms und wir erhalten ein nichtphysikalisches Modell ut + ∆u = 0. Was passiert wenn wir die zweite Ableitung einer Funktion von dieser subtrahieren ist in Fig. 2 dargestellt. Artefakte lassen sich auf diese Weise nicht vermeiden. Was man damit erreicht ist letztlich keine Schärfung des Bildes sondern eine Erzeugung von Artefakten, die aber dazu führt, dass der Schärfeeindruck erhöht wird.

Fig. 1: (Quelle: http://www.luzernerzeitung.ch)

Man stelle sich vor, dass die Helligkeitswerte eines Bildes dem Temperaturprofil des eines kalten Tropfens Milch im heißen Kaffee entsprechen. Ohne Einwirkung äußerer Kräfte wird sich die kalte Milch im Laufe der Zeit im Kaffee verteilen. Die Grenze zwischen kalter Milch und heißem Kaffe verschmieren. Im Bild wirkt sich das dahingehend aus, dass es unscharf wird. Die mathematische Beschreibung eines solchen Diffusionsprozesses ist durch die Wärmeleitungsgleichung gegeben. Wenn die Wärmeleitungsgleichung nun ein Bild unscharf macht, so könnte doch der zeitlich rückwärtsgerichtete Prozess das Bild schärfen, bzw den kalten Milchtropfen wieder zusammenziehen. So die Idee. Aus mathematischer Sicht ist das absolut verboten aber in der Bildverarbeitung tut man es dennoch und das hat natürlich seinen Preis: Es bilden sich Artefakte, die sogenannten Überschwinger, wie zum Beispiel solche, die glamouröse Fußballspieler mit Heiligenscheinen versehen (s. Fig. 1). Weniger bei PC-Bildschirmen aber ganz besonders gut bei Full HD Panels, wegen der großen Pixel, können diese und andere interessante Artefakte sehr gut sichtbar gemacht und auf einfache Weise erklärt werden. Die Wärmeleitungsgleichung ut − ∆u = 0 angewandt auf die Grauwerte eines 8-Bit Bildes, die durch die Funktion u : Ω ⊂ IR2 → [0, 255] dargestellt werden, bewirkt eine Verschmierung des Bildes; es wird unscharf. Kehrt man diesen Pro-

Zürcher Fachhochschule

Fig. 2: Zugrundeliegendes Prinzip des Bildschärfung

Natürlich gibt es heutzutage pfiffige Variationen der Rückwärtsdiffusion, wenn auch die Grundidee immer die Gleiche ist. Was bei diesem Demoobjekt noch bearbeitet wurde ist die Problematik der erforderlichen Rechenleistung: Knapp kalkuliert benötigt man 150 Rechenoperationen pro Pixel. Möchte man FullHD (2 Mio Pixel) live, also mit 50 Bildern pro Sekunde (50 Hz) schärfen, braucht man etwa 15 Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde (15 GFlops). Das bringt selbst eine modernen Rechner an die Grenzen. Moderne Grafikkarten rechnen mit Hunderten von Prozessorkernen etwa 100 Mal schneller als die CPU. Diese Rechenleistung wird zunehmend auch für wissenschaftliche Aufgaben verwendet. Mit WebGL ist es möglich und eben so in diesem Projekt realisiert, diese Rechenleistung in einem modernen Browser zu nutzen.

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

1.3

Research Report 2013

Virtual Layout for Continuous Casting of Steel

An integrated CAE solution for the layout of steel continuous casting machines and processes is developed. The multiphysics model at the heart of the CAE tool, which includes highly complex non-linear thermal and mechanical effects, is extended to address moving strands with state-of-the art numerical methods. This will provide more accurate and reliable results for the layout of such equipment in an industrial environment. Contributors:

G. Sartoris

Partners: Funding: Duration:

SMS Concast, Numerical Modelling GmbH CTI 2012â&#x20AC;&#x201C;2013

SMS Concast is an engineering company supplying heavy machinery and related technology for the production of long steel products as billets and blooms, which are subsequently transformed by rolling or forging into semi-final products. The scope of SMS Concast comprises design, engineering and automation, supply of hardware, commissioning of single process elements up to complete melt-shops. Such melt-shops range in their capacity from ca. 150.000 tons/year up to 2.3 million tons/year for one process-line.

tions and grows inwards from a thin layer to the full solid slab. A mixed Euler-Lagrange formulation is used to model this multiphysics problem, the former one is the method of choice for fluids and the latter for solids. Given the plastic strain, a Lagrange geometric linear formulation is used to solve the mechanical problem and to obtain the mechanical stresses. In turn, the stress is used to evaluate the rate of plastic flow and the plastic strain is computed by solving a convective transport problem for a given strand velocity with an Euler formulation. The first half of the project was dedicated to implement and solve this multiphysics Euler-Lagrange problem either fully coupled or partially uncoupled for the displacement and plastic strain fields. For this steady state approach, it is clear that for a zero strand velocity and a non-zero plastic rate, there are no solutions, hence the problem is illconditioned. The remaining time has been used to improve the numerical algorithms and the illconditionness of the system. Computations have shown that an uncoupled solution approach is not feasible, iterative solvers are not yet converging and 3D coupled solutions with 8 dofs at Lagrange nodes are feasible but computational expensive. We are working on stabilizing and speeding up the computation of solutions.

Goal of this project is to provide the industrial partner SMS Concast with up to date software for modeling the continuous casting of steel. In particular, our aim is to improve and adapt the NM-SESES multiphysics software to state-of-the art numerical algorithms as required for running optimized computations in the layout of continuous casting machinery. With this project, SMS Concast plans to improve the numerical simulation know-how developed in collaboration with NM Numerical Modelling GmbH during the past years. Optimized models and simulation concepts for the moving strand approach will enable SMS Concast to simulate casting processes closer to reality, with less effort and deploy it already in the offering phase. In addition, it will support R&D by identification of casting process limits and troubleshooting during installation and the after sales phase. The continuous casting of steel includes a liquid phase inside the moving slab and a solidifying one at the exterior. The liquid phase can display a turbulent character whereas the solid one is subjected to elasto-plastic deformations. The strand is moving in a stationary way through rollers and at the same time is cooled by sprayed water. Numerical methods have to cope with solid and fluid phases transport, energy transport, mechanical contacts, radiation and cooling. The solidified portion of the slab undergoes large plastic deforma-

www.zhaw.ch

Fig. 1: Continuous caster by SMS Concast.

ZĂźrcher Fachhochschule

Research Report 2013

1.4

Institute of Computational Physics

Thermal analysis to predict the cooling of chocolate

In chocolate manufacturing, the cooling of liquid chocolate is an important process step with respect to the final product quality, which is characterized by gloss, snap and good melting behavior. So far, chocolate cooling on an industrial scale has been based mainly on empiricism. Therefore, this work investigated detailed thermal conditions in industrial cooling tunnels and mimicked them by analytical laboratory methods such as differential scanning calometry. Students:

M. Suter

Category: MSE Swiss Master of Science in Engineering Mentoring: T. Hocker Handed In: 31. Dezember 2013 In-line cooling curve measurements were performed by the use of chocolate moulds equipped with temperature sensors, designed by ICP in coorporation with Max Felchlin AG, Schwyz. Fig. 1 shows in-line measured temperature curves in a cooling tunnel at Felchlin at 20 % and 80 % fan power settings in cooling zone 1. The nominal cooling air temperature, however, has been kept constant at 13 ◦ C. Firstly, the actual cooling air temperatures shown as the blue curves deviate significantly from the nominal value. Secondly, comparing the two temperature curves recorded inside the chocolate, shown as red curves, clearly shows the large impact of the cooling fan settings on the advancement of chocolate crystallization (at temperatures below about 27 ◦ C). Since the cooling curves are tightly coupled with micro-structural properties of the processed chocolate, optimizing the cooling parameters is expected to have a large impact on the chocolate’s sensorial and morphological properties. In parallel, cooling curves were measured under well-defined laboratory conditions by differential scanning calorimetry, DSC. Here, the aim was to quantify the heat of crystallization of cocoa butter upon cooling. Note that cocoa butter is the dominant fat component present in chocolate. From these heat-flux measurements, the internal energy uS of the sample was calculated for different DSC cooling rates. Results shown in Fig. 2 indicate that the cooling rate β strongly influcences cocoa butter crystallization. At smaller cooling rates, the onset for crystallization happens at higher temperatures. Also, for smaller β, the energy release upon crystallization is larger than with higher cooling rates. This behavior is expected since the conditions at smaller cooling rates are closer to thermodynamic

Zürcher Fachhochschule

equilibrium. The latter favors the most dense and stable crystals to maximize both the energy release and the phase transition temperature. The reported results are preliminary, but they show that linking in-line measured cooling curves with DSC analysis can be expected to be of great value for revealing the relationships between different cooling conditions and final chocolate quality.

Fig. 1: In-line measured cooling tunnel and chocolate temperatures in a two-zone cooling tunnel at Max Felchlin AG at 20 % and 80 % fan power settings in zone 1. 0

bH°CêminL

0.1

-50 uS HJêgL

0.2 0.3 0.4

-100

0.5 0.6 -150

TS H°CL 25

Fig. 2: Energy release uS of a DSC cooled cocoa butter sample as a function of the measured sample temperature TS for different DSC cooling rates β.

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

1.5

Research Report 2013

Modellierung von Holzvergasungsprozessen

Die Vergasung hölzerner Brennstoffe ist ein deutlich komplexerer Prozess als deren blosse Verbrennung. Finanziert durch die Gebert Ruef Stiftung entwickelt das ICP multiphysikalische Modelle, die helfen sollen, Lücken im Verständnis dieses, Energie-technologisch so relevanten, Verfahrens endlich zu schliessen. G. Boiger, Ch. Meier, T. Hocker

Partners: Funding: Duration:

Gebert Ruef Stiftung 2012–2014

Die Vision aus Holzabfällen sowohl Wärme, als auch hochwertiges Brenn- oder Synthesegas gewinnen zu können, ist nicht neu, klingt heute aber so bestechend, wie eh und je. Der Betrieb grosstechnischer Vergaser zeigt allerdings, dass ein kontinuierliches, stabiles Fahren des Prozesses nach wie vor technische Schwierigkeiten bereitet. Einer der Gründe dafür besteht darin, dass die thermofluiddynamischen Unterprozesse der Holzvergasung in ihrer vollen Dynamik noch immer nicht zur Gänze verstanden sind. Das ICP bemüht sich nun, diesen Zustand, durch die Entwicklung detaillierter, numerischer Modelle zu ändern.

vA in m/s

Abb. 2: Flammfrontgeschwindigkeit gegen Prozessluftgeschwindigkeit. Literaturdaten (links, oben) gegen Modellergebnisse (rot, blau).

Abgas

Holzkern

Holzgas

Abb. 1: Modellvorstellung des Vergasungsprozesses eines Holz-partikels.

Ein wesentlicher Fokus dieser Modellierungsanstrengungen lag im vergangenen Jahr auf der Entwicklung eines multiphysikalischen Vergasungssimulators. Die Modellvorstellung (siehe Abbildung 1) fokussiert sich dabei auf die Abbildung eines einzelnen Pellets, oder Hackschnitzels, während dessen Umwandlung in Kohle und Holzgas.

www.zhaw.ch

Pellets Model Wood Chips Model

Prozess -luft

Kohleschicht

Pyrolyse

In einer transienten 1D Simulation, kann nun die Lebensdauer eines Holzpartikels vom Zeitpunkt des Entzündens, über dessen Gasproduktionsphase, bis hin zum letztlichen Erlöschen der thermochemischen Reaktionen, mitverfolgt werden.

vFF in mm/s

Contributors:

Das Vergasungsmodell ermöglicht die Beschreibung folgender, relevanter Phänomene: Änderung der Strömungs-situation im und um das Partikel; Pyrolytische Zersetzung des Holzes; Thermochemische Vergasungsreaktionen; Teilverbrennung des Holzgases. Durch gezielte Vergleiche mit Daten aus der Literatur konnte gezeigt werden, dass ein modellbasiertes, qualitatives Nachbilden realer Vorgänge in Experimentalvergasern nun bereits möglich ist (Bsp. siehe Abbildung 2). Literatur: M. Fatehi, M. Kaviany, Combust. Flame, 99, 1994. S. Shabbar, I. Janajreh, Energ. Convers. Manage., 65, 2013.

