ZHAW ICP Reserach Report 2013

Research Report 2013

Zurich Universities of

Applied Sciences and Arts www.engineering.zhaw.ch Research & Development

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

Temperaturverlauf und volumetrische Spannungen zusam-men mit vergrösserte plastische Verformungen eines Stahl-strang bei einem Walzprozess.

Contents

Preface 3

Vorwort 4

1 Multiphysics Modeling and More 51.1 Simulation von Personenströmen als Kontinuum bei Großanlässen und dichtem Per-

sonenverkehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2 Scharfe Bilder oder kalter Kaffee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3 Virtual Layout for Continuous Casting of Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4 Thermal analysis to predict the cooling of chocolate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.5 Modellierung von Holzvergasungsprozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.6 Verbesserte Kühlprozesse für die Schokolade-Produktion . . . . . . . . . . . . . . . 111.7 Transport properties of compacted crushed rock salt . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.8 Potential of the lock-in thermal imaging method for the early detection of cutaneous

melanomas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2 Fuel cells and Energy Systems 152.1 Morphology influence on oxide scale conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2 Modeling Solar Cells for Hydrogen Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.3 Simulation and Freezing of the Fuel Cell Stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.4 3D topology and reaction kinetics in SOFC electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.5 Strömungssimulation am SOFC-Brennstoffzellenmodul . . . . . . . . . . . . . . . . 202.6 Integration of High Temperature Electric Converter for Electricity Generation in a

Solide Oxide Fuel System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.7 A new mathematical solution for the problem of channel-electrode gas flow in fuel

cell applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.8 Reduzierung der Ohm’schen Verluste in neuer Generation von Hexis Brennstoffzellen 232.9 Modellbasierte Analyse von Impedanzspektren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3 Solar cells and Organic Electronics 253.1 Simulation of light out-coupling enhancement of OLEDs using scalar-scattering . . . 263.2 Ladungstransport in organischen Solarzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.3 Durability of High-Efficiency Thin-Film Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.4 Nanostructured layers for enhanced light emission

from white organic light-emitting diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.5 OLED Herstellung im Unterricht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.6 Advanced modeling of charge carrier transport in disordered organic semiconductors 323.7 All-in-one Messplattform für OLED und Solarzellen Forschung . . . . . . . . . . . . 33

Appendix 35A.1 Student Projects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35A.2 Scientific Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36A.3 News Articles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37A.4 Conferences and Workshops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37A.5 Public Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39A.6 Exhibitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

1

Institute of Computational Physics Research Report 2013

A.7 Patents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40A.8 Prizes and Awards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40A.9 Teaching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40A.10 ICP-Team . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42A.11 Spin-off Companies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43A.12 Location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

www.zhaw.ch 2 Zürcher Fachhochschule

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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 anyresearch projects with the cosmetics industry. We rather dedicate ourselves to solar and fuel cellsand use physical computer models to understand them better and better. When it comes to thehuman 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 fourlecturers. 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 newapplications. 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 finda 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 Report2013. Also, I would like to thank all employees of our institute for their dedication, their enthusiasmand their great mutual support.

Thomas Hocker, Head of Institute

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Vorwort

Auf der Suche nach dem Jungbrunnen

Forschungsprojekte mit der Kosmetikindustrie haben wir noch keine. Wenn es um Alterungspro-zesse geht, sind es nach wie vor Solar- und Brennstoffzellen, denen wir uns widmen – und diewir mithilfe von physikalischen Computermodellen immer besser verstehen. Anders ist es mit denmenschlichen Alterungsprozessen. Hier sind wir dem Brunnen, dessen Wasser ewige Jugend ver-heisst, noch immer auf der Spur – bisher leider erfolglos. Zum Glück haben wir einen anderen Weggefunden, unser Team jung zu erhalten: sozusagen mit einer Frischzellenkur. Hatte das ICP vorzwei Jahren gut 20 Mitarbeiter mit vier Dozenten, sind es mittlerweile fast 30 Mitarbeiter, von de-nen etwa ein Dutzend unterrichten. Durch die Verstärkung unseres Teams konnten wir langjährigeForschungsschwerpunkte ausbauen und neue Anwendungen erschliessen. Die Erkenntnisse da-raus lassen unsere Dozenten praxisorientiert in die Lehre einfliessen, beispielsweise im Studien-gang 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 Grossan-lässen

• 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 Wärmein elektrischen Strom

Nähere Informationen zu diesen und weiteren Forschungsarbeiten finden Sie im vorliegendenJahresbericht 2013. Auch in diesem Jahr möchte ich an dieser Stelle allen Mitarbeitenden un-seres Instituts für ihr grosses Engagement, ihre Begeisterungsfähigkeit und die tolle gegenseitigeUnterstützung ganz herzlich danken.

Thomas Hocker, Institutsleiter


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1 Multiphysics Modeling and More

The fast growing technology of coupled physical phenomena is the key figure in the operation ofmany devices nowadays. Due to their inherent complexity, a multiphysical CAD environment fo-cusing on the application of physical, mathematical and numerical models is almost a necessity forthe design and optimization of such devices. Multiphysics modeling is a powerful tool for explor-ing a wide range of multiple and simultaneous physical phenomena and the past decades havebeen a period of rapid progress in this area. For example, a Google search of this neologismalready returns more than 600′000 results. The possible range of applications has been widelyexpanded and numerical methods have become increasingly sophisticated and adapted to exploitactual computational resources.At ICP we perform research and co-develop the numerical software NM-SESES for multiphysicsmodeling 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 actuatorsand all governing equations of classical physics. We also develop special and exclusive numericaltools for our partners or use commercial software if better suited to reach the goals and thus tosuccessfully finalize our research projects.


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1.1 Simulation von Personenströmen als Kontinuum bei Groß-anlässen und dichtem Personenverkehr

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

Contributors: R. AxthelmPartners: ASE GmbH, M. MoosFunding: KTIDuration: 2013–2015

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

Die Simulation von Fußgängerströmen soll zukünf-tig helfen, Orte und Gebäude mit erhötem Perso-nenaufkommen so zu planen, dass eine genügendhohe Durchflussrate möglich ist und damit Pa-niksituationen vermieden werden. Da Multi-AgentMethoden nur auf kleine Menschenansammlung-en anwendbar sind werden in diesem ProjektKontinuums-Methoden angewendet, für die bisherkeine kommerzielle Software erhältlich ist. Ziel desProjektes ist deshalb die Entwicklung einer kon-tinuumbasierten Software und deren Validierungdurch Videoanalysemethoden.Die Firma ASE ist spezialisiert auf videobasierteErfassung von Personenströmen, agentenbasierteSimulation realistischer Szenarien und die ereig-nisorientierte Simulation der Auslastung von Ser-viceplätzen. Solche sogenannte mikroskopischeSimulationen, die jeden Fußgänger einzeln dar-stellen, stoßen bei hohen Personendichten schnellan Grenzen, so dass keine zuverlässige Analysemehr möglich ist. Makroskopische Modellansätzeversprechen in solchen Situationen bessere Re-chenergebnisse. Bis heute ist aber keine kommer-zielle Lösung verfügbar.Der makroskopische Modellansatz von Perso-nendichten basiert auf der Annahme, dass eineMenschenmasse als Kontinuum angesehen wer-den kann. Die mathematische Beschreibung der

zugrundeliegenden physikalischen Prozesse sinddurch die Kontinuitätsgleichung %t + ∇ · (% u) = 0für die Dichteverteilung % und durch die Eikonal-gleichung |∇Φ| = c(%) für die angestrebte Lauf-richtung ∇Φ der Masse gegeben.

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

Schon mit der Berechnung einer Lösung imeindimensionalen Fall lassen sich Simulationenfür Bahnsteige (Fig. 2) durchführen und gegenkommerzielle, agentenbasierte Software validie-ren (Fig. 3).

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

Qualitativ machen bereits theoretischen Ergebnis-se der makroskopischen Modelle einen guten Ein-druck. Allerdings wurden noch keine Methodenentwickelt, diese Ansätze auch quantitativ zu va-lidieren. Für die praktische Anwendung der in derForschung erarbeiteten Methoden ist eine softwa-retechnische Umsetzung notwendig. Das im Pro-jekt zu erarbeitende Software Tool pFlow soll diesermöglichen. Zusätzlich wird der Ansatz im Ent-wicklungsprozess an Hand von gemessenen Per-sonenströmen validiert werden.


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1.2 Scharfe Bilder oder kalter Kaffee

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

Contributors: R. AxthelmPartners: IDP-ZHAW, O. DürrFunding: interne FinanzierungDuration: 2013

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

Man stelle sich vor, dass die Helligkeitswerte ei-nes Bildes dem Temperaturprofil des eines kaltenTropfens Milch im heißen Kaffee entsprechen. Oh-ne Einwirkung äußerer Kräfte wird sich die kalteMilch im Laufe der Zeit im Kaffee verteilen. DieGrenze zwischen kalter Milch und heißem Kaffeverschmieren. Im Bild wirkt sich das dahingehendaus, dass es unscharf wird. Die mathematischeBeschreibung eines solchen Diffusionsprozessesist durch die Wärmeleitungsgleichung gegeben.Wenn die Wärmeleitungsgleichung nun ein Bildunscharf macht, so könnte doch der zeitlich rück-wärtsgerichtete Prozess das Bild schärfen, bzwden kalten Milchtropfen wieder zusammenziehen.So die Idee. Aus mathematischer Sicht ist das ab-solut verboten aber in der Bildverarbeitung tut manes dennoch und das hat natürlich seinen Preis:Es bilden sich Artefakte, die sogenannten Über-schwinger, wie zum Beispiel solche, die glamou-röse Fußballspieler mit Heiligenscheinen verse-hen (s. Fig. 1). Weniger bei PC-Bildschirmen aberganz besonders gut bei Full HD Panels, wegender großen Pixel, können diese und andere inter-essante Artefakte sehr gut sichtbar gemacht undauf einfache Weise erklärt werden.Die Wärmeleitungsgleichung ut − ∆u = 0 ange-wandt auf die Grauwerte eines 8-Bit Bildes, diedurch die Funktion u : Ω ⊂ IR2 → [0, 255] dar-gestellt werden, bewirkt eine Verschmierung desBildes; es wird unscharf. Kehrt man diesen Pro-

zess zeitlich um, so wechselt das Vorzeichen desLaplace-Terms und wir erhalten ein nichtphysikali-sches Modell ut + ∆u = 0. Was passiert wenn wirdie zweite Ableitung einer Funktion von dieser sub-trahieren ist in Fig. 2 dargestellt. Artefakte lassensich auf diese Weise nicht vermeiden. Was mandamit erreicht ist letztlich keine Schärfung des Bil-des sondern eine Erzeugung von Artefakten, dieaber dazu führt, dass der Schärfeeindruck erhöhtwird.

