Väitös

Tuuva Kastinen: Suuntaviivoja tulevaisuuden orgaanisten aurinkokennojen varauksensiirto-ominaisuuksien mallintamiseen

Tuuva Kastinen
Orgaanisilla aurinkokennoilla on tulevaisuudessa potentiaalia jokapäiväisissä sovelluskohteissa, kuten ikkuna- ja seinäpinnoissa, elektroniikkalaitteissa ja mainostauluissa. Diplomi-insinööri Tuuva Kastinen selvitti väitöskirjassaan parhaita lähestymistapoja yksittäisten polymeeriaurinkokennomateriaalien ja niiden välisten vuorovaikutuksien suuruuden eli sähköisen kytkennän laskennalliseen tutkimiseen.

Fossiilisten polttoaineiden käyttöön liittyvät ongelmat ja maailman kasvava energiantarve ovat pakottaneet etsimään uusia energiamuotoja. Pii-pohjaisista aurinkokennoista on tullut viime vuosina yksi kilpailukykyisimmistä vaihtoehdoista perinteiselle energiantuotannolle. Vielä kehitteillä olevat seuraavan sukupolven orgaaniset aurinkokennot tarjoavat houkuttelevia ominaisuuksia, joita kaupallisilta, epäorgaanisilta laitteilta ei löydy.

- Orgaanisten aurinkokennojen etuina ovat muun muassa ohut, kevyt ja taipuisa rakenne, jolle on tarvetta erilaisissa integroiduissa sovelluksissa. Lisäksi kyseisissä laitteissa kiehtovat niiden edulliset valmistuskustannukset ja yksinkertaiset valmistusmenetelmät, Kastinen sanoo.

Orgaanisten aurinkokennojen toimintaan vaikuttavien tekijöiden ymmärtämiseksi on tehty paljon sekä kokeellista että laskennallista työtä. Kvanttimekaniikan menetelmillä saadaan tietoa molekyylien elektronitason ominaisuuksista, kuten rakenteesta ja optisista ominaisuuksista.

Väitöskirjatyössään Kastinen hyödynsi CSC – Tieteen tietotekniikan keskuksen laskentapalveluita polymeeriaurinkokennomateriaalien mallinnuksessa. Laskuissaan hän käytti kvanttimekaniikkaan pohjautuvaa tiheysfunktionaaliteoriaa, jossa systeemin energia ja muut fysikaaliset ominaisuudet voidaan ratkaista kyseisen systeemin elektronitiheyden kautta.

Orgaanisten aurinkokennojen tutkimuksessa tiheysfunktionaaliteoria on saavuttanut suurta suosiota sen laskentatehokkuuden ja riittävän tarkkuuden ansiosta. Tiheysfunktionaaliteoriassa haasteena on kuitenkin niin sanottu vaihto- ja korrelaatioenergiafunktionaali, jonka tarkkaa muotoa ei tiedetä, jolloin siitä joudutaan käyttämään approksimaatioita.

- Polymeeriaurinkokennojen mallinnuksessa käytettävät funktionaalit ja laskennalliset mallit tulisi valita huolella, jotta voidaan varmistua tutkittavan systeemin oikeanlaisesta kuvaamisesta. Tämä oli yksi väitöskirjatyöni päätavoitteista, Kastinen tähdentää.

Työssään Kastinen keskittyi aurinkokennojen valoaktiivisessa kerroksessa käytettäviin materiaaleihin eli polymeereihin, fullereeneihin ja pieniin orgaanisiin yhdisteisiin. Yksittäisten yhdisteiden lisäksi hän selvitti funktionaalin ja muiden laskentamenetelmien valinnan vaikutusta niiden välisillä rajapinnoilla ilmenevien vuorovaikutuksien ja varauksensiirron nopeuksien tutkimiseen.

- Yhdisteiden ominaisuuksien ja niiden keskinäisten vuorovaikutuksien selvittäminen auttaa ymmärtämään paremmin niiden toimintaa aurinkokennoissa. Työstä saatuja tuloksia voidaan hyödyntää edelleen vastaavanlaisten aurinkokennomateriaalien laskennallisissa tutkimuksissa sekä myös uusien, tehokkaampien materiaalien kehittämisessä, Kastinen tiivistää.

Tuuva Kastinen on kotoisin Hämeenlinnasta ja on tehnyt väitöskirjatyönsä Tampereen yliopiston Kemia ja edistyneet materiaalit -tutkimusryhmässä.

Diplomi-insinööri Tuuva Kastisen kemian alaan kuuluva väitöskirja Molecular Level Understanding of Conjugated Organic Solar Cell Materials - a Computational Study tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa perjantaina 4.9.2020 klo 12.00 alkaen.  Vastaväittäjänä toimii professori Fabrizia Negri Bolognan yliopistosta Italiasta. Kustoksena toimii dosentti Terttu Hukka tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.

Väitöstä voi seurata etäyhteyden kautta. Varayhteys (Zoom, meeting ID: 628 9644 3230)

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa
http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1608-2

Kuva: Mark Näppi