Zürcher Fachhochschule

Research Report 2013

1.6

Institute of Computational Physics

Verbesserte Kühlprozesse für die Schokolade-Produktion

Die Schweizer Industrie stellt jährlich etwa 175’000 Tonnen Schokoladeprodukte her. Durch optimierte Kühlprozesse liesse sich deren Qualität weiter steigern und dabei noch Energie einsparen. Zusammen mit seinen Forschungspartnern analysiert das ICP daher das Abkühlverhalten von Schokolade durch eine Kombination von Laboranalysen, Inline Temperaturmessungen in der Produktion und thermodynamische Computersimulationen. Contributors:

L. Brenner, P. Fahrni, T. Hocker, T. Hunkeler, M. Suter

Partners: Funding: Duration:

IDP-ZHAW, ZSN-ZHAW, IFNH-ETHZ, Max Felchlin AG KTI 2013–2015

Zur Analyse des Abkühlverhaltens mussten bisher flüssige Proben aus der Produktion im Labor untersucht werden. Dabei blieb unklar, ob der eigentliche Abkühlprozess im Kühlkanal mit demjenigen im Labor tatsächlich übereinstimmt. Zur Untersuchung des Erstarrungsprozesses direkt in der Produktion hat das ICP deshalb zusammen mit dem Institute of Food Science der ETH, dem Zentrum für Signalverarbeitung und Nachrichtentechnik (ZSN) sowie dem Institut für Datenanalyse und Prozessdesign der ZHAW eine neuartige inline Messplattform entwickelt. Über Ultraschall-, Temperatur-, Wärmefluss- und Luftgeschwindigkeitsmessungen lassen sich die thermischen Eigenschaften des Kühlkanals, der Form sowie der Schokolade und deren Ablöseverhalten zeitaufgelöst messen. Abbildung 1 zeigt die dabei verwendeten Wärmefluss- und Temperatursensoren. In Abbildung 2 sind typische Abkühlkurven im Kühlkanal der Max Felchlin AG sowie die entsprechenden Kurven aus Tempermetermessungen im Labor dargestellt. Man sieht, dass die Temperaturverläufe im Bereich der Erstarrung unterhalb von etwa 26 ◦ C ähnlich verlaufen. Die Temperaturund Wärmeflussmessdaten wurden mithilfe von globalen Energiebilanzen auf ihre Konsistenz hin überprüft. Dabei stellte sich beispielsweise heraus,

Zürcher Fachhochschule

Wärme-

ﬂusssensor

dass das Messsetup einen Einfluss auf das thermische Verhalten der Probe haben kann, der folglich zu berücksichtigen ist.

Temperatursensoren

Die Qualität von Schokolade hängt nicht nur von ihrer Zusammensetzung, sondern auch von den Prozessbedinungen ab, unter denen die hergestellt wird. Speziell die letzten beiden Prozesschritte, das Temperieren, d. h das Züchten von Vorkristallen in der noch flüssigen Schokolade, und die Bedingungen beim anschliessenden Erstarren im Kühlkanal spielen dabei eine wichtige Rolle. Tatsächlich lassen sich typische Merkmale der Schokolade wie deren Glanz, Schmelztemperatur und Haltbarkeit aus dem zeitlichen Temperaturverlauf während des Erstarrungsprozesses herauslesen [1].

Abb. 1: Temperatur- und Wärmeflusssensoren als Teil der neuen In-line Messplattform.

T (ºC) Kühlkanal

Temper-  meter

t (s) Abb. 2: Abkühlkurven von Schokolade im Kühlkanal und im Labor im Tempermeter gemessen.

Im kommenden Projektjahr wird der Fokus am ICP auf der Entwicklung von orts- und zeitaufgelösten thermischen FE-Modellen liegen. Sie sollen helfen, die während der Erstarrung ablaufenden Kristallisationsprozesse im Detail zu verstehen. Literature: [1] D. Ehlers, W. Hanselmann, E. J. Windhab, Online Tempercurve Analysis of Praline Products with the Objective of Cooling Process Optimization, Journal of Food Process Engineering, 36, pp. 292-301, 2013.

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

1.7

Research Report 2013

Transport properties of compacted crushed rock salt

Crushed salt rock is considered as backfill material in depositories for radioactive waste. In terms of safety the pore microstructure and related transport properties of potential sealing materials are critical Contributors:

Lukas M. Keller

Partners: Funding: Duration:

EMEZ-ETH, EMPA DBE Technology GmbH (D) 2013

Decades ago, salt was proposed as a candidate rock for hosting a repository for nuclear waste. Ever since that proposition much work was done in order to assess the sealing properties of this material. Apart from the host rock, concepts for radioactive waste repositories include a material that surrounds the waste canisters and fills (i.e. back fill) the cavities between the canisters and the borehole in the host rock. Regarding a repository in salt rock, crushed rock salt is considered as the reference backfill material. An advantage of the material is the ability to consolidate into a dense material as a result of compactional loading. In any case, a final assessment of the suitability as a backfill material requires an understanding of the microstructure response to compaction. So far microstructural investigations of compacted crushed rock salt are scarce. In this study pore microstructures of crushed salt rock were reconstructed on the base XCT and were then used as input for the calculation of critical transport properties. Local porosity theory in combination with percolation theory was applied to quantify the connectivity of the pore space. The pore microstructures are isotropic in connectivity and percolation

-13

0.5

φ = 0.10

a) Gas permeability [m2]

0.45

Capillary pressure [MPa]

threshold. Application of finite-scaling schemes yielded percolation thresholds with critical porosities φc > 0.05. Pore network simulations were used to predict the absolute permeability and capillary properties of the microstructure. The predicted absolute permeability agrees well with published porosity-permeability relations for compacted rock salt. Fig. 1 shows the predicted capillary pressure curves and gas permeabilities for water drainage for φ = 0.1 and φ = 0.06. For φ = 0.06 substantial increase in capillary pressures is predicted for water saturation < 0.4. For similar porosities (i. e. ≈ 0.05), measured capillary pressure curves revealed a very similar behavior. As a conclusion, for pore radii > 4 microns, XCT and “critical” porosity determination confirm that an originally connected pore network within a compacted crushed salt sample can be disconnected by further compaction if porosity falls significantly below the “critical” porosity. During compaction substantial changes in transport properties occur near the percolation threshold. Predications of transport properties based on a network modeling agree with experimental results.

φ = 0.06

0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1

-14

-15

-16

0.05 0

0.2

0.4

0.6

Water saturation

0.8

-17

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Water saturation

0.8

0.9

Fig. 1: Prediction of gas transport properties for different pore microstructures. Regarding a repository for radioactive waste, gas transport properties are of interest with respect to release of gas pressure that builds up during corrosion. a) Predicted capillary pressure curves and b) gas permeabilities for pore structures with different porosities.

www.zhaw.ch

Zürcher Fachhochschule

Research Report 2013

1.8

Institute of Computational Physics

Potential of the lock-in thermal imaging method for the early detection of cutaneous melanomas

We developed a 2D axisymmetric multilayer heat-transfer model of the human skin to assess the potential of lock-in thermal imaging for the detection of early-stage cutaneous melanomas. Contributors:

M. Bonmarin, F. Le Gal

Partners: Funding: Duration:

Dermato Oncological Unit - HUG Swiss Cancer League 2012â&#x20AC;&#x201C;2014

Cutaneous melanoma is considered to be the most serious form of skin cancer due to its ability to metastasize. The occurrence of melanoma is about 7.5 new cases per 100 000 inhabitants per year for Europe, and has been drastically rising over the last decades (Godar 2011). Switzerland is particularly affected and exhibits one of the highest rate of melanoma in Europe, see Fig. 1. Nonetheless, if detected at an early stage of development, the prognostic is excellent. In this context, the development of a non-invasive diagnostic tool is urgently required. Among the different techniques proposed so far, lock-in thermal imaging (LIT) is a very promising method. LIT is based on the periodic thermal excitation of the specimen under test. Resulting surface temperature oscillations are recorded with an infrared camera and allow to detect variations of the sampleâ&#x20AC;&#x2122;s thermophysical properties under the surface. To assess the potential of LIT for the early detection of cutaneous melanoma, we developed a twodimensional axisymmetric multilayer heat-transfer model of the human ski, see Fig. 2. The steadystate and transient skin surface temperatures are numerically derived for different stage of development of the skin lesion and demodulated according to the digital lock-in principle. Numerical results show that cutaneous lesions, even at an early stage, exhibit a specific thermal signature compared to healthy surrounding skin (Bonmarin & Le Gal 2014).

Fig. 1: Evolution of the melanoma incidence in Switzerland. From Cancer in switzerland FSO 2011.

Fig. 2: 2D multilayer heat-transfer model of the human skin.

ZĂźrcher Fachhochschule

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

www.zhaw.ch

Research Report 2013

Z端rcher Fachhochschule

Research Report 2013

Institute of Computational Physics

2 Fuel cells and Energy Systems Fuel cells electro-chemically convert fuels such as hydrogen, natural gas or methanol into electrical energy and heat. They can be used as battery replacement in portable electronic devices, for production of heat and electricity in households and as an energy source in electric cars. Due to their flat design, fuel cells are generally connected in series to form stacks and since their number can be easily varied, these energy suppliers have a good scalability and can be deployed in various applications with electrical efficiencies of over 60% possible. As paragon, the efficiency of a coal power plant is on average only 31%. Although the functional principle among all fuel cells is the same, they can greatly differ in the choice of materials and operating temperature. As an example, the solid oxide fuel cell (SOFC) are operated at about 500 ◦ C, whereas polymer electrolyte fuel cells (PEFC) run below 100 ◦ C. Meanwhile, the first micro combined heat and power systems of Hexis AG, Winterhtur are on the market. A big commercial success has not yet been reached and one has to further reduce the manufacturing costs and to increase the robustness and the life of the systems. The ICP supports the development of fuel cell systems by using multi-physics computer models. They help to understand the large number of occurring processes as chemical, thermal, electrical, mechanical and fluidic ones with the goal to detect system weaknesses and to design improvements. In addition to fuel cell systems, we also model photo-electro-chemical cells (PEC) in which solar energy is used for water splitting. At ICP we have strategic partnerships in the field of SOFC research with Hexis AG, Winterthur, in the area of PEFC research with the Paul Scherrer Institute, Villigen and in the area of PECs with the EPFL, Lausanne.

Zürcher Fachhochschule

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

2.1

Research Report 2013

Morphology influence on oxide scale conductivity

Oxide scale growth is a major source for performance loss of SOFCs. A non linear relationship is perceived between scale growth (thickness) and associated ohmic resistance, which can be attributed to morphological features of the oxide layer. This morphological features, which are more important in thin layers (i. e. at short operation times < 1000 h) are described quantitatively at ICP based on electron microscopy, image analysis and finite element. Contributors:

Markus Linder, Lorenz Holzer, Thomas Hocker

Partners: Funding: Duration:

Hexis AG Swisselectric Research, Swiss Federal Office of Energy 2012–2014

To provide a sufficient amount of electrical energy in technical fuel cell applications several cells have to be stacked. These cells are connected by current collectors made of the chromium based alloy Cr5Fe1Y2 O3 (CFY). In the stack the metallic interconnects (MICs) act as gas separators and distributors for cathode air and anode fuel as well as current collectors. Under solid oxide fuel cell (SOFC) operating condition with high temperature (T > 600 ◦ C), continuous oxide scale formation on the MIC surface is unavoidable.

LSM

high el. current densities

pores

Cr2O3

Cr5FeY2O3

In order to explain the observed non-linear relationship in the time depending evolution, FEmodeling is applied to simulate the current density distribution over the oxide layer in the SEM images. The simulations illustrate that the formed oxide layer with its complex morphology and pores builds some bridges which are consequently the preferred pathways for the electrical current (cf. Fig. 1). This morphology effect is more emphasized during the initial stage (< 2000 h) and disappears nearly for longer time scales (> 5000 h) since thicker oxide layers reduce the bridging effect. Based on a large number of SEM images a time dependent morphology factor M (t) could be determined which describes the bridging effect quantitatively. The results in Fig. 2 show that the ASR predictions, which are corrected for bridgingeffects with the time dependent M-factor, agree much better with the experimental data. This finding helps to improve the life time predictions for SOFC applications which is a relevant information for our project partner Hexis during the market launch phase.

Fig. 1: Current path simulations on a real Cr2 O3 scale (based on SEM image data) show that the electrical current seeks the way with the least resistance.

www.zhaw.ch

ASR m cm 2

The additional ohmic resistance caused by the contentious Cr2 O3 scale formation on metallic interconnects can significantly contribute to the overall electrical power degradation of SOFC stacks. For this reason the mean oxide scale growth on MIC material was investigated and quantified based on time-laps scanning electron microscopy (SEM) from samples exposed in a furnace to air at 850 ◦ C. For the scale growth and the ASR evolution the same characteristic is intuitively expected. However electrical conductivity measurement on CFY samples under the same condition show a deviating characteristic in the resulting area specific resistance (ASR) trend.

25 20

ASR with M factor, Σ " 0.032 S cm

0 0

1000

ASR without M factor, Σ " 0.040 S cm experimental data 2000

3000

4000

5000

6000

time h

Fig. 2: ASR evolution determined based on oxide scale thickness with and without M-factor correction, respectively.

Literature: J. Wu, X. Liu, J. Mater. Sci., 26, 293, 2010. M. Linder et al., J. Power Sources, 243, 508, 2013. M. Linder et al., J. Power Sources, 2014, submitted.

Zürcher Fachhochschule

Research Report 2013

2.2

Institute of Computational Physics

Modeling Solar Cells for Hydrogen Production

Hydrogen is one of the main candidates for energy storage, because it is an excellent and clean fuel. A promising method for hydrogen production is a photoelectrochemical (PEC) solar cell. In collaboration with the experimental group at EPF Lausanne, ICP is developing a physical model for the optimization of PEC cells. Contributors:

P. Cendula, J. Schumacher

Partners:

Laboratory of Photonics and Interfaces EPFL, Photovoltaic and Optoelectronic Devices Group, University Jaume I (E) Swiss Federal Office of Energy 2012â&#x20AC;&#x201C;2014

A PEC solar cell absorbs light and produces hydrogen and oxygen instead of electricity. Fig. 1 shows a tandem PEC cell configuration for the unassisted water splitting, that is, no additional bias voltage is needed to drive the water splitting reaction [1]. In the first year of the project (2012), we implemented in-house software to calculate the energy band diagram of the PEC cell from hematite based on the hole continuity equation. In the current year, we extended our model to achieve a consistent description of the electrochemical and semiconductor energy levels [2]. Furthermore, we can now simulate p-type semiconductor materials, and we compared current-voltage curves of previous analytical models with our simulation results.