Fig. 2: Zugrundeliegendes Prinzip des Bildschärfung

Natürlich gibt es heutzutage pfiffige Variationender Rückwärtsdiffusion, wenn auch die Grundideeimmer die Gleiche ist. Was bei diesem Demo-objekt noch bearbeitet wurde ist die Problematikder erforderlichen Rechenleistung: Knapp kalku-liert benötigt man 150 Rechenoperationen pro Pi-xel. Möchte man FullHD (2 Mio Pixel) live, also mit50 Bildern pro Sekunde (50 Hz) schärfen, brauchtman etwa 15 Milliarden Rechenoperationen proSekunde (15 GFlops). Das bringt selbst eine mo-dernen Rechner an die Grenzen. Moderne Grafik-karten rechnen mit Hunderten von Prozessorker-nen etwa 100 Mal schneller als die CPU. DieseRechenleistung wird zunehmend auch für wissen-schaftliche Aufgaben verwendet. Mit WebGL ist esmöglich und eben so in diesem Projekt realisiert,diese Rechenleistung in einem modernen Browserzu nutzen.


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1.3 Virtual Layout for Continuous Casting of Steel

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

Contributors: G. SartorisPartners: SMS Concast, Numerical Modelling GmbHFunding: CTIDuration: 2012–2013

SMS Concast is an engineering company supply-ing heavy machinery and related technology forthe production of long steel products as billetsand blooms, which are subsequently transformedby rolling or forging into semi-final products. Thescope of SMS Concast comprises design, engi-neering and automation, supply of hardware, com-missioning of single process elements up to com-plete melt-shops. Such melt-shops range in theircapacity from ca. 150.000 tons/year up to 2.3 mil-lion tons/year for one process-line.

Goal of this project is to provide the industrial part-ner SMS Concast with up to date software for mod-eling the continuous casting of steel. In particular,our aim is to improve and adapt the NM-SESESmultiphysics software to state-of-the art numericalalgorithms as required for running optimized com-putations in the layout of continuous casting ma-chinery. With this project, SMS Concast plans toimprove the numerical simulation know-how devel-oped in collaboration with NM Numerical ModellingGmbH during the past years. Optimized modelsand simulation concepts for the moving strand ap-proach will enable SMS Concast to simulate cast-ing processes closer to reality, with less effort anddeploy it already in the offering phase. In addition,it will support R&D by identification of casting pro-cess limits and troubleshooting during installationand the after sales phase.

The continuous casting of steel includes a liquidphase inside the moving slab and a solidifying oneat the exterior. The liquid phase can display aturbulent character whereas the solid one is sub-jected to elasto-plastic deformations. The strandis moving in a stationary way through rollers andat the same time is cooled by sprayed water. Nu-merical methods have to cope with solid and fluidphases transport, energy transport, mechanicalcontacts, radiation and cooling. The solidified por-tion of the slab undergoes large plastic deforma-

tions and grows inwards from a thin layer to the fullsolid slab.A mixed Euler-Lagrange formulation is used tomodel this multiphysics problem, the former oneis the method of choice for fluids and the latterfor solids. Given the plastic strain, a Lagrangegeometric linear formulation is used to solve themechanical problem and to obtain the mechanicalstresses. In turn, the stress is used to evaluate therate of plastic flow and the plastic strain is com-puted by solving a convective transport problem fora given strand velocity with an Euler formulation.The first half of the project was dedicated to imple-ment and solve this multiphysics Euler-Lagrangeproblem either fully coupled or partially uncoupledfor the displacement and plastic strain fields. Forthis steady state approach, it is clear that for azero strand velocity and a non-zero plastic rate,there are no solutions, hence the problem is ill-conditioned. The remaining time has been usedto improve the numerical algorithms and the ill-conditionness of the system. Computations haveshown that an uncoupled solution approach is notfeasible, iterative solvers are not yet convergingand 3D coupled solutions with 8 dofs at Lagrangenodes are feasible but computational expensive.We are working on stabilizing and speeding up thecomputation of solutions.

Fig. 1: Continuous caster by SMS Concast.


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1.4 Thermal analysis to predict the cooling of chocolate

In chocolate manufacturing, the cooling of liquid chocolate is an important process stepwith respect to the final product quality, which is characterized by gloss, snap and goodmelting behavior. So far, chocolate cooling on an industrial scale has been based mainlyon empiricism. Therefore, this work investigated detailed thermal conditions in industrialcooling tunnels and mimicked them by analytical laboratory methods such as differentialscanning calometry.

Students: M. Suter

Category: MSE Swiss Master of Science in EngineeringMentoring: T. HockerHanded In: 31. Dezember 2013

In-line cooling curve measurements were perfor-med by the use of chocolate moulds equipped withtemperature sensors, designed by ICP in coorpo-ration with Max Felchlin AG, Schwyz. Fig. 1 showsin-line measured temperature curves in a coolingtunnel at Felchlin at 20 % and 80 % fan power set-tings in cooling zone 1. The nominal cooling airtemperature, however, has been kept constant at13 C. Firstly, the actual cooling air temperaturesshown as the blue curves deviate significantly fromthe nominal value. Secondly, comparing the twotemperature curves recorded inside the chocola-te, shown as red curves, clearly shows the largeimpact of the cooling fan settings on the advan-cement of chocolate crystallization (at temperatu-res below about 27 C). Since the cooling curvesare tightly coupled with micro-structural propertiesof the processed chocolate, optimizing the coolingparameters is expected to have a large impact onthe chocolate’s sensorial and morphological pro-perties.In parallel, cooling curves were measured underwell-defined laboratory conditions by differentialscanning calorimetry, DSC. Here, the aim was toquantify the heat of crystallization of cocoa but-ter upon cooling. Note that cocoa butter is the do-minant fat component present in chocolate. Fromthese heat-flux measurements, the internal energyuS of the sample was calculated for different DSCcooling rates. Results shown in Fig. 2 indicate thatthe cooling rate β strongly influcences cocoa buttercrystallization. At smaller cooling rates, the onsetfor crystallization happens at higher temperatures.Also, for smaller β, the energy release upon cry-stallization is larger than with higher cooling rates.This behavior is expected since the conditions atsmaller cooling rates are closer to thermodynamic

equilibrium. The latter favors the most dense andstable crystals to maximize both the energy relea-se and the phase transition temperature. The re-ported results are preliminary, but they show thatlinking in-line measured cooling curves with DSCanalysis can be expected to be of great value forrevealing the relationships between different coo-ling conditions and final chocolate quality.

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

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

10 15 20 25 30 35 40

-150

-100

-50

0

TSH°CL

u SHJê

gL

bH°CêminL

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


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1.5 Modellierung von Holzvergasungsprozessen

Die Vergasung hölzerner Brennstoffe ist ein deutlich komplexerer Prozess als deren blosseVerbrennung. Finanziert durch die Gebert Ruef Stiftung entwickelt das ICP multiphysikali-sche Modelle, die helfen sollen, Lücken im Verständnis dieses, Energie-technologisch sorelevanten, Verfahrens endlich zu schliessen.

Contributors: G. Boiger, Ch. Meier, T. HockerPartners:Funding: Gebert Ruef StiftungDuration: 2012–2014

Die Vision aus Holzabfällen sowohl Wärme, alsauch hochwertiges Brenn- oder Synthesegas ge-winnen zu können, ist nicht neu, klingt heute aberso bestechend, wie eh und je. Der Betrieb gross-technischer Vergaser zeigt allerdings, dass einkontinuierliches, stabiles Fahren des Prozessesnach wie vor technische Schwierigkeiten bereitet.Einer der Gründe dafür besteht darin, dass diethermofluiddynamischen Unterprozesse der Holz-vergasung in ihrer vollen Dynamik noch immernicht zur Gänze verstanden sind. Das ICP bemühtsich nun, diesen Zustand, durch die Entwicklungdetaillierter, numerischer Modelle zu ändern.

Abgas

Pyrolyse

Prozess -luft

Holz-gas Holzkern

Kohleschicht

Abb. 1: Modellvorstellung des Vergasungsprozesses einesHolz-partikels.

Ein wesentlicher Fokus dieser Modellierungsan-strengungen lag im vergangenen Jahr auf der Ent-wicklung eines multiphysikalischen Vergasungs-simulators. Die Modellvorstellung (siehe Abbil-dung 1) fokussiert sich dabei auf die Abbildung ei-nes einzelnen Pellets, oder Hackschnitzels, wäh-rend dessen Umwandlung in Kohle und Holzgas.

In einer transienten 1D Simulation, kann nun dieLebensdauer eines Holzpartikels vom Zeitpunktdes Entzündens, über dessen Gasproduktions-phase, bis hin zum letztlichen Erlöschen der ther-mochemischen Reaktionen, mitverfolgt werden.

v FF in mm/s

vA in m/s

Pellets Model

Wood Chips Model

Abb. 2: Flammfrontgeschwindigkeit gegen Prozessluftge-schwindigkeit. Literaturdaten (links, oben) gegen Modeller-gebnisse (rot, blau).

Das Vergasungsmodell ermöglicht die Beschrei-bung folgender, relevanter Phänomene: Änderungder Strömungs-situation im und um das Parti-kel; Pyrolytische Zersetzung des Holzes; Ther-mochemische Vergasungsreaktionen; Teilverbren-nung des Holzgases. Durch gezielte Vergleiche mitDaten aus der Literatur konnte gezeigt werden,dass ein modellbasiertes, qualitatives Nachbildenrealer Vorgänge in Experimentalvergasern nun be-reits möglich ist (Bsp. siehe Abbildung 2).

Literatur:M. Fatehi, M. Kaviany, Combust. Flame, 99, 1994.S. Shabbar, I. Janajreh, Energ. Convers. Manage., 65,2013.


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1.6 Verbesserte Kühlprozesse für die Schokolade-Produktion

Die Schweizer Industrie stellt jährlich etwa 175’000 Tonnen Schokoladeprodukte her. Durchoptimierte Kühlprozesse liesse sich deren Qualität weiter steigern und dabei noch Ener-gie einsparen. Zusammen mit seinen Forschungspartnern analysiert das ICP daher dasAbkühlverhalten von Schokolade durch eine Kombination von Laboranalysen, Inline Tem-peraturmessungen in der Produktion und thermodynamische Computersimulationen.

Contributors: L. Brenner, P. Fahrni, T. Hocker, T. Hunkeler, M. SuterPartners: IDP-ZHAW, ZSN-ZHAW, IFNH-ETHZ, Max Felchlin AGFunding: KTIDuration: 2013–2015

Die Qualität von Schokolade hängt nicht nur vonihrer Zusammensetzung, sondern auch von denProzessbedinungen ab, unter denen die herge-stellt wird. Speziell die letzten beiden Prozesschrit-te, das Temperieren, d. h das Züchten von Vor-kristallen in der noch flüssigen Schokolade, unddie Bedingungen beim anschliessenden Erstar-ren im Kühlkanal spielen dabei eine wichtige Rol-le. Tatsächlich lassen sich typische Merkmale derSchokolade wie deren Glanz, Schmelztemperaturund Haltbarkeit aus dem zeitlichen Temperaturver-lauf während des Erstarrungsprozesses herausle-sen [1].

Zur Analyse des Abkühlverhaltens mussten bis-her flüssige Proben aus der Produktion im Laboruntersucht werden. Dabei blieb unklar, ob der ei-gentliche Abkühlprozess im Kühlkanal mit demje-nigen im Labor tatsächlich übereinstimmt. Zur Un-tersuchung des Erstarrungsprozesses direkt in derProduktion hat das ICP deshalb zusammen mitdem Institute of Food Science der ETH, dem Zen-trum für Signalverarbeitung und Nachrichtentech-nik (ZSN) sowie dem Institut für Datenanalyseund Prozessdesign der ZHAW eine neuartige in-line Messplattform entwickelt. Über Ultraschall-,Temperatur-, Wärmefluss- und Luftgeschwindig-keitsmessungen lassen sich die thermischen Ei-genschaften des Kühlkanals, der Form sowie derSchokolade und deren Ablöseverhalten zeitaufge-löst messen. Abbildung 1 zeigt die dabei verwen-deten Wärmefluss- und Temperatursensoren. InAbbildung 2 sind typische Abkühlkurven im Kühl-kanal der Max Felchlin AG sowie die entsprechen-den Kurven aus Tempermetermessungen im La-bor dargestellt. Man sieht, dass die Temperatur-verläufe im Bereich der Erstarrung unterhalb vonetwa 26 C ähnlich verlaufen. Die Temperatur-und Wärmeflussmessdaten wurden mithilfe vonglobalen Energiebilanzen auf ihre Konsistenz hinüberprüft. Dabei stellte sich beispielsweise heraus,

dass das Messsetup einen Einfluss auf das ther-mische Verhalten der Probe haben kann, der folg-lich zu berücksichtigen ist.

Wärme-

fluss

sens

orTempe

ratur-

sens

oren

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

T (ºC)

t (s)

Temper-meter

Kühlkanal

Abb. 2: Abkühlkurven von Schokolade im Kühlkanal und imLabor im Tempermeter gemessen.

Im kommenden Projektjahr wird der Fokus am ICPauf der Entwicklung von orts- und zeitaufgelöstenthermischen FE-Modellen liegen. Sie sollen hel-fen, die während der Erstarrung ablaufenden Kris-tallisationsprozesse im Detail zu verstehen.Literature:[1] D. Ehlers, W. Hanselmann, E. J. Windhab, Onli-ne Tempercurve Analysis of Praline Products with theObjective of Cooling Process Optimization, Journal ofFood Process Engineering, 36, pp. 292-301, 2013.


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1.7 Transport properties of compacted crushed rock salt

Crushed salt rock is considered as backfill material in depositories for radioactive waste. Interms of safety the pore microstructure and related transport properties of potential sealingmaterials are critical

Contributors: Lukas M. KellerPartners: EMEZ-ETH, EMPAFunding: DBE Technology GmbH (D)Duration: 2013

Decades ago, salt was proposed as a candidaterock for hosting a repository for nuclear waste.Ever since that proposition much work was donein order to assess the sealing properties of thismaterial. Apart from the host rock, concepts forradioactive waste repositories include a materialthat surrounds the waste canisters and fills (i.e.back fill) the cavities between the canisters andthe borehole in the host rock. Regarding a repos-itory in salt rock, crushed rock salt is consideredas the reference backfill material. An advantageof the material is the ability to consolidate into adense material as a result of compactional load-ing. In any case, a final assessment of the suitabil-ity as a backfill material requires an understand-ing of the microstructure response to compaction.So far microstructural investigations of compactedcrushed rock salt are scarce. In this study poremicrostructures of crushed salt rock were recon-structed on the base XCT and were then used asinput for the calculation of critical transport prop-erties. Local porosity theory in combination withpercolation theory was applied to quantify the con-nectivity of the pore space. The pore microstruc-tures are isotropic in connectivity and percolation

threshold. Application of finite-scaling schemesyielded percolation thresholds with critical porosi-ties φc > 0.05. Pore network simulations were usedto predict the absolute permeability and capillaryproperties of the microstructure. The predictedabsolute permeability agrees well with publishedporosity-permeability relations for compacted rocksalt. Fig. 1 shows the predicted capillary pressurecurves and gas permeabilities for water drainagefor φ = 0.1 and φ = 0.06. For φ = 0.06 sub-stantial increase in capillary pressures is predictedfor water saturation < 0.4. For similar porosities(i. e.≈0.05), measured capillary pressure curvesrevealed a very similar behavior. As a conclu-sion, for pore radii > 4 microns, XCT and “criti-cal” porosity determination confirm that an origi-nally connected pore network within a compactedcrushed salt sample can be disconnected by fur-ther compaction if porosity falls significantly belowthe “critical” porosity. During compaction substan-tial changes in transport properties occur near thepercolation threshold. Predications of transportproperties based on a network modeling agreewith experimental results.

Water saturation Water saturation

Gas

per

mea

bilit

y [m

2]

Cap

illar

y pr

essu

re [M

Pa]

a) b)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 110-17

10-16

10-15

10-14

10-13

φ = 0.10

φ = 0.06

Fig. 1: Prediction of gas transport properties for different pore microstructures. Regarding a repository for radioactivewaste, 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.


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

We developed a 2D axisymmetric multilayer heat-transfer model of the human skin to as-sess the potential of lock-in thermal imaging for the detection of early-stage cutaneousmelanomas.

Contributors: M. Bonmarin, F. Le GalPartners: Dermato Oncological Unit - HUGFunding: Swiss Cancer LeagueDuration: 2012–2014

Cutaneous melanoma is considered to be the mostserious form of skin cancer due to its ability tometastasize. The occurrence of melanoma isabout 7.5 new cases per 100 000 inhabitants peryear for Europe, and has been drastically risingover the last decades (Godar 2011). Switzerland isparticularly affected and exhibits one of the highestrate of melanoma in Europe, see Fig. 1. Nonethe-less, if detected at an early stage of development,the prognostic is excellent.In this context, the development of a non-invasivediagnostic tool is urgently required. Among thedifferent techniques proposed so far, lock-in ther-mal imaging (LIT) is a very promising method. LITis based on the periodic thermal excitation of thespecimen under test. Resulting surface tempera-ture oscillations are recorded with an infrared cam-era and allow to detect variations of the sample’sthermophysical properties under the surface.To assess the potential of LIT for the early detec-tion of cutaneous melanoma, we developed a two-dimensional axisymmetric multilayer heat-transfermodel of the human ski, see Fig. 2. The steady-state and transient skin surface temperatures arenumerically derived for different stage of develop-ment of the skin lesion and demodulated accordingto the digital lock-in principle.Numerical results show that cutaneous lesions,even at an early stage, exhibit a specific thermalsignature 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.


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2 Fuel cells and Energy Systems

Fuel cells electro-chemically convert fuels such as hydrogen, natural gas or methanol into electricalenergy and heat. They can be used as battery replacement in portable electronic devices, forproduction of heat and electricity in households and as an energy source in electric cars. Due totheir flat design, fuel cells are generally connected in series to form stacks and since their numbercan be easily varied, these energy suppliers have a good scalability and can be deployed in variousapplications with electrical efficiencies of over 60% possible. As paragon, the efficiency of a coalpower plant is on average only 31%. Although the functional principle among all fuel cells is thesame, 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 fuelcells (PEFC) run below 100 C. Meanwhile, the first micro combined heat and power systems ofHexis AG, Winterhtur are on the market. A big commercial success has not yet been reached andone has to further reduce the manufacturing costs and to increase the robustness and the life ofthe 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 improve-ments. In addition to fuel cell systems, we also model photo-electro-chemical cells (PEC) in whichsolar energy is used for water splitting. At ICP we have strategic partnerships in the field of SOFCresearch 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.