We also included p-doped semiconductor PEC electrodes in our model, since these are needed for incorporation in tandem PEC architectures [1]. The electron continuity equation is solved in this case and the hole concentration is assumed to remain equal to the dark value. Now we can simulate n-type and p-type semiconductor junctions as they are applied in PEC cells to increase stability and charge transport properties. 5

Photocurrent @mAcm-2D

Funding: Duration:

Numerical

Gartner Reichmann

0 0.6

0.8

1.0

Vr,RHE @VD

1.2

1.4

Fig. 2: Current-voltage curves for charge transfer rate constant ktrh = 1, 10, 100 m/s (in direction of arrows) from our numerical model, Gartner model and Reichmann model.

Fig. 1: Tandem PEC cell composed of a dye solar cell and a hematite PEC cell. Reprinted from [1].

In electrochemistry, the voltage is most commonly given relative to the reference electrode. However, in a semiconductor PEC electrode which is composed of single or multiple materials, it is frequent to use an energy scale that is defined relative to the vacuum level. Relating these two definitions can lead to some confusion and we provided a consistent set of definitions that enables us to relate the different expressions for voltages and energies [1].

ZĂźrcher Fachhochschule

We compared the current-voltage response of our numerical model with classical results of Gartner and Reichmann, Fig. 2. According to Gartner, minority charge concentration is calculated from diffusion equation, neglecting recombination in the SCR. Our software is accessible freely online to the PEC research community [3]. Extension of our model with surface states at the semiconductor/electrolyte interface will enable an accurate physical description and optimization of PEC electrodes. Literature: [1] J. Brillet et al., Nature Photonics, 6, 824, 2012. [2] J. Bisquert et al., J. Phys. Chem. Lett., 205, 2013. [3] https://home.zhaw.ch/cend/PEC/.

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

2.3

Research Report 2013

Simulation and Freezing of the Fuel Cell Stacks

In the energy hungry modern world, the need to replace the fossil fuel based systems with sustainable and clean energy technologies is enormous. The leading replacement candidate in the transport applications as well as in stationary applications are the hydrogen fueled polymer electrolyte membrane fuel cells. Contributors:

J. Dujc, J.O. Schumacher, G. Sartoris

Partners: Funding: Duration:

PSI, Belenos Clean Power Holding AG Swiss Federal Office of Energy, Belenos Clean Power Holding AG 2010â&#x20AC;&#x201C;2014

Project overview Proton exchange membrane (PEM) fuel cells generate electrical power from hydrogen gas with pure water being the only byproduct. To better understand and further develop these systems, our effort is directed towards computer simulations and experimental model validation. In this joint project between Belenos Clean Power Holding AG, Paul Scherrer Institute and ICP we focus our attention on two certain aspects. In the first work package, the optimization of a fuel cell stack is addressed. For this purpose ICP develops coupled (multiphysics) numerical models to represent the interaction between the transport and reaction processes that are present in an operating PEM fuel cell. Analyzing these interactions by combination of simulation and measurement is essential to identify the energy conversion losses and to improve the fuel cell performance. The Paul Scherrer Institute provides the experimental background for model validation. Fuel cell systems in transportation applications are required to be started below freezing temperature. There are still some unanswered fundamental questions in relation to the local ice formation and the consequent degradation of the PEM fuel cells. Therefore, in the second work package, the behavior of PEM fuel cells at freezing conditions is investigated. This is done mainly by the means of X-ray tomography at the Paul Scherrer Institute. State of the project In the year 2013 the development of the 2D+1D PEM fuel cell simulation software has come to the concluding stage. A general geometry-invariant approach for the simulation of the pressure and velocity fields in the 2D domains of the anode and

www.zhaw.ch

the cathode side has been developed and verified. By using this approach the pressure drop simulations of the complex flow-field geometries of large-area cells can be now performed. The part of the software dedicated to the 1D modeling of the membrane electrode assembly has been further extended and the code has been optimized. Moreover, the 1D model was validated by comparison to experimental data obtained by PSI. The 2D and the 1D model components have been consistently coupled and the software has been verified by comparing its results with the results obtained by benchmark tests.

Velocity field [m/s] obtained by using the three-dimensional Navier-Stokes equations (left) and the averaged twodimensional Navier-Stokes equations (right).

Outlook The 2D+1D fuel cell simulation software will be used to simulate different flow-field configurations. On the request of Belenos Clean Power Holding AG we will also investigate the influence of the channel shape and the influence of the channel alignment on the performance of the fuel cell. Based on the results of the above investigations, conclusions will be drawn and fuel cell design recommendations will be provided. Literature: J.O. Schumacher et al., Math. Comp. Mod. Dyna. Syst., pp. 1-23, 2012.

ZĂźrcher Fachhochschule

Research Report 2013

2.4

Institute of Computational Physics

3D topology and reaction kinetics in SOFC electrodes

Fuel cell electrode performance is affected by various electrochemical processes and transport phenomena that depend on the microstructure and intrinsic material properties. An elaborate quantification of microstructure parameters and models that incorporate microstructure effects and simulate electrode reaction mechanisms are necessary to quantitatively describe microstructure-performance relationships. Contributors:

O. Pecho, L. Holzer, M. Prestat, R. Flatt, T. Hocker, B. Münch, V. Schmidt

Partners: Funding: Duration:

ETH (IfB, NonMet, EMEZ), Hexis AG, Empa, Ulm University (DE) Swiss National Science Foundation 2012 – 2014

This investigation involves two different types of materials. In the first part, nanoporous LSC (La0.6 Sr0.4 CoO3-δ ) thin film cathode layers for intermediate-temperature operation (≈ 600 ◦ C) applications are deposited by wet spray pyrolysis onto gadolinium-doped ceria (GDC) electrolyte substrates, followed by heat-treatment at 600 ◦ C, 800 ◦ C, and 1000 ◦ C (Figure 1). A secondary phase composed of Sr and O is detected with backscatter imaging within the pore network of the 600 ◦ C and 800 ◦ C sintered layers. This leads to a ‘modified’ La0.6 Sr0.4-x CoO3-δ stoichiometry with associated increase in A-site deficiency, oxygen vacancies and different intrinsic properties.

on the oxygen reduction kinetics. Generally, the cathodes exhibit very good performance attributed to the strong correlation between the total LSC surface area and the area specific resistance (ASR) as shown in Figure 2.

Fig. 2: Correlation between LSC total surface, Pore-LSC interface and sintering temperature with ASR.

Fig. 1: (Left) SEM micrographs of LSC sintered at 600, 800 and 1000 ◦ C obtained from FIB cross-sections and (right) the corresponding segmentation results with LSC (white), secondary phase, SP (gray) and pores (black).

Quantification of the relevant microstructure parameters based on FIB-SEM micrographs, and application of the Adler-Lane-Steele (ALS) model are performed to gain understanding about the influence of the secondary phase and its nanoporosity

Zürcher Fachhochschule

In the second part, microstructure effects in composite anodes such as Ni-YSZ are investigated. Insights about the influence of microstructure degradation on the effective ionic and electronic conductivities, charge transfer reactions, and electrode performance are evaluated. Changes in the TPBs are correlated with the loss of the anode performance. Moreover, a model capable of simulating complex anode reaction mechanism is used to evaluate the specific components (ionic and electronic transport, electrochemistry and charge transfer) of the ASR. The results are compared with the experimental data obtained from electrochemical impedance and conductivity measurements. These give further insights and understanding on microstructure-performance relationship and new interpretations of widely discussed phenomena such as nickel coarsening upon redox cycling.

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

2.5

Research Report 2013

Strömungssimulation am SOFC-Brennstoffzellenmodul

Die Firma Hexis AG konzipiert ihr Brennstoffzellenmodul (BZM) neu. Bevor Fertigungsaufträge ausgelöst werden analysiert das ICP einzelne Konstruktionsentwürfe modellbasiert. Im Rahmen einer Studienarbeit wude die Luftzufuhr am BZM untersucht. Contributors:

G. Boiger, V. Lam, C. Meier

Partners: Funding: Duration:

Hexis AG, Viessmann Werke GmbH Hexis AG, Förderprojekt Leonardo 2013–2015

Seit über zehn Jahren pflegt das ICP eine enge Forschungs- und Entwicklungszusammenarbeit mit der Firma Hexis AG. Die Markteinführung ihres SOFC-Heizgerätes Galileo 1000N erfolgte im Sommer 2013 und stellt einen Meilenstein in der Firmengeschichte dar (SOFC steht für Solid Oxide Fuel Cell, eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle). Von dem ebenfalls 2013 bekanntgegebenen Einstieg der Viessmann-Gruppe bei dem Winterthurer SOFC-Hersteller werden wichtige Impulse zum wirtschaftlichen Erfolg der Technologie erwartet. Das ICP unterstützt die anstehende Integration der Hexis-SOFC in die Produktlinie von Viessmann durch modellbasierte Analysen und Berechnungen. Im Fokus der bis 2015 beschlossenen Zusammenarbeit steht die Weiterentwicklung des Brennstoffzellenmoduls (BZM), dessen Integration in die von Viessmann speziell entwickelte Heizungsplattform sowie die Optimierung der SOFC-Regelung. Unsere Kompetenzen in der Simulation von thermo-fluidischen und elektrochemischen Systemen sowie gute Kenntnisse des Hexis-Systems ermöglichen dabei gesamtheitliche Analysen.

Temperatur von 850◦ C betrieben und ein vom ICP mitentwickelter Prototyp weist eine sehr homogene Temperaturverteilung auf (siehe ICP Research Report 2012). Als Bestandteil des Design gelangt die Verbrennungsluft über einen einzelnen Anschluss in einen Ringkanal, umströmt das BZM und tritt durch mehrere Bohrungen in den Stack ein. Verlangt wird unter anderem eine hinreichende Gleichverteilung der Luft über diese Bohrungen - nur so wird ein LuftBrenngasverhältnis für optimale Wirkungsgrade und Zellen-Lebensdauer erreicht. Aufgrund des beschränken Bauraumes muss der Ringkanal gegenüber dem bestehenden Prototypen jedoch verkleinert werden.

Fig. 2: Prognostizierte Stromlinien bei Volllastbetrieb.

Fig. 1: Relevante Geometrie mit Anschluss der Luftzufuhr (rot), Ringkanal (gelb) und Durchtrittsbohrungen (grün). Dargestellt ist nur ein Viertel der realen Geometrie.

Der Brennstoffzellenstack wird optimal bei einer

www.zhaw.ch

Numerische Strömungssimulationen eines Entwurfs von Hexis haben gezeigt, dass die Verkleinerung des Ringkanals auf BauraumMasse eine geringe Luft-Ungleichverteilung von 2-5% nach sich zieht. Ebenfalls werden instationäre Ablösungen erwartet, welche sich negativ auf die Gesamtdruckverluste auswirken. Pragmatisch betrachtet genügt die Lösung jedoch den Anforderungen. Für das Entwicklungsteam von Hexis bedeuten die Resultate zusätzliche Sicherheit zur ordnungsgemässen Funktion des nächsten Versuchsaufbaus.

Zürcher Fachhochschule

Research Report 2013

2.6

Institute of Computational Physics

Integration of High Temperature Electric Converter for Electricity Generation in a Solide Oxide Fuel System

In this project we develop high-temperature thermoelectric converters (TECs). Based on mathematical models the ICP simulates computationally the efficiency, power output and current voltage characteristics of high-temperature thermoelectric converters (TECs) as a function of their geometrical and physical design. This will allow us to derive guidelines for the optimal design of high-temperature TEC modules for their implementation into a solid oxide fuel cell (SOFC). Contributors:

M. Schmid

Partners: Funding: Duration:

SSC-EMPA, LPCM-EPFL, ITP-ETHZ, CRISMAT-CNRS (F), Hexis AG Competence Center Energy and Mobility, Swiss Federal Office of Energy 2012–2016

Solide oxide fuel cells (SOFCs) convert chemical energy stored in a fuel (hydrogen or natural gas) to electricity. The combustion of the fuel in the SOFC leads to waste heat of temperatures up to 900 ◦ C. When the SOFC system is integrated in buildings, the waste heat is usually used for hot water production. However, using thermoelectric converters (TECs) a part of the waste heat may be converted to additional electricity, which is the most valuable form of energy. The goal of this project is to develop a thermoelectric converter for the implementation into the SOFC system of Hexis AG.

vestigating the influence of the geometrical design of the legs. Both models allow for calculating the temperature and electric potential profiles inside the thermoelectric converter. For temperature dependent Seebeck coefficient, electrical and thermal conductivity we are using measured data from the p- and n-type materials developed by EMPA (Ca3 Co4 O9 for the p-leg and Ca3 Mn0 .97W0 .03O3 for the n-leg). The simulations of the 2-leg TEGs (1d or 2d) need temperature distributions (or corresponding heat flux densities) at the hot and the cold side of the TEC as inputs.

The work task of the ICP in this research project is to develop simulation based strategies to optimize the performance of the thermoelectric converter (TEC) modules and derives design guidelines for their later implementation into the HEXIS SOFC system. The thermoelectric module is mathematically modeled by the equations for thermoelectricity on the individual thermoelectric semiconductor legs (small-scale model). These equations are coupled to the energy balance equations for the SOFC system (large-scale model). Solving the coupled system of equations allows to simulate the current-voltage characteristic (IV-curve), the electric power and efficiency of the thermoelectric converter as a function of design and geometrical parameters. The model is validated by comparing simulations to measurements performed on thermoelectric modules fabricated at EMPA. Smallscale simulations are done in two different ways: in the 1d model the thermoelectric equations are solved along the length of the thermoelectric legs taking into account in particular the thermal and electric contact resistances at the semiconductor/metal contact interface. In the 2d model the thermoelectric equations are also solved along the lateral direction. Here, the focus is layed on in-

Fig. 1: Electrical potential, with left leg a p-type semiconductor and right leg a n-type one.