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2.1 Morphology influence on oxide scale conductivity

Oxide scale growth is a major source for performance loss of SOFCs. A non linear relation-ship is perceived between scale growth (thickness) and associated ohmic resistance, whichcan 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 describedquantitatively at ICP based on electron microscopy, image analysis and finite element.

Contributors: Markus Linder, Lorenz Holzer, Thomas HockerPartners: Hexis AGFunding: Swisselectric Research, Swiss Federal Office of EnergyDuration: 2012–2014

To provide a sufficient amount of electrical energyin technical fuel cell applications several cells haveto be stacked. These cells are connected by cur-rent collectors made of the chromium based alloyCr5Fe1Y2O3 (CFY). In the stack the metallic inter-connects (MICs) act as gas separators and dis-tributors for cathode air and anode fuel as wellas current collectors. Under solid oxide fuel cell(SOFC) operating condition with high temperature(T > 600 C), continuous oxide scale formation onthe MIC surface is unavoidable.

LSM

Cr2O3

Cr5FeY2O3

pores

high el. current densities

Fig. 1: Current path simulations on a real Cr2O3 scale(based on SEM image data) show that the electrical currentseeks the way with the least resistance.

The additional ohmic resistance caused by thecontentious Cr2O3 scale formation on metallic in-terconnects can significantly contribute to the over-all electrical power degradation of SOFC stacks.For this reason the mean oxide scale growthon MIC material was investigated and quantifiedbased on time-laps scanning electron microscopy(SEM) from samples exposed in a furnace to air at850 C. For the scale growth and the ASR evolu-tion the same characteristic is intuitively expected.However electrical conductivity measurement onCFY samples under the same condition show adeviating characteristic in the resulting area spe-cific resistance (ASR) trend.

In order to explain the observed non-linear re-lationship in the time depending evolution, FE-modeling is applied to simulate the current den-sity distribution over the oxide layer in the SEMimages. The simulations illustrate that the formedoxide layer with its complex morphology and poresbuilds some bridges which are consequently thepreferred pathways for the electrical current (cf.Fig. 1). This morphology effect is more empha-sized during the initial stage (< 2000 h) and disap-pears nearly for longer time scales (> 5000 h) sincethicker oxide layers reduce the bridging effect.Based on a large number of SEM images a timedependent morphology factor M(t) could be de-termined which describes the bridging effect quan-titatively. The results in Fig. 2 show that theASR predictions, which are corrected for bridging-effects with the time dependent M-factor, agreemuch better with the experimental data. This find-ing helps to improve the life time predictions forSOFC applications which is a relevant informa-tion for our project partner Hexis during the marketlaunch phase.

0 1000 2000 3000 4000 5000 60000

5

10

15

20

25

time h

ASRmcm2

ASR with M factor, Σ " 0.032 S cm 1

ASR without M factor, Σ " 0.040 S cm 1

experimental data

Fig. 2: ASR evolution determined based on oxide scalethickness 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.


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2.2 Modeling Solar Cells for Hydrogen Production

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

Contributors: P. Cendula, J. SchumacherPartners: Laboratory of Photonics and Interfaces EPFL,

Photovoltaic and Optoelectronic Devices Group, University Jaume I (E)Funding: Swiss Federal Office of EnergyDuration: 2012–2014

A PEC solar cell absorbs light and produces hydro-gen and oxygen instead of electricity. Fig. 1 showsa tandem PEC cell configuration for the unassistedwater splitting, that is, no additional bias voltage isneeded to drive the water splitting reaction [1]. Inthe first year of the project (2012), we implementedin-house software to calculate the energy band di-agram of the PEC cell from hematite based on thehole continuity equation. In the current year, weextended our model to achieve a consistent de-scription of the electrochemical and semiconduc-tor energy levels [2]. Furthermore, we can nowsimulate p-type semiconductor materials, and wecompared current-voltage curves of previous ana-lytical models with our simulation results.

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

In electrochemistry, the voltage is most commonlygiven relative to the reference electrode. However,in a semiconductor PEC electrode which is com-posed of single or multiple materials, it is frequentto use an energy scale that is defined relative tothe vacuum level. Relating these two definitionscan lead to some confusion and we provided aconsistent set of definitions that enables us to re-late the different expressions for voltages and en-ergies [1].

We also included p-doped semiconductor PECelectrodes in our model, since these are neededfor incorporation in tandem PEC architectures [1].The electron continuity equation is solved in thiscase and the hole concentration is assumed to re-main equal to the dark value. Now we can simulaten-type and p-type semiconductor junctions as theyare applied in PEC cells to increase stability andcharge transport properties.

Numerical

Gartner

Reichmann

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0

1

2

3

4

5

Vr ,RHE @VD

Ph

oto

cu

rre

nt

@mA

cm

-2

D

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

We compared the current-voltage response of ournumerical model with classical results of Gartnerand Reichmann, Fig. 2. According to Gartner, mi-nority charge concentration is calculated from dif-fusion equation, neglecting recombination in theSCR.Our software is accessible freely online to thePEC research community [3]. Extension of ourmodel with surface states at the semiconduc-tor/electrolyte interface will enable an accuratephysical description and optimization of PEC elec-trodes.

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/.


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2.3 Simulation and Freezing of the Fuel Cell Stacks

In the energy hungry modern world, the need to replace the fossil fuel based systems withsustainable and clean energy technologies is enormous. The leading replacement candi-date in the transport applications as well as in stationary applications are the hydrogenfueled polymer electrolyte membrane fuel cells.

Contributors: J. Dujc, J.O. Schumacher, G. SartorisPartners: PSI, Belenos Clean Power Holding AGFunding: Swiss Federal Office of Energy, Belenos Clean Power Holding AGDuration: 2010–2014

Project overviewProton exchange membrane (PEM) fuel cells gen-erate electrical power from hydrogen gas with purewater being the only byproduct. To better under-stand and further develop these systems, our ef-fort is directed towards computer simulations andexperimental model validation. In this joint projectbetween Belenos Clean Power Holding AG, PaulScherrer Institute and ICP we focus our attentionon two certain aspects.In the first work package, the optimization of afuel cell stack is addressed. For this purpose ICPdevelops coupled (multiphysics) numerical modelsto represent the interaction between the transportand reaction processes that are present in an op-erating PEM fuel cell. Analyzing these interactionsby combination of simulation and measurement isessential to identify the energy conversion lossesand to improve the fuel cell performance. The PaulScherrer Institute provides the experimental back-ground for model validation.Fuel cell systems in transportation applications arerequired to be started below freezing tempera-ture. There are still some unanswered fundamen-tal questions in relation to the local ice formationand the consequent degradation of the PEM fuelcells. Therefore, in the second work package, thebehavior of PEM fuel cells at freezing conditions isinvestigated. This is done mainly by the means ofX-ray tomography at the Paul Scherrer Institute.State of the projectIn the year 2013 the development of the 2D+1DPEM fuel cell simulation software has come to theconcluding stage. A general geometry-invariantapproach for the simulation of the pressure and ve-locity fields in the 2D domains of the anode and

the cathode side has been developed and veri-fied. By using this approach the pressure dropsimulations of the complex flow-field geometries oflarge-area cells can be now performed. The partof the software dedicated to the 1D modeling ofthe membrane electrode assembly has been fur-ther extended and the code has been optimized.Moreover, the 1D model was validated by compar-ison to experimental data obtained by PSI. The 2Dand the 1D model components have been consis-tently coupled and the software has been verifiedby comparing its results with the results obtainedby benchmark tests.

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

OutlookThe 2D+1D fuel cell simulation software will beused to simulate different flow-field configurations.On the request of Belenos Clean Power Hold-ing AG we will also investigate the influence ofthe channel shape and the influence of the chan-nel alignment on the performance of the fuel cell.Based on the results of the above investigations,conclusions will be drawn and fuel cell design rec-ommendations will be provided.

Literature:J.O. Schumacher et al., Math. Comp. Mod. Dyna.Syst., pp. 1-23, 2012.


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2.4 3D topology and reaction kinetics in SOFC electrodes

Fuel cell electrode performance is affected by various electrochemical processes and trans-port phenomena that depend on the microstructure and intrinsic material properties. Anelaborate quantification of microstructure parameters and models that incorporate mi-crostructure effects and simulate electrode reaction mechanisms are necessary to quan-titatively describe microstructure-performance relationships.

Contributors: O. Pecho, L. Holzer, M. Prestat, R. Flatt, T. Hocker, B. Münch, V. SchmidtPartners: ETH (IfB, NonMet, EMEZ), Hexis AG, Empa, Ulm University (DE)Funding: Swiss National Science FoundationDuration: 2012 – 2014

This investigation involves two different types ofmaterials. In the first part, nanoporous LSC(La0.6Sr0.4CoO3-δ) thin film cathode layers forintermediate-temperature operation (≈ 600 C) ap-plications are deposited by wet spray pyrolysisonto gadolinium-doped ceria (GDC) electrolytesubstrates, followed by heat-treatment at 600 C,800 C, and 1000 C (Figure 1). A secondaryphase composed of Sr and O is detected withbackscatter imaging within the pore network of the600 C and 800 C sintered layers. This leads to a‘modified’ La0.6Sr0.4-xCoO3-δ stoichiometry with as-sociated increase in A-site deficiency, oxygen va-cancies and different intrinsic properties.

Fig. 1: (Left) SEM micrographs of LSC sintered at 600, 800and 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 pa-rameters based on FIB-SEM micrographs, and ap-plication of the Adler-Lane-Steele (ALS) model areperformed to gain understanding about the influ-ence of the secondary phase and its nanoporosity

on the oxygen reduction kinetics. Generally, thecathodes exhibit very good performance attributedto the strong correlation between the total LSC sur-face area and the area specific resistance (ASR)as shown in Figure 2.

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

In the second part, microstructure effects in com-posite anodes such as Ni-YSZ are investigated. In-sights about the influence of microstructure degra-dation on the effective ionic and electronic conduc-tivities, charge transfer reactions, and electrodeperformance are evaluated. Changes in the TPBsare correlated with the loss of the anode perfor-mance. Moreover, a model capable of simulat-ing complex anode reaction mechanism is usedto evaluate the specific components (ionic andelectronic transport, electrochemistry and chargetransfer) of the ASR. The results are comparedwith the experimental data obtained from electro-chemical impedance and conductivity measure-ments. These give further insights and under-standing on microstructure-performance relation-ship and new interpretations of widely discussedphenomena such as nickel coarsening upon redoxcycling.


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2.5 Strömungssimulation am SOFC-Brennstoffzellenmodul

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

Contributors: G. Boiger, V. Lam, C. MeierPartners: Hexis AG, Viessmann Werke GmbHFunding: Hexis AG, Förderprojekt LeonardoDuration: 2013–2015

Seit über zehn Jahren pflegt das ICP eine engeForschungs- und Entwicklungszusammenarbeitmit der Firma Hexis AG. Die Markteinführung ihresSOFC-Heizgerätes Galileo 1000N erfolgte imSommer 2013 und stellt einen Meilenstein in derFirmengeschichte dar (SOFC steht für Solid OxideFuel Cell, eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle).Von dem ebenfalls 2013 bekanntgegebenen Ein-stieg der Viessmann-Gruppe bei dem WinterthurerSOFC-Hersteller werden wichtige Impulse zumwirtschaftlichen Erfolg der Technologie erwartet.Das ICP unterstützt die anstehende Integrationder Hexis-SOFC in die Produktlinie von Viess-mann durch modellbasierte Analysen und Berech-nungen. Im Fokus der bis 2015 beschlosse-nen Zusammenarbeit steht die Weiterentwick-lung des Brennstoffzellenmoduls (BZM), dessenIntegration in die von Viessmann speziell en-twickelte Heizungsplattform sowie die Optimierungder SOFC-Regelung. Unsere Kompetenzenin der Simulation von thermo-fluidischen undelektrochemischen Systemen sowie gute Ken-ntnisse des Hexis-Systems ermöglichen dabeigesamtheitliche Analysen.

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

Der Brennstoffzellenstack wird optimal bei einer

Temperatur von 850C betrieben und ein vomICP mitentwickelter Prototyp weist eine sehr ho-mogene Temperaturverteilung auf (siehe ICP Re-search Report 2012). Als Bestandteil des De-sign gelangt die Verbrennungsluft über eineneinzelnen Anschluss in einen Ringkanal, um-strömt das BZM und tritt durch mehrere Bohrun-gen in den Stack ein. Verlangt wird unter an-derem eine hinreichende Gleichverteilung der Luftüber diese Bohrungen - nur so wird ein Luft-Brenngasverhältnis für optimale Wirkungsgradeund Zellen-Lebensdauer erreicht. Aufgrund desbeschränken Bauraumes muss der Ringkanalgegenüber dem bestehenden Prototypen jedochverkleinert werden.

Fig. 2: Prognostizierte Stromlinien bei Volllastbetrieb.

Numerische Strömungssimulationen eines En-twurfs von Hexis haben gezeigt, dass dieVerkleinerung des Ringkanals auf Bauraum-Masse eine geringe Luft-Ungleichverteilung von2-5% nach sich zieht. Ebenfalls werden insta-tionäre Ablösungen erwartet, welche sich negativauf die Gesamtdruckverluste auswirken. Pragma-tisch betrachtet genügt die Lösung jedoch den An-forderungen. Für das Entwicklungsteam von Hexisbedeuten die Resultate zusätzliche Sicherheit zurordnungsgemässen Funktion des nächsten Ver-suchsaufbaus.


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2.6 Integration of High Temperature Electric Converter forElectricity Generation in a Solide Oxide Fuel System

In this project we develop high-temperature thermoelectric converters (TECs). Based onmathematical models the ICP simulates computationally the efficiency, power output andcurrent voltage characteristics of high-temperature thermoelectric converters (TECs) as afunction of their geometrical and physical design. This will allow us to derive guidelines forthe optimal design of high-temperature TEC modules for their implementation into a solidoxide fuel cell (SOFC).

Contributors: M. SchmidPartners: SSC-EMPA, LPCM-EPFL, ITP-ETHZ, CRISMAT-CNRS (F), Hexis AGFunding: Competence Center Energy and Mobility, Swiss Federal Office of EnergyDuration: 2012–2016

Solide oxide fuel cells (SOFCs) convert chemicalenergy stored in a fuel (hydrogen or natural gas) toelectricity. The combustion of the fuel in the SOFCleads 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 pro-duction. However, using thermoelectric converters(TECs) a part of the waste heat may be convertedto additional electricity, which is the most valuableform of energy. The goal of this project is to de-velop a thermoelectric converter for the implemen-tation into the SOFC system of Hexis AG.

The work task of the ICP in this research project isto develop simulation based strategies to optimizethe performance of the thermoelectric converter(TEC) modules and derives design guidelines fortheir later implementation into the HEXIS SOFCsystem. The thermoelectric module is mathemat-ically modeled by the equations for thermoelec-tricity on the individual thermoelectric semiconduc-tor legs (small-scale model). These equations arecoupled to the energy balance equations for theSOFC system (large-scale model). Solving thecoupled system of equations allows to simulate thecurrent-voltage characteristic (IV-curve), the elec-tric power and efficiency of the thermoelectric con-verter as a function of design and geometrical pa-rameters. The model is validated by comparingsimulations to measurements performed on ther-moelectric modules fabricated at EMPA. Small-scale simulations are done in two different ways:in the 1d model the thermoelectric equations aresolved along the length of the thermoelectric legstaking into account in particular the thermal andelectric contact resistances at the semiconduc-tor/metal contact interface. In the 2d model thethermoelectric equations are also solved along thelateral direction. Here, the focus is layed on in-

vestigating the influence of the geometrical designof the legs. Both models allow for calculating thetemperature and electric potential profiles insidethe thermoelectric converter. For temperature de-pendent Seebeck coefficient, electrical and ther-mal conductivity we are using measured data fromthe p- and n-type materials developed by EMPA(Ca3Co4O9 for the p-leg and Ca3Mn0.97W0.03O3

for the n-leg). The simulations of the 2-leg TEGs(1d or 2d) need temperature distributions (or cor-responding heat flux densities) at the hot and thecold side of the TEC as inputs.

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

These temperature distributions (or heat flux den-sities) will depend on the placement of the thermo-electric converter modules inside the SOFC. More-over, the heat flux extracted by the thermoelectricconverter modules leads to a back reaction on theSOFC heat and energy balance. In order to inves-tigate this feedback mechanism and to assess theideal placement of the TEC modules, the small-scale model is coupled to the energy and heat bal-ance analysis of the SOFC. For an initial evaluationwe study the placement of the TEC module on theexhaust heat exchanger.


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2.7 A new mathematical solution for the problem of channel-electrode gas flow in fuel cell applications

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

Contributors: Y. SafaPartners: Hexis SAFunding: Swisselectric Research, Swiss Federal Office of EnergyDuration: 2012–2014

Fuel cell is an efficient technology to convert,through environmentally friendly processes, thechemical energy of the natural gas fed by theembedded channels, into electricity generated bychemical exchanges at the electrodes. An op-timized concept of electrode materials and gaschannel geometry is important to reduce thepolarization losses associated with masses andcharges transport. Thus, the robustness of a fuelcell model is critical for its usefulness as a designtool.Progress in modelling of gas channel flow along aporous layer has been achieved. In some knownapproaches, the slip velocity on the surface ofporous layer is often estimated using empiricalJoseph-Beaver type condition. Otherwise, Navier-Stokes equation is numerically solved in the chan-nel and in the porous layer by introducing a pe-nalized velocity term. However, in case of thinelectrode layer (cf. Fig. 1), both approaches cansuffer from either inconsistent interface condition(Joseph-Beaver), or bad conditioning attributedto the mesh elements within the extremely thinporous layer.

Fig. 1: Channel flow over thin porous anode layer

In our new attempt, the compressible flow in thechannel and in the porous electrode was treatedseparately using mass and momentum conser-vation laws. The equations are formulated ina unified system where the slip velocity is notknown a priori, but follows from requiring con-tinuous shear stresses at the electrode surface.Moreover, the transverse mass fluxes at the elec-trode surface associated with electrochemical ex-

changes in the electrode, are accounted for in oursolution. This represents an advanced step withrespect to other approaches, e.g., in that appliedon aerostatic slider bearings (Djordjevic 2003) thetransverse mass fluxes were omitted leading toan inapplicable model in fuel cell case with highcurrent density. Results from our Mathematica-implementation are shown in Fig. 2 for given in-let velocity uinlet = 1 m/s, outlet pressure poutlet=0.1 MPa and the current density I. The transversevelocity (in y-direction) is magnified by a factor of500. Shown is the effect of dense mass producedin the thin anode on the pressure and the velocityfields in anode (y < 0) and in channel (y > 0).

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


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2.8 Reduzierung der Ohm’schen Verluste in neuer Generationvon Hexis Brennstoffzellen

Das Brennstoffzellenheizgerät Galileo der Hexis AG wandelt Erdgas kontinuierlich in elektri-sche Energie und Wärme um und deckt so den Bedarf eines Einfamilienhaushalts. Um denelektrischen Wirkungsgrad des Systems weiter zu erhöhen, konnten die Ohm’schen Verlus-te durch Optimierung der Strompfade im Brennstoffzellenstapel weiter verringert werden.