Zürcher Fachhochschule

These temperature distributions (or heat flux densities) will depend on the placement of the thermoelectric converter modules inside the SOFC. Moreover, the heat flux extracted by the thermoelectric converter modules leads to a back reaction on the SOFC heat and energy balance. In order to investigate this feedback mechanism and to assess the ideal placement of the TEC modules, the smallscale model is coupled to the energy and heat balance analysis of the SOFC. For an initial evaluation we study the placement of the TEC module on the exhaust heat exchanger.

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

2.7

Research Report 2013

A new mathematical solution for the problem of channelelectrode gas flow in fuel cell applications

An analytical approach for solving the problem of 2D-compressible gas flow in a channel over permeable thin electrode is developed without using empirical defined slip velocity condition. The transverse mass fluxes attributed to electrochemical exchanges in the electrode are considered. The novel analytical solution is suitable for fuel cell applications. Contributors:

Y. Safa

Partners: Funding: Duration:

Hexis SA Swisselectric Research, Swiss Federal Office of Energy 2012â&#x20AC;&#x201C;2014

Fuel cell is an efficient technology to convert, through environmentally friendly processes, the chemical energy of the natural gas fed by the embedded channels, into electricity generated by chemical exchanges at the electrodes. An optimized concept of electrode materials and gas channel geometry is important to reduce the polarization losses associated with masses and charges transport. Thus, the robustness of a fuel cell model is critical for its usefulness as a design tool. Progress in modelling of gas channel flow along a porous layer has been achieved. In some known approaches, the slip velocity on the surface of porous layer is often estimated using empirical Joseph-Beaver type condition. Otherwise, NavierStokes equation is numerically solved in the channel and in the porous layer by introducing a penalized velocity term. However, in case of thin electrode layer (cf. Fig. 1), both approaches can suffer from either inconsistent interface condition (Joseph-Beaver), or bad conditioning attributed to the mesh elements within the extremely thin porous layer.

changes in the electrode, are accounted for in our solution. This represents an advanced step with respect to other approaches, e.g., in that applied on aerostatic slider bearings (Djordjevic 2003) the transverse mass fluxes were omitted leading to an inapplicable model in fuel cell case with high current density. Results from our M athematicaimplementation are shown in Fig. 2 for given inlet velocity uinlet = 1 m/s, outlet pressure poutlet = 0.1 M P a and the current density I. The transverse velocity (in y-direction) is magnified by a factor of 500. Shown is the effect of dense mass produced in the thin anode on the pressure and the velocity fields in anode (y < 0) and in channel (y > 0).

Fig. 1: Channel flow over thin porous anode layer

In our new attempt, the compressible flow in the channel and in the porous electrode was treated separately using mass and momentum conservation laws. The equations are formulated in a unified system where the slip velocity is not known a priori, but follows from requiring continuous shear stresses at the electrode surface. Moreover, the transverse mass fluxes at the electrode surface associated with electrochemical ex-

www.zhaw.ch

Fig. 2: Velocity with magnified transverse component, pressure, and cross-section outlet average velocity uoutlet are obtained for I set to 0, 30 and 100 Amp/m2 respectively.

ZĂźrcher Fachhochschule

K1 1.50×10 m⌦ cm K2 Standard 6.25×10−2 m⌦ cm2 Elektrolyt 1.60×102 m⌦ cm2 Research Report 2013 Physics Nickelnetz Institute of Computational 2.10×10−5 m⌦ cm2 MIC Anode 8.05×10−3 m⌦ cm2 2.8 Reduzierung der Ohm’schen Verluste in neuer Generation MIC Kathode 8.05×10−3 m⌦ cm2 von Hexis Brennstoffzellen Cr2 O3 Anode 4.00×100 m⌦ cm2 Das Brennstoffzellenheizgerät Galileo der Hexis AG wandelt Erdgas kontinuierlich in 0 elektri2 O3Bedarf Kathode 4.00×10Umm⌦ sche Energie und Wärme um und decktCr so2den eines Einfamilienhaushalts. den cm elektrischen Wirkungsgrad des Systems weiter zu erhöhen, konnten die Ohm’schen −2 LSM-Schutzschicht 5.71×10 Verlusm⌦ cm2 te durch Optimierung der Strompfade im Brennstoffzellenstapel weiter verringert werden. Kontaktpaste 1.00×10−1 m⌦ cm2 Students:

L. Kaufmann

Category: MSE Swiss Master of Science in Engineering Mentoring: T. Hocker Handed In: Juli 2013

Zur Modellvalidierung wurde der Fall «Standardzelle, muliert. Wie im Kapitel 4.6.3 beschrieben wurden Post Grenzflächen zwischen den Materialien eingeführt. Dadur Spannungsabfall bestimmt werden. Über Gleichung 4.22 k berechnet und mit den 1D-Werten verglichen werden. Für die meisten Schichten stimmen die simulierten We rechnung überein. Lediglich bei MIC, Ni-Mesh und LSM Dieser Effekt kann einfach erklärt werden. Bei den schle Strom auf kürzestem Weg durch die Schicht. Bei den b Strom auch parallel zu den Grenzflächen, was den effekti rekten Weg deutlich erhöht. Dieser 2D-Effekt führt zur D 1D-Handrechnung und den Simulationswerten. Spannung / mV

elektr. Spannung

elektrische Spannung

Spannung / mV

elektr. Spannung

Spannung / mV

Nach mehrjährigen, erfolgreichen Feldtests [1] spektren der einzelnen Zellen, so lässt sich eiAbbildung 93:Aufnahme Post-Test des REM Aufnahme des einer Abbildung 93: Post-Test REM Seitenschliffs einerSeitenschliffs Standardzelle mitStandardzelle zusätzlicher wurde Hexis Galileo Ende 2013 in den Markt ein- unversinterter ne deutlicheK2Reduzierung deraus Ohm’schen Verluste unversinterter K2 dem Versuch 2. aus dem Versuch 2. geführt und ist nun erstmals für Privatkunden di- um ∆Rohm zwischen der Referenzzelle 3 und den rekt erhältlich, siehe www.hexis.com. dazu modifizierten Zellen 1,zusätzlicher 2, 4 und 5 erkennen. Um zu Abbildung 93: Post-Test REM AufnahmeParallel des Seitenschliffs einer Standardzelle mit läuft bereits die EntwicklungK2der Generaklären, worin genau die Ursache für die Reduzieunversinterter ausnächsten dem Versuch 2. tion des Brennstoffzellenheizgeräts. Bei der Ent- rung der Ohm’schen Verluste lag, wurden SESES wicklung von Galileo stand dessen Zuverlässig- FE-Simulationen der elektrischen Strompfade im keit und eine Lebensdauer des Brennstoffzellen- Hexis-Stack durchgeführt, die in Abb. 3 dargestellt 1100 1100 stapels von mindestens 8 Jahren im Vordergrund. sind. Cell 1 Cell 1 Um dem geringeren Wärmebedarf moderner EinCell 2 Cell 2 1000 1000 Cell 3 Cell 3 familienhäuser Rechnung zu tragen, soll der elek1100 Cell 4 Cell 4 trische Wirkungsgrad von momentan ca. 35 % wei900 900 Cell 1 Cell 5 Cell 5 Cell 2 1000 Da Hochtemperatur Festoxidter erhöht werden. Cell 3 800 800 Brennstoffzellen vom Typ SOFC über theoretische Cell 4 900 Cell 5 Wirkungsgrade von über 60 % verfügen, ist das 700 700 Potential entsprechend gross. Deutliche Steigeelektrischer Strom 800 Kapitel 4. Kathodenkontakt rungen im Wirkungsgrad können durch eine ef600 600 Abb. 1: (U, I)-Kennlinien eines 5-Zellen Hexis-Stacks. 0100 50 100 150 200 250 300 0 50 150 200 250 300 fizientere Brenngasreformierung erreicht werden. elektr. 700 Zellen eine leicht verminderte, jedoch nicht Stromdichte aussergewöhnliche OCV auf Strom (siehe Stromdichte / mA cmKapitel 2.7). Eine / mA cm Weitere Steigerungen sind durch Weiterentwickgenauere Aufschlüsselung des ASR jeder Zelle wird mit der EIS-Messung erzielt. Rohm M23_HP130024 120 mA cm-2 231 h lung der Zellen und ihrem Verbund im SOFC-Stack 600 Abbildung 94: des 5er-Stack Versuchs 3 (HP130024 Abbildung 94: VI-Kennlinie des VI-Kennlinie 5er-Stack Versuchs 3 (HP130024). 0 50 100 300 möglich. elektr.150Strom 200 0.00 250 cell 1 Stromdichte / mA cm -0.05 cell 2 Im Rahmen der Masterarbeit von Lukas Kaufcell 3 -0.10 cell 4 mann wurde Abbildung deshalb das Potential für eine Re5 -0.15 94: VI-Kennlinie des 5er-Stack Versuchs 3 cell (HP130024). stack duzierung von Ohm’schen Verluste untersucht. -0.20 -0.25 Diese Verluste resultieren aus Reibungsverlus0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Re(Z) ten beim Transport von elektrischen94Ladungen. 94 Lukas Kaufmann Lukas Kaufmann R êW Sie hängen von den elektrischen LeitfähigkeiAbbildung 95: Abb. EIS Spektrum des 5er-Stack Versuchs 3 (HP130024) bei einer Stromdichte von 2: Impedanzmessdaten eines 5-Zellen Hexis-Stacks. ten der verwendeten Materialien, der Länge der 120 mA cm−2 nach 231 h Betriebszeit. Sowohl ASROhm als auch ASRTot sind ge94 Lukas Kaufmann Strompfade im Stack sowie möglichen Kontakt- genüber der Referenzzelle deutlich reduziert. widerständen ab. Zunächst wurden verschiedeAus Abbildung 95 wird ersichtlich, dass alle vier Zellen mit zusätzlicher unversinterter K2 sehr ne Modifikationen des Zellenverbunds in nahe 5-Zellen zusammenliegen, d. h. die Streuung zwischen den Zellen ist sehr gering. Die in der VI-Kurve schlechter abschneidende Zelle 4 erzielt in der EIS-Messung dieselben ASR-Werte wie die Zellen 1, Teststacks umgesetzt und mögliche änderun2 und 5. Wie bei Versuch 1 weist die Referenzzelle einen deutlich höheren ASROhm sowie ASRTot gen der Stackverluste untersucht. Abb.auf. 1 Gegenüber zeigt dem Versuch HP130016 fielen die ohm’schen ASR-Werte mit 185–190 m⌦ cm2 etwas besser die Strom-Spannungskennlinien eines solchen 5- aus. Allerdings weist auch die Referenzzelle des Versuches 3 mit 250–260 m⌦ cm2 tieferen Wert auf als die Referenzzelle des Versuches 1 mit 300 m⌦ cm2 . Zellen Stackversuchs. Die Modifikationeneine wurden Abb. 3: Ausschnitt SESES FE-Modell des Hexis-Stacks mit an Zellen 1, 2, 4 und 5 durchgeführt, während Zel- simulierten Strompfaden. 5er-Stack Versuch 4 (HP130027) le 3 unverändert blieb. Die Spannungsverläufe äh- Literature: Um zu testen, ob die bislang erzielten niedrigen ASROhm Werte nur aufgrund der doppelten neln sich bis auf das Verhalten bei hohen Strö- [1]Kathode A. Maizustande et al., Hexis SOFC Galileo N Versuch aufgeSchichtdicke der gekommen sind,System wurde ein weiterer1000 5er-Stack men. Betrachtet man hingegen unter Teillast baut. die – Lab and Field Test Experiences, ECS Transactions, 57, pp. 73–80, 2013. Als Zellvariation wurden die Zellen mit unversinterter K2 verbaut. Die Zellen entsprechen den entsprechenden, in Abb. 2 gezeigten Impedanz-2

-2

Im(Z)

RIm ê W

ì ò ô

ì æ ì ôæ æ ì ì æ ôôæ ì æ ì ì ô æ æ ì ô ò à æ ì ò ô æ ò ô à æ ì ò à ì æ à ô æ à ô ì à ô à ò æ à æ ò ò ô à ò ì ô à ò ì ç ç æ ç à ç ô æ æ ò ô ç ì ç ì ò æ à ò ç ì ò ç ô ç à ç ô ç ç æ à ô ç ì à ò ì ç ç ì ç à ò ç ô ò æ ì ì ò à ç ç ô ô ìì ò ô à ò ô ì ô ç ç ô ì ò ô ò ìì ì ç æ æ à à ç à ç à æ ì ç ì ç à ì æ æ ò ô ò æ à æ ç æ æ ì ô à æ ç ì à ô ì æç æ ç à ôò ò ì æ ì ôòàæç ç ì ôòàæç ì à ôò æç ìì à ôò à ôò æç æç à ì ôò ç æ à ò ô ç ì æ à ôò ç ì æ à ò ô çæ à òô

çæ

ô àò

à òô ç æ

ì àò ô ç æ

ì ç àò ô

æ ô ç àò ì

æ ç

ì æ ôòç à ì æ ô ç àò ì

Zürcher Fachhochschule

im Auslagerungsversuch 5 verwendeten Zellen, siehe Kapitel 4.4.1. Analog zu den vorangegangen Versuchen wurde der Versuch mit vier Variationszellen und einer Referenzzelle aufgebaut, wie in 23dargestellt ist. www.zhaw.ch Abbildung 96 Wiederum zeigt die Referenzzelle im Gegensatz zu den Variationszellen kein Abknicken und scheint etwas steiler zu verlaufen. Die EIS-Messung des Versuches 4 zeigt analog zu den Versuchen 1–3 eine deutliche Reduktion des ASROhm . Allerdings fällt diese nicht so ausgeprägt aus wie bei den vorhergehenden Versuchen. Die ASROhm Werte liegen mit 210–236 m⌦ cm2 zwar deutlich unter dem Wert der Referenzzelle,