Students: L. Kaufmann

Category: MSE Swiss Master of Science in EngineeringMentoring: T. HockerHanded In: Juli 2013

Nach mehrjährigen, erfolgreichen Feldtests [1]wurde Hexis Galileo Ende 2013 in den Markt ein-geführt und ist nun erstmals für Privatkunden di-rekt erhältlich, siehe www.hexis.com. Parallel dazuläuft bereits die Entwicklung der nächsten Genera-tion des Brennstoffzellenheizgeräts. Bei der Ent-wicklung von Galileo stand dessen Zuverlässig-keit und eine Lebensdauer des Brennstoffzellen-stapels von mindestens 8 Jahren im Vordergrund.Um dem geringeren Wärmebedarf moderner Ein-familienhäuser Rechnung zu tragen, soll der elek-trische Wirkungsgrad von momentan ca. 35 % wei-ter erhöht werden. Da Hochtemperatur Festoxid-Brennstoffzellen vom Typ SOFC über theoretischeWirkungsgrade von über 60 % verfügen, ist dasPotential entsprechend gross. Deutliche Steige-rungen im Wirkungsgrad können durch eine ef-fizientere Brenngasreformierung erreicht werden.Weitere Steigerungen sind durch Weiterentwick-lung der Zellen und ihrem Verbund im SOFC-Stackmöglich.Im Rahmen der Masterarbeit von Lukas Kauf-mann wurde deshalb das Potential für eine Re-duzierung von Ohm’schen Verluste untersucht.Diese Verluste resultieren aus Reibungsverlus-ten beim Transport von elektrischen Ladungen.Sie hängen von den elektrischen Leitfähigkei-ten der verwendeten Materialien, der Länge derStrompfade im Stack sowie möglichen Kontakt-widerständen ab. Zunächst wurden verschiede-ne Modifikationen des Zellenverbunds in 5-ZellenTeststacks umgesetzt und mögliche änderun-gen der Stackverluste untersucht. Abb. 1 zeigtdie Strom-Spannungskennlinien eines solchen 5-Zellen Stackversuchs. Die Modifikationen wurdenan Zellen 1, 2, 4 und 5 durchgeführt, während Zel-le 3 unverändert blieb. Die Spannungsverläufe äh-neln sich bis auf das Verhalten bei hohen Strö-men. Betrachtet man hingegen unter Teillast dieentsprechenden, in Abb. 2 gezeigten Impedanz-

spektren der einzelnen Zellen, so lässt sich ei-ne deutliche Reduzierung der Ohm’schen Verlusteum ∆Rohm zwischen der Referenzzelle 3 und denmodifizierten Zellen 1, 2, 4 und 5 erkennen. Um zuklären, worin genau die Ursache für die Reduzie-rung der Ohm’schen Verluste lag, wurden SESESFE-Simulationen der elektrischen Strompfade imHexis-Stack durchgeführt, die in Abb. 3 dargestelltsind.

Abbildung 93: Post-Test REM Aufnahme des Seitenschliffs einer Standardzelle mit zusätzlicherunversinterter K2 aus dem Versuch 2.

600

700

800

900

1000

1100

0 50 100 150 200 250 300

Spa

nnun

g / m

V

Stromdichte / mA cm-2

Cell 1

Cell 2

Cell 3

Cell 4

Cell 5

Abbildung 94: VI-Kennlinie des 5er-Stack Versuchs 3 (HP130024).

94 Lukas Kaufmann

elektrischer Strom

elek

trisc

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pann

ung


600

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0 50 100 150 200 250 300

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Cell 1

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94 Lukas Kaufmann

elektr. Strom

elek

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Abb. 1: (U, I)-Kennlinien eines 5-Zellen Hexis-Stacks.

Kapitel 4. Kathodenkontakt

Zellen eine leicht verminderte, jedoch nicht aussergewöhnliche OCV auf (siehe Kapitel 2.7). Einegenauere Aufschlüsselung des ASR jeder Zelle wird mit der EIS-Messung erzielt.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

RRe ê W

RIm

êW

M23_HP130024 120 mA cm-2 231 h

stackcell 5cell 4cell 3cell 2cell 1

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M23_HP130024 120 mA cm-2 231 h

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Abbildung 95: EIS Spektrum des 5er-Stack Versuchs 3 (HP130024) bei einer Stromdichte von120 mAcm−2 nach 231 h Betriebszeit. Sowohl ASROhm als auch ASRTot sind ge-genüber der Referenzzelle deutlich reduziert.

Aus Abbildung 95 wird ersichtlich, dass alle vier Zellen mit zusätzlicher unversinterter K2 sehrnahe zusammenliegen, d. h. die Streuung zwischen den Zellen ist sehr gering. Die in der VI-Kurveschlechter abschneidende Zelle 4 erzielt in der EIS-Messung dieselben ASR-Werte wie die Zellen 1,2 und 5. Wie bei Versuch 1 weist die Referenzzelle einen deutlich höheren ASROhm sowie ASRTotauf. Gegenüber dem Versuch HP130016 fielen die ohm’schen ASR-Werte mit 185–190 m cm2

etwas besser aus. Allerdings weist auch die Referenzzelle des Versuches 3 mit 250–260 m cm2

eine tieferen Wert auf als die Referenzzelle des Versuches 1 mit 300 m cm2.

5er-Stack Versuch 4 (HP130027)

Um zu testen, ob die bislang erzielten niedrigen ASROhm Werte nur aufgrund der doppeltenSchichtdicke der Kathode zustande gekommen sind, wurde ein weiterer 5er-Stack Versuch aufge-baut.

Als Zellvariation wurden die Zellen mit unversinterter K2 verbaut. Die Zellen entsprechen denim Auslagerungsversuch 5 verwendeten Zellen, siehe Kapitel 4.4.1. Analog zu den vorangegangenVersuchen wurde der Versuch mit vier Variationszellen und einer Referenzzelle aufgebaut, wie inAbbildung 96 dargestellt ist.

Wiederum zeigt die Referenzzelle im Gegensatz zu den Variationszellen kein Abknicken undscheint etwas steiler zu verlaufen.

Die EIS-Messung des Versuches 4 zeigt analog zu den Versuchen 1–3 eine deutliche Reduktiondes 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,jedoch 20–40 m cm2 höher als bei den Zellen mit doppelter Kathodendicke aus den Versu-chen 1–3. Dies kann auf eine verbesserte Querleitfähigkeit aufgrund der grösseren Schichtdickeder Kathode zurückgeführt werden.

4.5.4 Leitfähigkeitsmessungen

Nach der Auswertung der 5er-Stack Versuche mit den niedrigen ASROhm-Werten der Zellen mitunversinterter K2 wurde nach Erklärungen für diesen Effekt gesucht. Wie auf Seite 84 beschriebengibt es vier Faktoren, die den ASROhm hauptsächlich beeinflussen: Leitfähigkeit, Schichtdicke,Temperatur und Kontaktierung. Um zu evaluieren, ob die Verringerung des ASROhm aufgrund

Lukas Kaufmann 95

Re(Z)

Im(Z)

Rohm

Abb. 2: Impedanzmessdaten eines 5-Zellen Hexis-Stacks.

Kapitel 4. Kathodenkontakt

Tabelle 4.5: Validierung des Kathodenkontaktmodelles anhand von Fall 1

Schicht ASR1D ASRFE

K1 1.50×100 m cm2 1.50×100 m cm2

K2 Standard 6.25×10−2 m cm2 6.25×10−2 m cm2

Elektrolyt 1.60×102 m cm2 1.60×102 m cm2

Nickelnetz 2.10×10−5 m cm2 3.91×10−3 m cm2

MIC Anode 8.05×10−3 m cm2 2.95×10−2 m cm2

MIC Kathode 8.05×10−3 m cm2 2.12×10−2 m cm2

Cr2O3 Anode 4.00×100 m cm2 4.00×100 m cm2

Cr2O3 Kathode 4.00×100 m cm2 4.01×100 m cm2

LSM-Schutzschicht 5.71×10−2 m cm2 4.92×100 m cm2

Kontaktpaste 1.00×10−1 m cm2 1.00×10−1 m cm2

Zur Modellvalidierung wurde der Fall «Standardzelle, mit Kontaktpaste verbaut»(Fall 1) si-muliert. Wie im Kapitel 4.6.3 beschrieben wurden Postprocessing Randbedingungen an denGrenzflächen zwischen den Materialien eingeführt. Dadurch konnte für jede einzelne Schicht derSpannungsabfall bestimmt werden. Über Gleichung 4.22 kann nun für jede Schicht der ASROhmberechnet und mit den 1D-Werten verglichen werden.

Für die meisten Schichten stimmen die simulierten Werte mit denjenigen aus der 1D-Hand-rechnung überein. Lediglich bei MIC, Ni-Mesh und LSM-Schutzschicht weichen die Werte ab.Dieser Effekt kann einfach erklärt werden. Bei den schlechter leitenden Materialien fliesst derStrom auf kürzestem Weg durch die Schicht. Bei den besser leitenden Materialien fliesst derStrom auch parallel zu den Grenzflächen, was den effektiven Strompfad im Verhältnis zum di-rekten Weg deutlich erhöht. Dieser 2D-Effekt führt zur Differenz zwischen den Werten aus der1D-Handrechnung und den Simulationswerten.

Abbildung 107: Strompfade in einem Ausschnitt des Kathodenkontaktmodells. Je heller dieStrompfade desto höher ist die lokale Stromdichte. Durch die schlecht-leitendenSchichten verlaufen die Strompfade auf kürzestem Weg

In Abbildung 107 ist ein Ausschnitt des Kathodenkontaktmodells mit Strompfaden dargestellt.

Lukas Kaufmann 107

Abb. 3: Ausschnitt SESES FE-Modell des Hexis-Stacks mitsimulierten Strompfaden.