Institute of Computational Physics

2.9

Research Report 2013

Modellbasierte Analyse von Impedanzspektren

Um die Fortschritte in der Entwicklung von Brennstoffzellen zu quantifizieren werden Analysemethoden, wie die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) eingesetzt. Das ICP benutzt dazu elektrische Ersatzschaltbilder um eine grosse Anzahl solcher Spektren automatisch auszuwerten und um die Degradation innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu beschreiben. Students:

M. Dold

Category: MSE Mentoring: T. Hocker, M. Linder Handed In: 31. Oktober 2013 Um die Entwicklung und Verbesserung von Brennstoffzellen voranzutreiben ist es essentiell, geeignete Hilfsmittel zur Quantifizierung der Verlustleistung und Degradation zu haben. Die EIS ist eine Möglichkeit eine Zelle mit all ihrer elektrischen und elektrochemischen Peripherie zu charakterisieren [1]. Ziel dieser Arbeit war es, die gemessenen Impedanzspektren im HexisHochtemperatur-Brennstoffzellenstapel einerseits aufzubereiten und andererseits anhand geeigneter Modelle zu quantifizieren. Für die EIS-Messung wird an den Brennstoffzellenstapel eine elektrische Last angelegt und mit einem Wechselstrom mit einer definierter Amplitude überlagert. Dabei wird die Spannungsantwort gemessen. Aus dieser und der von der Anregungsfrequenz abhängigen Phasenverschiebung kann somit die komplexe Impedanz berechnet werden. Ein Beispiel eines Impedanzspektrums ist in Abb. 1 dargestellt. Die farbigen Halbkreise illustrieren dabei die einzelnen Zellwiderstände basierend auf dem von uns gewählten Ersatzschaltbild. Aus den Schnittpunkten mit der Abszissenachse können graphisch die ohmschen beziehungsweise die Aktivierungspolarisationsanteile der Zellimpedanz abgelesen werden. æ

æ æ æ ææ æ ææ æ æ ææ æ æ æ æ æ æ ææ æ æ æææ æ æææææ æææææ æææ ææ æ

Im{Z}

æ æ

æ æ æ æ

Re{Z}

Abb. 1: Gemessenes Impedanzspektrum einer Hexis Festoxid-Brennstoffzelle innerhalb eines Stapels. Die farbigen Halbkreise illustrieren die einzelnen Prozesse aus dem gewählten elektrischen Ersatzschaltbild.

Für die Aufbereitung und Analyse der Messda-

www.zhaw.ch

ten konnte anhand eines Ersatzschaltbild-Modells (vgl. Abb. 2) ein Fit-Algorithmus entwickelt werden, der es erlaubt, die ohmschen- sowie die Polarisationsanteile der Zellimpedanz zu bestimmen. Elektrische Ersatzschaltbilder eignen sich dazu besonders gut, da sich die elektrochemischen Zellprozesse in der makroskopischen Ortskurvendarstellung (vgl. Abb. 1) analog zu einer Kombination aus Widerständen und Kapazitäten verhalten. ASROhm R1

ASRPol1 R2

ASRPol2 R3

ASRGas R4

Abb. 2: Elektrisches Ersatzschaltbild für eine FestoxidBrennstoffzelle.

Das entwickelte Programm wurde dabei so konzipiert, dass es die Messdaten einlesen und aufbereiten kann und optional über das Fitten an das Ersatzschaltbild die Zellverluste quantifiziert werden können. Abschliessend wurde das Modell mit dem Zahner-Softwarepaket THALES [2] validiert. Dieses nutzt ebenfalls ein Ersatzschaltbild-Fitting für die Quantifizierung der ohmschen beziehungsweise Polarisationswiderstände. Mit dem modellbasierten Analyseprogramm kann die Auswertung der Impedanzspektren nun weitgehend automatisiert durchgeführt werden. Damit lassen sich auch grössere Datenmengen analysieren und entsprechend auch zeitabhängige Degradationsverläufe darstellen. Literatur: [1] E. Barsoukov et al., Wiley, 2005. [2] http://www.zahner.de/thales.html.

Zürcher Fachhochschule

Research Report 2013

Institute of Computational Physics

3 Solar cells and Organic Electronics Organic polymers are used in electronics due to their insulating, semiconducting or metallic properties and today they are found in many commercial products such as displays and light sources based on organic light-emitting diodes (OLED), power generators such as organic solar cells (OPV) and electronic components such as transistors. The particular advantages of OLEDs is their thin construction, their large viewing angle and high achievable efficiencies. OLEDs consist in a sequence of several thin layers placed in-between two metallic electrodes whereas in modern OLEDs one can find up to ten or more functional layers. The rapidly increasing commercialization of OLEDs has pushed the organic photovoltaics research as well. Here the strong absorptivity of OPV materials allows layer thicknesses up to three orders of magnitude lower than for inorganic solar cells and the highest efficiencies achieved in laboratory are currently about 12%. The ICP supports this development using multi-physics computer models, among others for optimizing the layer structure in terms of electrical and optical performances. SETFOS is a software originally developed at the ICP for the simulation of OLEDs and organic solar cells and is commercialized by the ICP spinoff company Fluxim AG, whereas the other software PECSIM serves primarily for the simulation of dye solar cells. The further development of both SETFOS and PECSIM packages takes place as part of CTI, SNF, EU and BfE research projects and by direct funding with industry partners from Switzerland and other European countries.

Z端rcher Fachhochschule

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

3.1

Research Report 2013

Simulation of light out-coupling enhancement of OLEDs using scalar-scattering

To increase the efficiency of OLEDs researchers are looking for ways to bend light inside the devices to angles that do not lead to total internal reflection. One way to do this is to insert a scatter-layer inside the OLED stack. We successfully developed, implemented and benchmarked an original modeling approach that delivers accurate assumptions about the effects of such layers, using just a fraction of the computing time needed by traditional models. Contributors:

K. Lapagna, T. Lanz, R. Knaack, C. Kirsch, B. Ruhstaller

Partners: Funding: Duration:

Fluxim Inc. EU-FP7 (IM3OLED project), Fluxim Inc. 2013

Traditional OLEDs, with flat interfaces between their various layers, tend to lose a lot of their potential out-coupled light-intensity due to waveguiding or reabsorption. This happens mainly due to a phenomenon known as ’total internal reflection’. When light over a certain angle (the so called ’critical angle’) hits an interface to a layer with a lower refractive-index (e.g. from glass to air), it will be reflected completely. When this phenomenon takes place inside an OLED, it means that all the light over the critical angle will be mirrored back into the device itself instead of leaving it. The reflected light will eventually be reabsorbed or waveguided in the OLED and therefore ends up trapped in the device instead of lightening up its surrounding.

side it which will refract the light to various angles. Even if light is scattered to a disadvantageous angle and gets reflected for this reason, it will hit the scatter layer again shortly after and will eventually be refracted into the ’escape cone’ allowing it to leave the device.

Fig. 2: Integrated normalized emission spectrum in the full half space of a white OLED with a scattering structure. Besides the strong impact on absolute light outcoupling enhancement, the amount of scattering (i.e. haze) also influences the emission spectrum of the OLED [1].

Fig. 1: Scattering of light through ice-cubes (Some rights reserved by final gather) http://www.flickr.com (CC BY-ND 2.0)

To solve this problem we are searching for ways to refract the light inside the OLED in a way that it will be bent to an angle that lies below the critical angle. This allows the light to pass the various interfaces without getting waveguided in the device and will finally leave the OLED as visible light. One way to reach this effect is to insert a so called ’scatter-layer’ into the OLED stack. Such a layer has some kind of nano-grating or nano-particles in-

www.zhaw.ch

Traditionally the effect of such scatter-layers are simulated using Monte-Carlo simulation methods based on sequential ray-tracing in 3D. The drawback of this approach is the huge amount of computing power needed to get accurate results. Usually it also requires researchers to use different tools to simulate an OLED: one to simulate the light propagation (including scattering) and one to simulate the light emission from the active part of the device. Because of this, optimization of device properties can be a cumbersome and timeconsuming task. This is why we developed a much faster 1D model to simulate the geometrical optics of an OLED and especially the behavior of arbitrary scatter-layers inside such a device. This ’scalar-scattering’ modeling approach was devel-

Zürcher Fachhochschule

Research Report 2013

Institute of Computational Physics

oped in collaboration with Fluxim, a strong partner and spin-off company of ICP. Fluxim is also the company behind SETFOS, which is a powerful optoelectronic simulation software for thin-film-based technologies. To get our new model to work, we implemented it in SETFOS. For this we adapted the nanooptical part of SETFOS, which simulates the dipole emission, to be combined with our new scalarscattering model, which then handles scattering and the geometric-optical properties of the device. The implementation into SETFOS allowed us to use the new model in combination with the vast amount of OLED related features that SETFOS already offers. We successfully benchmarked our new model against different other approaches (including ray-tracing) and found that we were able to get equivalent results using just a fraction of the time. We were able to show, that scatterlayers, which offer virtually Lambertian scattercharacteristics, can lead to an increase in the

Z端rcher Fachhochschule

light out-coupling by a factor of over 1.9. Another interesting finding was, that scatter-layers may help to reduce the angle-dependency of the out-coupled wavelengths. Which means, that such an OLED will always shine of the same color, no matter from which angle the device is looked at [1]. This formerly experimental feature of SETFOS is now getting polished to be ready for the use by researchers outside the ICP or Fluxim. A new SETFOS version, which includes this scalarscattering model for OLEDs, will be released to the public in 2014. As a next step, we are working on ways to directly import measured scatterproperties of arbitrary scatter-layers. This will allow us to assess the benefit of a particular scatterlayer inside a full OLED and will hopefully lead to a rapid feedback loop between manufactures of such layers and researchers using SETFOS. Literature: [1] S. Altazin et al., SID, 2014.

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

3.2

Research Report 2013

Ladungstransport in organischen Solarzellen

Das Verständnis der physikalischen Prozesse in organischen Solarzellen ist für deren Weiterentwicklung fundamental. Im Rahmen eines SNF-Projekts untersuchte das ICP deshalb gemeinsam mit der EMPA Dübendorf die Auswirkungen von verschiedenen Lösungsmitteln auf den Ladungstransport in diesen Zellen. Ein weiterer Partner in diesem Projekt ist das ZHAW-Institut für Chemie und Biochemie in Wädenswil. Contributors:

S. Jenatsch, C. Kirsch, B. Ruhstaller

Partners: Funding: Duration:

EMPA Dübendorf, ZHAW-ICBC Wädenswil, Fluxim AG SNF 2013–2015

Die Synthese von Materialen und deren Anwendung bei Solarzellen ist ein zentrales Forschungsthema der Gruppe Funktionspolymere an der EMPA. Diese Solarzellen bestehen typischerweise aus zwei aktiven Schichten bestehend aus Elektronakzeptor bzw. –donor, die beide jeweils zwischen 10 und 100 nm dick sind. Aufgrund der guten Löslichkeit von kleinen Molekülen in verschiedensten Lösungsmitteln ist das Aufschleudern eine weit verbreitete Technik, um die photoaktiven Schichten aufzutragen. In früheren Arbeiten stellte sich heraus, dass das gewählte Lösungsmittel einen bedeutenden Einfluss auf die Effizienz der fertigen Solarzellen hat [1]. Mithilfe einer Kombination von verschiedenen Messtechniken untersuchten wir den Grund für diesen Effekt anhand eines Vergleichs zweier distinkter Lösungsmittel. Zur vielseitigen Charakterisierung von organischen Solarzellen entwickelte die ICP-Spin-Off-Firma Fluxim AG das Paios-Messsystem, welches im O-LAB des ICP zur Verfügung steht. Mithilfe dieses Systems können Gleichgewichtsmessungen wie die Strom-Spannungs-Kennlinie sowie kompliziertere zeitaufgelöste Messungen wie das CELIV (charge extraction by linearly increasing voltage) innerhalb von kurzer Zeit hintereinander aufgezeichnet werden. Dies erlaubt ein breiteres und zuverlässigeres Verständnis der physikalischen Prozesse in den untersuchten Systemen [2]. Durch die Zusammenarbeit von Chemikern, Physikern und Ingenieuren am ICP, bei Fluxim und an der EMPA konnten wir blockierte Ladungen an der ElektrodenZwischenfläche als Ursache für die lösungsmittelabhängigen Kennlinien identifizieren. Diese blockierten Ladungen, welche für die schlechtere Effizienz verantwortlich sind, kommen durch eine

www.zhaw.ch

Ansammlung des Lösungsmittels an dieser Zwischenfläche zustande. Mithilfe einer Solarzellensimulation, die in SETFOS (Seite 25) implementiert wurde, konnten wir zeigen, dass die Einführung einer solchen Lösungsmittelbarriere zu einer schlechteren Kennlinie führt. Die beiden simulierten Kennlinien – mit und ohne Barriere – sind in Fig. 1 zusammen mit experimentell gemessenen Strom-Spannungs-Kurven dargestellt.

Fig. 1: Simulierte Strom-Spannungs-Kennlinien mit (blau gestrichelt) und ohne (rot gepunktet) Lösungsmittelbarriere sowie gemessene Kurven von Solarzellen mit verschiedenen Lösungsmitteln.