Literature:[1] A. Mai et al., Hexis SOFC System Galileo 1000 N– Lab and Field Test Experiences, ECS Transactions,57, pp. 73–80, 2013.


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2.9 Modellbasierte Analyse von Impedanzspektren

Um die Fortschritte in der Entwicklung von Brennstoffzellen zu quantifizieren werden Ana-lysemethoden, wie die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) eingesetzt. Das ICPbenutzt dazu elektrische Ersatzschaltbilder um eine grosse Anzahl solcher Spektren au-tomatisch auszuwerten und um die Degradation innerhalb des Brennstoffzellenstapels zubeschreiben.

Students: M. Dold

Category: MSEMentoring: T. Hocker, M. LinderHanded In: 31. Oktober 2013

Um die Entwicklung und Verbesserung von Brenn-stoffzellen voranzutreiben ist es essentiell, ge-eignete Hilfsmittel zur Quantifizierung der Ver-lustleistung und Degradation zu haben. Die EISist eine Möglichkeit eine Zelle mit all ihrer elek-trischen und elektrochemischen Peripherie zucharakterisieren [1]. Ziel dieser Arbeit war es,die gemessenen Impedanzspektren im Hexis-Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel einerseitsaufzubereiten und andererseits anhand geeigne-ter Modelle zu quantifizieren. Für die EIS-Messungwird an den Brennstoffzellenstapel eine elektri-sche Last angelegt und mit einem Wechselstrommit einer definierter Amplitude überlagert. Dabeiwird die Spannungsantwort gemessen. Aus die-ser und der von der Anregungsfrequenz abhängi-gen Phasenverschiebung kann somit die komple-xe Impedanz berechnet werden. Ein Beispiel einesImpedanzspektrums ist in Abb. 1 dargestellt. Diefarbigen Halbkreise illustrieren dabei die einzel-nen Zellwiderstände basierend auf dem von unsgewählten Ersatzschaltbild. Aus den Schnittpunk-ten mit der Abszissenachse können graphisch dieohmschen beziehungsweise die Aktivierungspola-risationsanteile der Zellimpedanz abgelesen wer-den.

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Abb. 1: Gemessenes Impedanzspektrum einer HexisFestoxid-Brennstoffzelle innerhalb eines Stapels. Die farbi-gen Halbkreise illustrieren die einzelnen Prozesse aus demgewählten elektrischen Ersatzschaltbild.

Für die Aufbereitung und Analyse der Messda-

ten konnte anhand eines Ersatzschaltbild-Modells(vgl. Abb. 2) ein Fit-Algorithmus entwickelt werden,der es erlaubt, die ohmschen- sowie die Polarisati-onsanteile der Zellimpedanz zu bestimmen. Elek-trische Ersatzschaltbilder eignen sich dazu beson-ders gut, da sich die elektrochemischen Zellpro-zesse in der makroskopischen Ortskurvendarstel-lung (vgl. Abb. 1) analog zu einer Kombination ausWiderständen und Kapazitäten verhalten.

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R2

Q2

R3 R4

Q3 Q4

ASROhm ASRPol1 ASRPol2 ASRGas

Abb. 2: Elektrisches Ersatzschaltbild für eine Festoxid-Brennstoffzelle.

Das entwickelte Programm wurde dabei so konzi-piert, dass es die Messdaten einlesen und aufbe-reiten kann und optional über das Fitten an dasErsatzschaltbild die Zellverluste quantifiziert wer-den können. Abschliessend wurde das Modell mitdem Zahner-Softwarepaket THALES [2] validiert.Dieses nutzt ebenfalls ein Ersatzschaltbild-Fittingfür die Quantifizierung der ohmschen beziehungs-weise Polarisationswiderstände. Mit dem modell-basierten Analyseprogramm kann die Auswertungder Impedanzspektren nun weitgehend automati-siert durchgeführt werden. Damit lassen sich auchgrössere Datenmengen analysieren und entspre-chend auch zeitabhängige Degradationsverläufedarstellen.

Literatur:[1] E. Barsoukov et al., Wiley, 2005.[2] http://www.zahner.de/thales.html.


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3 Solar cells and Organic Electronics

Organic polymers are used in electronics due to their insulating, semiconducting or metallic pro-perties and today they are found in many commercial products such as displays and light sourcesbased 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 istheir thin construction, their large viewing angle and high achievable efficiencies. OLEDs consistin a sequence of several thin layers placed in-between two metallic electrodes whereas in modernOLEDs one can find up to ten or more functional layers. The rapidly increasing commercializationof OLEDs has pushed the organic photovoltaics research as well. Here the strong absorptivity ofOPV materials allows layer thicknesses up to three orders of magnitude lower than for inorganicsolar 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 opti-mizing the layer structure in terms of electrical and optical performances. SETFOS is a softwareoriginally developed at the ICP for the simulation of OLEDs and organic solar cells and is com-mercialized by the ICP spinoff company Fluxim AG, whereas the other software PECSIM servesprimarily for the simulation of dye solar cells. The further development of both SETFOS and PEC-SIM packages takes place as part of CTI, SNF, EU and BfE research projects and by direct fundingwith industry partners from Switzerland and other European countries.


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3.1 Simulation of light out-coupling enhancement of OLEDsusing scalar-scattering

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

Contributors: K. Lapagna, T. Lanz, R. Knaack, C. Kirsch, B. RuhstallerPartners: Fluxim Inc.Funding: EU-FP7 (IM3OLED project), Fluxim Inc.Duration: 2013

Traditional OLEDs, with flat interfaces betweentheir various layers, tend to lose a lot of their po-tential out-coupled light-intensity due to waveguid-ing or reabsorption. This happens mainly due toa phenomenon known as ’total internal reflection’.When light over a certain angle (the so called ’crit-ical angle’) hits an interface to a layer with a lowerrefractive-index (e.g. from glass to air), it will be re-flected completely. When this phenomenon takesplace inside an OLED, it means that all the lightover the critical angle will be mirrored back into thedevice itself instead of leaving it. The reflected lightwill eventually be reabsorbed or waveguided in theOLED and therefore ends up trapped in the deviceinstead of lightening up its surrounding.

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

To solve this problem we are searching for waysto refract the light inside the OLED in a way that itwill be bent to an angle that lies below the criticalangle. This allows the light to pass the various in-terfaces without getting waveguided in the deviceand 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 layerhas some kind of nano-grating or nano-particles in-

side it which will refract the light to various angles.Even if light is scattered to a disadvantageous an-gle and gets reflected for this reason, it will hit thescatter layer again shortly after and will eventuallybe refracted into the ’escape cone’ allowing it toleave the device.

Fig. 2: Integrated normalized emission spectrum in the fullhalf space of a white OLED with a scattering structure. Be-sides the strong impact on absolute light outcoupling en-hancement, the amount of scattering (i.e. haze) also influ-ences the emission spectrum of the OLED [1].

Traditionally the effect of such scatter-layers aresimulated using Monte-Carlo simulation methodsbased on sequential ray-tracing in 3D. The draw-back of this approach is the huge amount of com-puting power needed to get accurate results. Usu-ally it also requires researchers to use differenttools to simulate an OLED: one to simulate thelight propagation (including scattering) and one tosimulate the light emission from the active part ofthe device. Because of this, optimization of de-vice properties can be a cumbersome and time-consuming task. This is why we developed a muchfaster 1D model to simulate the geometrical op-tics of an OLED and especially the behavior of ar-bitrary scatter-layers inside such a device. This’scalar-scattering’ modeling approach was devel-


http://www.flickr.com/photos/23629083@N03/

http://creativecommons.org/licenses/by-nd/2.0/

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oped in collaboration with Fluxim, a strong part-ner and spin-off company of ICP. Fluxim is also thecompany behind SETFOS, which is a powerful op-toelectronic simulation software for thin-film-basedtechnologies.To get our new model to work, we implementedit in SETFOS. For this we adapted the nano-optical part of SETFOS, which simulates the dipoleemission, to be combined with our new scalar-scattering model, which then handles scatteringand the geometric-optical properties of the device.The implementation into SETFOS allowed us touse the new model in combination with the vastamount of OLED related features that SETFOS al-ready offers. We successfully benchmarked ournew model against different other approaches (in-cluding ray-tracing) and found that we were ableto get equivalent results using just a fraction ofthe time. We were able to show, that scatter-layers, which offer virtually Lambertian scatter-characteristics, can lead to an increase in the

light out-coupling by a factor of over 1.9. An-other interesting finding was, that scatter-layersmay help to reduce the angle-dependency of theout-coupled wavelengths. Which means, that suchan OLED will always shine of the same color, nomatter from which angle the device is looked at [1].This formerly experimental feature of SETFOSis now getting polished to be ready for the useby researchers outside the ICP or Fluxim. Anew SETFOS version, which includes this scalar-scattering model for OLEDs, will be released tothe public in 2014. As a next step, we are work-ing on ways to directly import measured scatter-properties of arbitrary scatter-layers. This will al-low us to assess the benefit of a particular scatter-layer inside a full OLED and will hopefully lead to arapid feedback loop between manufactures of suchlayers and researchers using SETFOS.

Literature:[1] S. Altazin et al., SID, 2014.


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3.2 Ladungstransport in organischen Solarzellen

Das Verständnis der physikalischen Prozesse in organischen Solarzellen ist für deren Wei-terentwicklung fundamental. Im Rahmen eines SNF-Projekts untersuchte das ICP deshalbgemeinsam mit der EMPA Dübendorf die Auswirkungen von verschiedenen Lösungsmittelnauf den Ladungstransport in diesen Zellen. Ein weiterer Partner in diesem Projekt ist dasZHAW-Institut für Chemie und Biochemie in Wädenswil.