Die gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment stützt die Schlussfolgerung der blockierten Ladungen, die wir als Ursache für den Lösungsmitteleffekt in unseren Solarzellen identifiziert haben [3]. Literatur: [1] G. Wicht et al., Solar Energy Materials and Solar Cells, 117, pp. 585-591, 2013. [2] M. Neukom et al., Organic Electronics, 13, pp. 2910-2916, 2012. [3] S. Jenatsch et al., Journal of Physical Chemistry C, eingereicht.

Zürcher Fachhochschule

Research Report 2013

3.3

Institute of Computational Physics

Durability of High-Efficiency Thin-Film Solar Cells

Chemical and physical degradation processes limit the lifetimes of inexpensive thin-film solar cells. We employ advanced device characterization and architectures to develop strategies for improving performance stability. Contributors:

T. Lanz, S. Züfle, M. Schmid, J. Schumacher, B. Ruhstaller

Partners:

PVLAB-EPFL, LPI-EPFL, FP-EMPA, TF-EMPA, SUPSI, CSEM, BASF, Flisom, TEL Solar, Amcor, Solaronix, Fluxim Swiss Electric Research, Swiss Competence Center for Energy and Mobility 2011–2014

Funding: Duration:

One strategy to improve device architectures is optimizing the substrate morphology of transparent electrodes used in thin-film solar cells. To this end, we have extended our optical model for thin-film solar cells to allow including bidirectional scattering distribution functions (BSDF). BSDFs may either be measured or computed using Fourier optics based on measured surface topographies using AFM. We have experimentally validated this approach for the computation of the spectral response of microcrystalline silicon solar cells deposited on transparent zinc oxide electrodes with different textures, as shown in Fig. 1.

Fig. 1: Measured and computed angular scattering distribution function for light transmission through a microstructured as-grown zinc oxide electrode.

The numerical model is computationally efficient and considers the actual texture of the rough interfaces present in the solar cell as measured by AFM. We consider azimuth-integrated scattering distributions and thus project the 3D scattering cone onto a plane. We can account for surface scans of 10 × 10 µm2 , which is in general beyond the limit of rigorous Maxwell solvers. In contrast to earlier reported methods we do not use heuris-

Zürcher Fachhochschule

tic intensity distributions for secondary scattering events but compute the BSDFs for all internal incidence angles. In collaboration with EPFL PV-LAB we have developed and experimentally validated a numerical model of the charge and heat transport in monolithically interconnected thin-film solar cells. The model is based on the finite element method and uses a computationally efficient 2+1D representation of the simulation volume. We experimentally demonstrated the validity of the model using lockin thermography measurements of amorphous silicon mini solar modules with artificially introduced shunts [1].

Fig. 2: left: False color plot of the in-homogeneously degraded conductivity of the transparent electrode in a thinfilm solar mini-module, as computed by a diffusion model. right: Lock-in thermography (LIT) measurements of a minimodule with the same geometry that has undergone accelerated degradation in a damp heat chamber.

The model has been applied to study the impact of water-ingress in encapsulated thin-film solar modules, see Fig. 2. Together with PV-LAB we consider applying lock-in thermography to quantify the degradation due to water-ingress. Literature: [1]: T. Lanz et al., IEEE JSTQE, 19, pp. 1-8, 2013.

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

3.4

Research Report 2013

Nanostructured layers for enhanced light emission from white organic light-emitting diodes

The energy efficiency of organic light-emitting diodes (OLEDs) is improved by the use of nanostructured layers in the device. Within a European research project the ICP develops a computational tool to aid in the optical design of these layers for white OLEDs. Contributors:

C. Kirsch, R. Knaack, K. Lapagna, B. Ruhstaller

Partners:

Fluxim AG, JCMwave GmbH (DE), Philips Technologie GmbH (DE), TNO/Holst Centre (NL), Kintech Lab (RU), Moscow Engineering Physics Institute (RU), Photochemistry Center of the Russian Academy of Sciences (RU) EU-FP7 (IM3 OLED project) 2011–2014

Funding: Duration:

When light propagates through an OLED stack total internal reflection may occur at the interfaces. For incidence angles beyond the critical angle a thin layer acts like a waveguide which transports light in the lateral rather than in the vertical direction. This light cannot be emitted and thus not contribute to the luminous efficacy of the device. The amount of total internal reflection can be reduced by using nanostructured layers in the OLED stack. The propagation of light will be influenced if the nanostructure feature size is similar to the wavelength. We have found that periodic nanostructures lead to dispersive reflection and transmission properties and are thus not suitable for white OLEDs, because the color of the emitted light would depend on the viewing angle. Nondispersiveness is achieved by non-periodic structures, which involve a certain amount of randomness. An example of such a structure is a disordered grating (Fig. 1).

At the ICP, we have developed a computational tool for the prediction of statistical reflection and transmission properties from given statistical geometric properties. The results of an example calculation are shown in Fig. 2.

Fig. 2: Illustration of the computed statistical optical properties of a disordered grating structure. For the probability distribution of the transmittance from the high-index material into the low-index material, we show the values µ ˆ ± 2ˆ σ vs. the incidence angle [deg] for three different wavelengths λ, where µ ˆ denotes the empirical mean and where σ ˆ denotes the empirical standard deviation.

Our results for the statistical optical properties shall be imported into the OLED and solar cell simulation software Setfos by Fluxim AG, such that emission calculations for a full OLED stack with nanostructured layers can be performed. Literature:

Fig. 1: Illustration of the statistical geometric properties of a disordered grating structure. It consists of ridges with 400 nm height and 500 nm width. The size of the gap d between the ridges is random and drawn from a normal distribution. The histogram shows the distribution of L := 500 + d [nm] for 10 000 realizations of d. The refractive indices of the materials involved are 1.9 and 1.5, respectively.

www.zhaw.ch

A. David: Surface-Roughened Light-Emitting Diodes: An Accurate Model. J. Disp. Technol., 9, 5, pp. 301316, 2013. T. Buss, J. Teisseire, S. Mazoyer, C. L. C. Smith, M. B. Mikkelsen, A. Kristensen, E. Søndergård, Controlled angular redirection of light via nanoimprinted disordered gratings, Appl. Opt., 52, 4, pp. 709-716, 2013.

Zürcher Fachhochschule

Research Report 2013

3.5

Institute of Computational Physics

OLED Herstellung im Unterricht

Am ICP können nun im hauseigenen Labor Organische Leuchtdioden (OLEDs) hergestellt werden. Diese OLEDs dienen zur Verifizierung und Verbesserung von Softwaremodellen zur Steigerung der Lichtausbeute. Diese Anlagen wurden auch im Unterricht eingesetzt, und erste Studierende konnten im Rahmen einer Vorlesung selbst OLEDs herstellen. Contributors:

K. Pernstich, B. Ruhstaller, S. Züfle

Partners: Funding: Duration:

Fluxim AG interne Finanzierung

In einer OLED gibt es eine Reihe von Verlustmechanismen welche die Lichtausbeute verringern. Ein wesentlicher Mechanismus ist die Lichtauskopplung: In einer OLED wird Licht in einer Schicht mit hohem Brechungsindex erzeugt und in alle Richtungen ausgestrahlt. Beim Übertritt des Lichtes vom Glas-Substrat - das als Träger für die OLEDs fungiert - wird ein Teil des flach abgestrahlten Lichtes durch Totalreflexion an der Glasoberfläche reflektiert und bleibt dadurch im Glas gefangen. Es trägt so nicht zur Lichterzeugung bei. Weltweit werden nun Lösungen gesucht um diese Lichtauskopplung zu verbessern und die gleichzeitig kostengünstig sind. Spezielle Schichten, z.B. mit Streupartikel, streuen das auftreffende Licht in alle Richtungen und verringern dadurch den Teil des totalreflektierten Lichtes, es wird also mehr Licht abgestrahlt und somit die Lichtausbeute verbessert. Mit numerischen Modellen kann die Auswirkung solcher

Streuschichten auf die Lichtausbeute berechnet werden. Die Herstellung eigener OLEDs, sowie exakte opto-elektronische Messungen die ebenfalls im hauseigenen Labor durchgeführt werden können, helfen einerseits diese Modelle zu verifizieren, und andererseits auch die Detailliertheit der Modelle zu verbessern. Die Möglichkeit der Herstellung eigener OLEDs bildet zusammen mit der fortschrittlichen Charakterisierung eine solide Basis für weitere Projekte mit Industriepartnern. Das Labor zur Herstellung von OLEDs wird nicht nur in Forschungsprojekten verwendet sondern auch im Unterricht. Dieses Jahr konnte zum ersten Mal eine Lehrveranstaltung1 angeboten werden, in der die Studierenden eigenhändig OLEDs herstellen und ausmessen konnten (siehe Bild). Es wurden auch bereits zwei Vertiefungsarbeiten im Rahmen des MSE Master Studienganges an diesen Anlagen absolviert.

Fig. 1: Studierende bei der Herstellung von OLEDs im Rahmen einer Lehrveranstaltung1 (links) sowie ein Resultat der Bemühungen (rechts).

1 Wahlmodul

„Organische Elektronik und Photovoltaik (OEPHO)“

Zürcher Fachhochschule

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

3.6

Research Report 2013

Advanced modeling of charge carrier transport in disordered organic semiconductors

A microscopic model of charge carrier transport in disordered organic semiconductors is developed. The model is applicable to transient and AC simulation of unipolar hopping conduction with arbitrary energetic density of localized states. Contributors:

M. Szymanski, C. Kirsch, E. Knapp, B. Ruhstaller

Partners:

Disordered organic semiconductors are basic building blocks for Organic Light Emitting Diodes (OLEDs). Their electrical properties depend critically on the energetic density of states (DOS). Modeling of the effects of DOS on transport properties is difficult with the widely used drift-diffusion approach. In order to overcome that problem, we have developed a simulation method beyond the widely used drift-diffusion approximation. Charge carrier transport is described by considering hopping of charge carriers on a 3D grid. For each grid site, a balance equation for charge carriers is defined. The rate equations are solved self consistently with the electrostatic Poisson equation. This type of model allows the simulation of arbitrary density of states without distinguishing between trap and transport sites, which is the principal advantage over the drift-diffusion method. Moreover, this simulation approach is also more efficient than Kinetic Monte Carlo, while it is known that the same results are obtained for wide range of practical problems. Particularly, the method is suitable for calculating unipolar stationary, transient and small signal AC responses of organic layers. These are fundamental measurements used for material characterization, from which material parameters for device modeling are extracted. For example, in Fig. 1, the effects of contact barrier on capacitance-voltage responses are presented. In Fig. 2, a comparison between mobilities extracted from simulated time-of-flight and transient space-charge-limited current measurements is shown. Only points for which successful transient measurement is predicted are plotted. The simulation shows that the often reported discrepancies in mobility values between ToF and SCL experiments do not need to be attributed to the sample morphology.

www.zhaw.ch

Fig. 1: Sample results of microscopic simulation of capacitance-voltage responses of 100nm thick samples with Gaussian DOS (150 meV), calculated for different barrier values (see legend).

101 σ=0.075eV

100 10-1 σ=0.1eV µ/µ0

Funding: Duration:

10-2 σ=0.125eV

10-3

σ=0.15eV

Time of flight ∆=0.00V

10-4 100

200

∆=0.20V ∆=0.35V 300 F [kV/cm]

∆=0.50V ∆=0.60V 400

500

Fig. 2: Comparison between mobilities obtained in time-offlight (ToF) and in transient space-charge-limited (SCL) current transient experiments. It is assumed that the materials simulated have identical attempt-to-hop frequency and differ only by the Gaussian disorder magnitude, from 75meV to 150meV (shown in different colors). ∆ is the contact barrier in SCL experiments, in eV. Sample thickness is assumed 100 nm for SCL and 1000 µm for ToF.

Literature: M.Z. Szymanski et al., IEEE JSTQE, 19, pp. 1-7, 2013.

Zürcher Fachhochschule

Research Report 2013

3.7

Institute of Computational Physics

All-in-one Messplattform für OLED und Solarzellen Forschung

Die ICP Spin-off Firma Fluxim lancierte im Jahre 2013 die all-in-one Messplattform PAIOS, welche über eine intuitive, computergesteuerte Bedienung eine Vielzahl von optoelektrischen Messtechniken an Solarzellen und OLEDs erlaubt. Im Rahmen eines von Fluxim finanzierten Projektauftrags unterstützt das ICP die Weiterentwicklung der Messplattform und Software. Contributors:

S. Züfle, K. Pernstich, B. Ruhstaller

Partners: Funding: Duration:

Fluxim AG Fluxim AG, SwissPhotonics Network 2013–2014

Die Erforschung und Optimierung von optoelektronischen Bauelementen auf Basis von organischen Halbleitermaterialien ist eine aufwändige Aufgabe für Kunden der ICP Spin-off Firma Fluxim AG. Während das Softwareprodukt SETFOS für die Simulation von optischen und elektronischen Prozessen in organischen Leuchtdioden (OLEDs) und Solarzellen erfolgreich im internationalen Wachstumsmarkt eingesetzt wird, so bleibt oft die Herausforderung, dass Materialparameter als Eingabewerte für die Simulation schwierig zu ermitteln sind und auch das Simulationsresultat nur schwierig zu verifizieren ist. Hier setzt die Messhardware PAIOS an, indem sie mehrere statische und dynamische Messmethoden vereint und reichhaltige Auswertemethoden für die Messdaten bietet. Nur eine konsistente und systematische Messung der statischen und dynamischen Prozesse in den OLEDs und Solarzellen erlaubt es, die detaillierte Funktionsweise

Zürcher Fachhochschule

und die Effizienz limitierenden Prozesse zu ermitteln. Zudem werden auch Alterungsmechanismen einfacher erkannt.

Fig. 1: Abbildung: Messplattform PAIOS für all-in-one Charakterisierung von OLEDs und Solarzellen.

In dieser Zusammenarbeit mit Fluxim wurde die Messsoftware verfeinert und technische Erweiterungen der Messplattform vorgenommen. Insbesondere wurden Ansätze zur gezielten Weiterentwicklung konzipiert und ein KTI Antrag für ein Forschungsprojekt erarbeitet, welches im Folgejahr 2014 starten kann.

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

www.zhaw.ch

Research Report 2013

Z端rcher Fachhochschule

Research Report 2013

Institute of Computational Physics

Appendix A.1

Student Projects

B. S CHMID, D. Z OLLIKER, Entwicklung einer Messeinheit zur Hautkrebs-Analyse mit aktiver Thermographie, Betreuer: M. Bonmarin, N. Reinke, 2013, Bachelor Thesis Systemtechnik, Bachelor of Science. M. B OLDRINI , S. Z ANGERL, Modellierung hochfrequenter Nanodosierung von Fluessigkeiten, Betreuer: G. Boiger, Firmenpartner: Novartis AG, Winterthur, 2013, Projektarbeit Maschinentechnik, Bachelor of Science. L. B RENNER , T. H UNKELER, Modellierung und experimentelle Charakterisierung der Erstarrung von Schokolade in industriellen Kühlkanälen, Betreuer: T. Hocker, P. Fahrni, Firmenpartner: M. Suter, Max Felchlin AG, Schwyz, 2013, Bachelorarbeit Maschinentechnik, Bachelor of Science. M. B RUMM, Aufbau eines winkelabhängigen Intensitäts-Messplatzes in Reflexion und Transmission, Betreuer: K.P. Pernstich, B. Ruhstaller, Vertiefungsarbeit MSE. M. D OLD, Modellbasierte Analyse von Impedanzspektren, Betreuer: T. Hocker, M. Linder, Vertiefungsarbeit MSE. D. G ÜRTLER, Untersuchung der Cr2 O3 -Leitfähigkeiten; FE-Modellierung des elektrischen Spannungsabfalls an metallischen Interkonnektoren basierend auf REM-Bilddaten, Betreuer: T. Hocker, M. Linder, Firmenpartner: Hexis AG, Winterthur, 2013, Bachelorarbeit Maschinentechnik, Bachelor of Science. A. H ORWEGE, Konstruktion eines Tieftemperatur-Messplatzes, Betreuer: K.P. Pernstich, B. Ruhstaller, Vertiefungsarbeit MSE. L. K AUFMANN, Thermo-mechanisches Verhalten von Brennstoffzellen, Betreuer: T. Hocker, Vertiefungsarbeit MSE. L. K AUFMANN, Analyse der Auswirkungen von des Versagens von HochtemperaturBrennstoffzellen (SOFC) sowie Verringerung der Ohm’schen Verluste in SOFC-Stacks, Betreuer: T. Hocker, Masterarbeit MSE. P. L ENARCZYK, Numerical study of interface phenomena in organic optoelectronic devices, Betreuer: C. Kirsch, E. Knapp, B. Ruhstaller, internship. T. OTT, C. R ITSCHARD, Entwicklung und Konstruktion eines experimentellen Holzvergasers, Betreuer: G. Boiger, Ch. Meier, A. Fassbind, Firmenpartner: Berchtold AG, Winterthur, 2013, Projektarbeit Maschinentechnik, Bachelor of Science. A. S IBILIA, OLED Herstellung und Verkapselung, Betreuer: K.P. Pernstich, B. Ruhstaller, Vertiefungsarbeit MSE.

Zürcher Fachhochschule

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

Research Report 2013

M. S UTER, Modeling the Shukoff cooling apparatus for thermal analysis of cocoa butter, Betreuer: T. Hocker, Vertiefungsarbeit MSE. M. S UTER, Principles of thermal analysis by differential scanning calorimetry (DSC), Betreuer: T. Hocker, Vertiefungsarbeit MSE.

A.2

Scientific Publications

E. B ERNER , T. J AGER , T. L ANZ , F. N UESCH , J.-N. T ISSERANT, G. W ICHT, H. Z HANG , AND R. H ANY, Influence of crystalline titanium oxide layer smoothness on the performance of inverted organic bilayer solar cells, Applied Physics Letters, 102, 18, 183903, 2013. J. B ISQUERT, P. C ENDULA , L. B ERTOLUZZI , S. G IMENEZ, Energy Diagram of Semiconductor/Electrolyte Junctions , J. Phys. Chem. Lett., 5, pp. 205-207, 2013. G. G AISELMANN , M. N EUMANN , L. H OLZER , T. H OCKER , M. P RESTAT, V. S CHMIDT, Stochastic 3D modeling of La0.6Sr0.4CoO3-delta cathodes based on structural segmentation of FIB-SEM images, Computational Materials Science, 67, pp. 48-62, 2013. S. M. H. H OSSEINI , A. K HARAGHANI , C. K IRSCH , U. G ABBERT, Numerical simulation of Lamb wave propagation in metallic foam sandwich structures: a parametric study, Compos. Struct., 97, pp. 387-400, 2013. L. H OLZER , B. I WANSCHITZ , T. H OCKER , L. K ELLER , G. S ARTORIS , P. G ASSER , B. M UENCH, Redox cycling of Ni-YSZ anodes for Solid Oxide Fuel Cells: Influence of tortuosity, constriction and percolation factors on the effective transport properties, Journal of Power Sources, 242, pp. 179-194, 2013. L. H OLZER , D. W IEDENMANN , B. M UENCH , L. K ELLER , M. P RESTAT, P. G ASSER , I. R OBERTSON , B. G ROBÉTY, The influence of constrictivity on the effective transport properties of porous layers inelectrolysis and fuel cells, Journal of Materials Science, 48, 7, pp. 2934-2952, 2013. L. K ELLER , L. H OLZER , P. S CHUETZ , P. G ASSER, Pore space relevant for gas permeability in Opalinus clay: Statistical analysis of homogeneity, percolation, and representative volume element, Journal of Geophysical Research B: Solid Earth, 118, 6, pp. 2799-2812, 2013. L. K ELLER , P. S CHUETZ , R. E RNI , M.D. R OSSELL , F. L UCAS , P. G ASSER , L. H OLZER, Characterization of multi-scale microstructural features in Opalinus Clay, Microporous and Mesoporous Materials, 170, pp. 83-94, 2013. A. K HARAGHANI , C. K IRSCH , T. M ETZGER , E. T SOTSAS, Micro-Scale Fluid Model for Drying of Highly Porous Particle Aggregates, Comput. Chem. Eng., 52, pp. 46-54, 2013. T. L ANZ , M. B ONMARIN , M. S TUCKELBERGER , C. S CHLUMPF, C. B ALLIF, AND B. RUHSTALLER, Electro-thermal finite element modeling for defect characterization in thin-film silicon solar modules, IEEE Journal Of Selected Topics In Quantum Electronics, 19, 5, pp. 1-8, 2013. M. L INDER , T. H OCKER , L. H OLZER , A. K. F RIEDRICH , B. I WANSCHITZ , A. M AI , J. A. S CHULER, Cr2 O3 scale growth rates on metallic interconnectors derived from 40,000 h solid oxide fuel cell stack operation, J. Power Sources, 243, pp. 508-518, 2013. Y. L IU, A. T IPPETS , C. K IRSCH , S. M ITRAN , E. T. S AMULSKI , R. L OPEZ, Balance between light trapping and charge carrier collection: Electro-photonic optimization of organic photovoltaics with ridge-patterned back electrodes, J. Appl. Phys., 113, 24, 244503, 2013.

www.zhaw.ch

Zürcher Fachhochschule

Research Report 2013

Institute of Computational Physics

B. L USZCZYNSKA , M. S ZYMANSKI , J.M. V ERILHAC, P. R EISS , D. D JURADO, Improved external quantum efficiency of solution-processed P3HT:60PCBM photodetectors by the addition of Cu–In–Se nanocrystals., Org. Electron. 14, 12, pp. 3206-3212, 2013. J.O. S CHUMACHER , J. E LLER , G. S ARTORIS , B. S EYFANG , T. C OLINART, A 2+1D model of a proton exchange membrane fuel cell with glassy-carbon micro-structures, Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, pp. 1-23, 2012. M. S ZYMANSKI ; B. L USZCZYNSKA ; D. D JURADO, Modeling the Transient Space-Charge-Limited Current Response of Organic Semiconductor Diodes Using the Master Equation Approach, IEEE Journal of Selected Topics In Quantum Electronics, 19, 5, pp. 1-7, 2013. D. W IEDENMANN , L. K ELLER , L. H OLZER , ET AL ., 3D pore structure and ion conductivity of porous ceramic diaphragms, American Institute of Chemical Engineers Journal (AIChE), 59, pp. 1446-57, 2013.

A.3

News Articles

Anpacken Umsetzen, NZZ am Sonntag. Auf dem Weg zur Null-Fehler Produktion, K-Zeitung, 1.5.2013. Dermolockin, RTS Radio Television Suisse, 19.07.2013. Dermolockin, SFR Tagesschau, 18.07.2013. Forscher testen neues Gerät zur Hautkrebs-Diagnose, Salzburger Nachrichten. Mehr Effizienz für Licht und Strom aus Kunststoff, Technopark Leader, April 2013. Neue Methode zur Krebsdiagnose, Der Landebote. Neues Gerät erkennt Hautkrebs innert Minuten, 20minuten. Neues Gerät gegen Hautkrebs, Blick am Abend. Schichtdickenmessung in Echtzeit, MO Magazin für Oberflächentechnik.

A.4

Conferences and Workshops

S. A LTAZIN , T. L ANZ , K. L APAGNA , M. N EUKOM , B. G ALLINET, B. RUHSTALLER, Impact of light scattering for efficiency enhancement in organic solar cells, 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, 2013. S. A LTAZIN , B. P ERUCCO, N. PAGAN , K. L APAGNA , T. L ANZ , R. K NAACK , E. K NAPP, B. RUH Multi-scale modeling of organic light-emitting devices, SID Symposium Digest of Technical Papers, 44, pp. 1486–1489, Blackwell Publishing Ltd, 2013. STALLER ,

G. B OIGER , C H . M EIER, Thermo- Fluid- Dynamic Model of Wood Gasification and Combustion Processes, 8th International Conference of Multiphysics, Amsterdam, 2013. P. C ENDULA ,M. S CHMID, L. S TEIER , D. T ILLEY, S. G IMENEZ , J. B ISQUERT, M. G RAETZEL AND J. O. S CHUMACHER , Numerical Modeling of Photoelectrochemical Cells for Water Splitting, Zürcher Fachhochschule

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

Research Report 2013

European Materials Research Society Spring Meeting, Strassbourg, 2013. P. C ENDULA , M. S CHMID, J.O. S CHUMACHER, Development of a comprehensive numerical model of a solar water splitting cell, International Conference on Nanostructured Systems for Solar Fuel Production, Mallorca, 2012. P. C ENDULA , M. S CHMID, L. S TEIER , D. T ILLEY, S. G IMENEZ , J. B ISQUERT, M. G RAETZEL , J. O. S CHUMACHER, Numerical Model of Photoelectrochemical Cells for Water Splitting, Materials Research Society Spring Meeting, San Francisco, USA, 2013. P. C ENDULA , M. S CHMID, L. S TEIER , D. T ILLEY, S. G IMENEZ , J. B ISQUERT, M. G RAETZEL , J. O. S CHUMACHER, Interactive Energy Diagram and Spectroscopic Model for Solar Water Splitting , New Advances in Materials Research for Solar Fuels Production, Granada, 2013. J. D UJC, J.O. S CHUMACHER, Hierarchical Modeling of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, Proceedings of the Comsol Conference, Rotterdam, 2012. S EVERAL ICP MEMBERS, contributed and invited talks, Time and Length Scales of Degradation in Next Generation Solar Cells, (DURSOL conference), Winterthur, 2014. L.C.C. E LLIOT, J. B ASHAM , K.P. P ERNSTICH , L.J. R ICHTER , D.M. D E L ONGCHAMP, D.J. G UND LACH , Transport and Recombination in Organic Photovoltaics Examined by Charge Extraction, Transient Photovoltage and Photocurrent Techniques, Electronic Materials Conference EMC, University of Notre Dame, South Bend, Indiana, USA, 2013. L.C.C. E LLIOT, K.P. P ERNSTICH , D.J. G UNDLACH , L.J. R ICHTER , D.M. D E L ONGCHAMP, Optoelectronic Techniques for Investigation of Transport and Recombination in Organic Photovoltaics, Sigma Chi Postdoctoral poster presentation, NIST Gaithersburg, USA, 2013. L. H OLZER , L. K ELLER , T. H OCKER , O. P ECHO, B. M UENCH , P. G ASSER , B. I WANSCHITZ , M. N EUMANN , G. G AISELMANN , V. S CHMIDT, Microstructure degradation in SOFC anodes: Relationship between topological parameters and transport properties, 10th Symposium on Fuel Cell and Battery Modelling and Experimental Validation‚ ModVal 10, Bad Boll/Stuttgart, 2013. S. J ENATSCH , H. Z HANG , A. V ERON , F. N ÜESCH , B. RUHSTALLER , R. H ANY, Transparent organic photovoltaics using near-infrared absorbing cyanine dyes, European Conference on Molecular Electronics, ECME, London, 2013. A. K HARAGHANI , C. K IRSCH , T. M ETZGER , E. T SOTSAS, Discrete three-dimensional model for drying particle aggregates, PARTEC 2013, Nuremberg, 2013. A. K HARAGHANI , C. K IRSCH , E. T SOTSAS, Drying Simulation of Particle Packings with Capillary Barrier, Jahrestreffen der Fachgruppe Trocknungstechnik 2013, Magdeburg, 2013. A. K HARAGHANI , C. K IRSCH , E. T SOTSAS, Drying of particle packings with a capillary barrier investigated by shadowscopy imaging and pore-scale simulation, 5th International Conference on Porous Media, Prague, 2013. C. K IRSCH, Electro-photonic optimization of organic solar cells, 9th Workshop on Numerical Methods for Optical Nano Structures, Zürich, 2013. T. L ANZ , M. B OCCARD, M. D ESPEISSE , C. B ATTAGLIA , F.-J. H AUG , C. B ALLIF, AND B. RUH STALLER , Light harvesting analysis of novel thin-film electrode architectures in microcrystalline silicon solar cells with hybrid Fourier and geometrical optics simulator, Spring Meeting of the European Materials Research Society (EMRS), Strasbourg, 2013.

www.zhaw.ch

Zürcher Fachhochschule

Research Report 2013

Institute of Computational Physics

T. L ANZ, Scalar light scattering theories for the optical simulation of thin-film solar cells, 6th Annual Meeting Photonic Devices, Berlin, 2013. K.R. M ANGIPUDI , E. E PLER , L. H OLZER , C.A. VOLKERT, Elastoplastic behaviour of interpenetrating phase composites: Combining mechanics of cellular solids with mean-field theory, 3rd Int. Conf. Materials Modelling ICMM, Warsaw, 2013. M. L INDER , T. H OCKER , L. H OLZER , A. K. F RIEDRICH , B. I WANSCHITZ , A. M AI , J. A. S CHULER, Cr2 O3 scale growth rates on metallic interconnectors derived from 40,000 h solid oxide fuel cell stack operation, 10th Symposium on Fuel Cell and Battery Modeling and Experimental Validation, ModVal 10, Bad Boll/Stuttgart, 2013. M. N EUMANN , G. G AISELMANN , L. H OLZER , O. P ECHO, V. S CHMIDT, Microstructure influence on effective transport properties investigated by means of a stochastic simulation model, 10th Symposium on Fuel Cell and Battery Modelling and Experimental Validation, ModVal 10, Bad Boll/Stuttgart, 2013. M. P RESTAT, A. E VANS , R. TÖLKE , J. M ARTYNCZUK , L. J. G AUCKLER , O. P ECHO, L. H OLZER , D. S TENDER , C. S CHNEIDER, Thin La0.6Sr0.4Co cathodes for low-temperature micro-solid oxide fuel cells, E-MRS Spring Meeting, Strasbourg, 2013. B. RUHSTALLER, Advanced Opto-electrical Characterization of Solar Cells, Printed Electronics Europe, Berlin, 2013. B. RUHSTALLER, Multi-Scale Modelling of OLEDs, International Meeting on Information Display IMID 2013, Daegu, South Korea, 2013. C. S CHLUMPF, V. C HAPUI , F. G ALLIANO, T. L ANZ , C. B ALLIF, AND L.-E. P ERRET-A EBI, Degradation due to water ingress in thin-film PV modules, 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, 2013. J.O. S CHUMACHER , B. P ERUCCO, F ELIX N. B ÜCHI , J. R OTH, Sensitivity analysis and investigation of parameter interactions of a model of the membrane electrode assembly of a PEM fuel cell, 9th Symposium on Fuel Cell and Battery Modeling and Experimental Validation, Campus Sursee, 2012. M. S ZYMANSKI, Modeling transient space-charge-limited responses of thin organic diodes using master equation, The 9th International Conference on Organic Electronics (ICOE), Grenoble, 2013.

A.5

Public Events

N ILS R EINE , A NDOR B ARISKA, Winterthurer Oberflächentag 2013, 13 Juni 2013, Tagungsband: http://www.winterthurinstruments.com.

A.6

Exhibitions

N. Reinke, Control, Stuttgart, 2013. N. Reinke, European Coating Show, Nürnberg, 2013. N. Reinke, Hannover Messe, Hannover, 2013.

Zürcher Fachhochschule

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

A.7

Research Report 2013

Patents

M ATHIAS B ONMARIN , N ILS R EINKE , A NDREAS FASTRICH, Vorrichtung und Verfahren zur Charakterisierung von Gewebe, International Patentanmeldung PCT/CH2013/000165.

A.8

Prizes and Awards

B. Schmid and D. Zolliker received the 2. Price in Life Sciences of the Veronika und Hugo Bohny Stiftung und Toolpoint Cluster for their Bachelor Thesis Entwicklung einer Messeinheit zur Hautkrebs-Analyse mit aktiver Thermographie. B. Schmid and D. Zolliker received the Brütsch Elektronik Award for their Bachelor Thesis Entwicklung einer Messeinheit zur Hautkrebs-Analyse mit aktiver Thermographie. B. Schmid received the Rheinmetall-Award for his Bachelor-Thesis Intelligenter Blitzgenerator . M. Neukom from ICP’s spin-off company Fluxim AG became finalist for the Electrosuisse ITG Innovation Price with the plattform für die automatisierte Messung von Solarzellen. N. Reinke and A. Bariska received the Swiss Top 100 Entrepreneurs Award for their ICP/IDP Spin-Off Company Winterthur Instruments AG. N. Reinke and A. Bariska were nominated for the DeVigier-Price for their ICP/IDP Spin-Off Company Winterthur Instruments AG.

A.9

Teaching

R. A XTHELM, Analysis 2 & 3 – Vorlesung & Übung, Bachelor of Science. R. A XTHELM, Lineare Algebra 2 – Vorlesung & Übung, Bachelor of Science. R. A XTHELM, Numerik – Vorlesung, Übung & Praktikum, Bachelor of Science. G. B OIGER, Fluid- und Thermodynamik 1 – Vorlesung, Bachelor of Science. G. B OIGER, Systemphysik fuer Aviatik 1 – Praktikum, Bachelor of Science. G. B OIGER, Systemphysik fuer Aviatik 2 – Praktikum, Bachelor of Science. M. B ONMARIN, PHEMS1, Physik I für MT, ST, und ET, Bachelor of Science. M. B ONMARIN, PHEU1, Physik I für EU, Bachelor of Science. M. B ONMARIN, PHEU2, Physik II für EU, Bachelor of Science. M. B ONMARIN, PHMT2, Physik II für MT, Bachelor of Science. T. H OCKER, Fluid- und Thermodynamik 1, Bachelor of Science. T. H OCKER, Fluid- und Thermodynamik 2, Bachelor of Science. T. H OCKER, Fluid- und Thermodynamik 3, Bachelor of Science.

www.zhaw.ch

Zürcher Fachhochschule

Research Report 2013

Institute of Computational Physics

T. H OCKER, Systemtechnik Physik 1 in der Aviatik, Bachelor of Science. T. H OCKER, Heat and mass transfer with two-phase flow, Master of Science. C. K IRSCH, Mathematik: Analysis für Ingenieure 1, Bachelor of Science. C. K IRSCH, Mathematik: Analysis und Geometrie 2, Bachelor of Science. K. P ERNSTICH, Physik und Systemwissenschaft in Aviatik 1 – Praktikum, Bachelor of Science. K. P ERNSTICH, Physik und Systemwissenschaft in Aviatik 2 – Praktikum, Bachelor of Science. B. RUHSTALLER, Grundlagen der Solartechnik, Bachelor of Science. B. RUHSTALLER, Messtechnik in Solarsystemen, Bachelor of Science. B. RUHSTALLER, Organische Elektronik und Photovoltaik, Bachelor of Science. G. S ARTORIS, Computed aided Engineering, Swiss MAS NMT, Weiterbildung. M. S CHMID, Mathematik: lineare Algebra für Ingenieure 1, Bachelor of Science. M. S CHMID, Mathematik: lineare Algebra für Ingenieure 2, Bachelor of Science.

Zürcher Fachhochschule

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

A.10

Research Report 2013

ICP-Team

Name

Function

e-Mail

Dr. Rebekka Axthelm Dr. Gernot Boiger Dr. Mathias Bonmarin Luigino Capone Dr. Peter Cendula Teresa D’Onghia Dr. Jaka Dujc Samuel Hauri Prof. Dr. Thomas Hocker Dr. Lorenz Holzer Dr. Lukas Keller Dr. Christoph Kirsch Dr. Evelyne Knapp Dr. Thomas Lanz Kevin Lapagna Markus Linder Christoph Meier Mirjam Meier Omar Pecho Dr. Kurt Pernstich Michel Prestat Markus Regnat Prof. Dr. Nils Reinke Remo Ritzmann Prof. Dr. Beat Ruhstaller Benjamin Rutz Dr. Yasser Safa Dr. Guido Sartoris Benjamin Schmid Dr. Matthias Schmid Prof. Dr. Jürgen Schumacher Esther Spiess Dr. Marek Szymanski Simon Züfle

Lecturer Lecturer Lecturer Research Assistant Research Associate Administrative Assistant Research Assistant Research Assistant Lecturer, Head ICP Research Associate Research Associate Research Associate Research Associate Research Assistant Research Assistant Research Assistant Research Assistant Research Assistant Research Associate Research Associate Research Assistant Research Assistant Lecturer Research Assistant Lecturer Research Assistant Research Associate Research Associate Research Assistant Lecturer Lecturer Administrative Assistant Research Assistant Research Assistant

rebekka.axthelm@zhaw.ch gernot.boiger@zhaw.ch mathias.bonmarin@zhaw.ch luigino.capone@zhaw.ch peter.cendula@zhaw.ch teresa.donghia@zhaw.ch jaka.dujc@zhaw.ch samuel.hauri@zhaw.ch thomas.hocker@zhaw.ch lorenz.holzer@zhaw.ch lukas.keller@zhaw.ch christoph.kirsch@zhaw.ch evelyne.knapp@zhaw.ch thomas.lanz@zhaw.ch kevin.lapagna@zhaw.ch markus.linder@zhaw.ch christoph.meier@zhaw.ch mirjam.meier@zhaw.ch omar.pecho@zhaw.ch kurt.pernstich@zhaw.ch michel.prestat@zhaw.ch markus.regnat@zhaw.ch nils.reinke@zhaw.ch remo.ritzmann@zhaw.ch beat.ruhstaller@zhaw.ch benjamin.rutz@zhaw.ch yasser.safa@zhaw.ch guido.sartoris@zhaw.ch benjamin.schmid@zhaw.ch matthias.schmid@zhaw.ch juergen.schumacher@zhaw.ch esther.spiess@zhaw.ch marek.szymanski@zhaw.ch simon.zuefle@zhaw.ch

www.zhaw.ch

Zürcher Fachhochschule

Research Report 2013

A.11

Institute of Computational Physics

Spin-off Companies

www.nmtec.ch Numerical Modelling GmbH works in the field of Computer Aided Engineering (CAE) and offers services and simulation tools for small and medium enterprises. Our core competence is knowledge transfer: we bridge the gap between scientific know-how and its application in the industry. With our knowledge from physics, chemistry and the engineering sciences we are able to profoundly support your product development cycle. Numerical Modelling speaks your language and is able to conform to given constraints with respect to time and budget. We often create so-called customer specific CAE tools in which the scientific knowledge required for your product is embedded. In this form, it is easily deployed within your R&D department and supports actual projects as well as improving the skills of your staff. Ask for our individual consulting service which covers all areas of scientific knowledge transfer without obligation.

www.fluxim.com FLUXiM AG is a provider of device simulation software to the display, lighting, photovoltaics and electronics industries worldwide. Our principal activity is the development and the marketing of the simulation software SETFOS which was designed to simulate light emission from thin film devices such as organic light-emitting diodes (OLEDs), thin film solar cells (organic and inorganic) and organic semiconducting multilayer systems. Our company name FLUXiM is derived from flux simulation. Our software products are used worldwide in industrial and academic research labs for the study of device physics and product development. Check out our references and testimonials for more info. We develop swiss-made software in Switzerland and in addition also provide services such as consulting, training and software development, see our services page for more details.

www.winterthurinstruments.ch Winterthur Instruments AG develops measurement systems for fast non contact and non destructive testing of industrial coatings. These measurement systems can be used to determine coating thicknesses, material parameters (e.g. porosity) and contact quality (e.g. to detect delamination). The system is based on optical-thermal measurements and works with all types of coating and substrate materials. Our measurement systems provide the unique opportunity of non-contact and non-destructive testing of arbitrary coatings on substrates.

Z端rcher Fachhochschule

www.zhaw.ch

Institute of Computational Physics

A.12

Research Report 2013

Location

ICP Institute of Computational Physics Technikumstrasse 9 P.O. Box CH-8401 Winterthur www.icp.zhaw.ch Contact Thomas Hocker Phone +41 58 934 73 38 thomas.hocker@zhaw.ch Administration Esther Spiess Phone +41 58 934 73 06 esther.spiess@zhaw.ch Teresa Dâ&#x20AC;&#x2122;Onghia Phone +41 58 934 67 62 teresa.donghia@zhaw.ch

TL-Building

TK-Building

www.zhaw.ch

ZĂźrcher Fachhochschule

Zurich University of Applied Sciences

School of Engineering ICP Institute of Computational Physics Technikumstrasse 9 P.O. Box CH-8401 Winterthur Phone +41 58 934 71 71 info.engineering@zhaw.ch www.icp.zhaw.ch