Contributors: S. Jenatsch, C. Kirsch, B. RuhstallerPartners: EMPA Dübendorf, ZHAW-ICBC Wädenswil, Fluxim AGFunding: SNFDuration: 2013–2015

Die Synthese von Materialen und deren Anwen-dung bei Solarzellen ist ein zentrales Forschungs-thema der Gruppe Funktionspolymere an derEMPA. Diese Solarzellen bestehen typischerweiseaus zwei aktiven Schichten bestehend ausElektronakzeptor bzw. –donor, die beide je-weils zwischen 10 und 100 nm dick sind.Aufgrund der guten Löslichkeit von kleinenMolekülen in verschiedensten Lösungsmitteln istdas Aufschleudern eine weit verbreitete Technik,um die photoaktiven Schichten aufzutragen. Infrüheren Arbeiten stellte sich heraus, dass dasgewählte Lösungsmittel einen bedeutenden Ein-fluss auf die Effizienz der fertigen Solarzellenhat [1]. Mithilfe einer Kombination von ver-schiedenen Messtechniken untersuchten wir denGrund für diesen Effekt anhand eines Vergleichszweier distinkter Lösungsmittel. Zur vielseitigenCharakterisierung von organischen Solarzellenentwickelte die ICP-Spin-Off-Firma Fluxim AGdas Paios-Messsystem, welches im O-LAB desICP zur Verfügung steht. Mithilfe dieses Sys-tems können Gleichgewichtsmessungen wie dieStrom-Spannungs-Kennlinie sowie komplizierterezeitaufgelöste Messungen wie das CELIV (chargeextraction by linearly increasing voltage) innerhalbvon kurzer Zeit hintereinander aufgezeichnet wer-den. Dies erlaubt ein breiteres und zuverlässigeresVerständnis der physikalischen Prozesse in denuntersuchten Systemen [2]. Durch die Zusam-menarbeit von Chemikern, Physikern und Inge-nieuren am ICP, bei Fluxim und an der EMPA kon-nten wir blockierte Ladungen an der Elektroden-Zwischenfläche als Ursache für die lösungsmitte-labhängigen Kennlinien identifizieren. Diese block-ierten Ladungen, welche für die schlechtere Ef-fizienz verantwortlich sind, kommen durch eine

Ansammlung des Lösungsmittels an dieser Zwis-chenfläche zustande. Mithilfe einer Solarzellen-simulation, die in SETFOS (Seite 25) imple-mentiert wurde, konnten wir zeigen, dass dieEinführung einer solchen Lösungsmittelbarrierezu einer schlechteren Kennlinie führt. Die bei-den simulierten Kennlinien – mit und ohne Bar-riere – sind in Fig. 1 zusammen mit experi-mentell gemessenen Strom-Spannungs-Kurvendargestellt.

Fig. 1: Simulierte Strom-Spannungs-Kennlinien mit (blaugestrichelt) und ohne (rot gepunktet) Lösungsmittelbarrieresowie gemessene Kurven von Solarzellen mit verschiede-nen Lösungsmitteln.

Die gute Übereinstimmung zwischen Simulationund Experiment stützt die Schlussfolgerung derblockierten Ladungen, die wir als Ursache für denLösungsmitteleffekt in unseren Solarzellen identi-fiziert haben [3].

Literatur:[1] G. Wicht et al., Solar Energy Materials and SolarCells, 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 ChemistryC, eingereicht.


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3.3 Durability of High-Efficiency Thin-Film Solar Cells

Chemical and physical degradation processes limit the lifetimes of inexpensive thin-film so-lar cells. We employ advanced device characterization and architectures to develop strate-gies for improving performance stability.

Contributors: T. Lanz, S. Züfle, M. Schmid, J. Schumacher, B. RuhstallerPartners: PVLAB-EPFL, LPI-EPFL, FP-EMPA, TF-EMPA, SUPSI, CSEM, BASF, Flisom,

TEL Solar, Amcor, Solaronix, FluximFunding: Swiss Electric Research, Swiss Competence Center for Energy and MobilityDuration: 2011–2014

One strategy to improve device architectures is op-timizing the substrate morphology of transparentelectrodes used in thin-film solar cells. To this end,we have extended our optical model for thin-filmsolar cells to allow including bidirectional scatter-ing distribution functions (BSDF). BSDFs may ei-ther be measured or computed using Fourier op-tics based on measured surface topographies us-ing AFM. We have experimentally validated thisapproach for the computation of the spectral re-sponse of microcrystalline silicon solar cells de-posited on transparent zinc oxide electrodes withdifferent textures, as shown in Fig. 1.

Fig. 1: Measured and computed angular scattering dis-tribution function for light transmission through a micro-structured as-grown zinc oxide electrode.

The numerical model is computationally efficientand considers the actual texture of the rough in-terfaces present in the solar cell as measured byAFM. We consider azimuth-integrated scatteringdistributions and thus project the 3D scatteringcone onto a plane. We can account for surfacescans of 10 × 10 µm2, which is in general beyondthe limit of rigorous Maxwell solvers. In contrastto earlier reported methods we do not use heuris-

tic intensity distributions for secondary scatteringevents but compute the BSDFs for all internal inci-dence angles.In collaboration with EPFL PV-LAB we have de-veloped and experimentally validated a numericalmodel of the charge and heat transport in mono-lithically interconnected thin-film solar cells. Themodel is based on the finite element method anduses a computationally efficient 2+1D representa-tion of the simulation volume. We experimentallydemonstrated the validity of the model using lock-in thermography measurements of amorphous si-licon mini solar modules with artificially introducedshunts [1].

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

The model has been applied to study the impact ofwater-ingress in encapsulated thin-film solar mod-ules, see Fig. 2. Together with PV-LAB we con-sider applying lock-in thermography to quantify thedegradation due to water-ingress.

Literature:[1]: T. Lanz et al., IEEE JSTQE, 19, pp. 1-8, 2013.


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3.4 Nanostructured layers for enhanced light emissionfrom white organic light-emitting diodes

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

Contributors: C. Kirsch, R. Knaack, K. Lapagna, B. RuhstallerPartners: 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)

Funding: EU-FP7 (IM3OLED project)Duration: 2011–2014

When light propagates through an OLED stack to-tal internal reflection may occur at the interfaces.For incidence angles beyond the critical angle athin layer acts like a waveguide which transportslight in the lateral rather than in the vertical direc-tion. This light cannot be emitted and thus not con-tribute to the luminous efficacy of the device.The amount of total internal reflection can be re-duced by using nanostructured layers in the OLEDstack. The propagation of light will be influencedif the nanostructure feature size is similar to thewavelength. We have found that periodic nanos-tructures lead to dispersive reflection and trans-mission properties and are thus not suitable forwhite OLEDs, because the color of the emittedlight would depend on the viewing angle. Non-dispersiveness is achieved by non-periodic struc-tures, which involve a certain amount of random-ness. An example of such a structure is a disor-dered grating (Fig. 1).

Fig. 1: Illustration of the statistical geometric properties ofa disordered grating structure. It consists of ridges with400 nm height and 500 nm width. The size of the gap d be-tween the ridges is random and drawn from a normal distri-bution. The histogram shows the distribution of L := 500+d[nm] for 10 000 realizations of d. The refractive indices of thematerials involved are 1.9 and 1.5, respectively.

At the ICP, we have developed a computationaltool for the prediction of statistical reflection andtransmission properties from given statistical geo-metric properties. The results of an example cal-culation are shown in Fig. 2.

Fig. 2: Illustration of the computed statistical optical prop-erties of a disordered grating structure. For the probabilitydistribution of the transmittance from the high-index mate-rial into the low-index material, we show the values µ ± 2σvs. the incidence angle [deg] for three different wavelengthsλ, where µ denotes the empirical mean and where σ de-notes the empirical standard deviation.

Our results for the statistical optical propertiesshall be imported into the OLED and solar cell sim-ulation software Setfos by Fluxim AG, such thatemission calculations for a full OLED stack withnanostructured layers can be performed.

Literature:A. David: Surface-Roughened Light-Emitting Diodes:An Accurate Model. J. Disp. Technol., 9, 5, pp. 301-316, 2013.T. Buss, J. Teisseire, S. Mazoyer, C. L. C. Smith,M. B. Mikkelsen, A. Kristensen, E. Søndergård, Con-trolled angular redirection of light via nanoimprinteddisordered gratings, Appl. Opt., 52, 4, pp. 709-716,2013.


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3.5 OLED Herstellung im Unterricht

Am ICP können nun im hauseigenen Labor Organische Leuchtdioden (OLEDs) hergestelltwerden. Diese OLEDs dienen zur Verifizierung und Verbesserung von Softwaremodellenzur 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. ZüflePartners: Fluxim AGFunding: interne FinanzierungDuration:

In einer OLED gibt es eine Reihe von Verlustmech-anismen welche die Lichtausbeute verringern. Einwesentlicher Mechanismus ist die Lichtauskop-plung: In einer OLED wird Licht in einer Schicht mithohem Brechungsindex erzeugt und in alle Rich-tungen ausgestrahlt. Beim Übertritt des Lichtesvom Glas-Substrat - das als Träger für die OLEDsfungiert - wird ein Teil des flach abgestrahltenLichtes durch Totalreflexion an der Glasoberflächereflektiert und bleibt dadurch im Glas gefangen.Es trägt so nicht zur Lichterzeugung bei. Weltweitwerden nun Lösungen gesucht um diese Lich-tauskopplung zu verbessern und die gleichzeitigkostengünstig sind.Spezielle Schichten, z.B. mit Streupartikel, streuendas auftreffende Licht in alle Richtungen undverringern dadurch den Teil des totalreflektiertenLichtes, es wird also mehr Licht abgestrahltund somit die Lichtausbeute verbessert. Mit nu-merischen Modellen kann die Auswirkung solcher

Streuschichten auf die Lichtausbeute berechnetwerden. Die Herstellung eigener OLEDs, sowieexakte opto-elektronische Messungen die eben-falls im hauseigenen Labor durchgeführt werdenkönnen, helfen einerseits diese Modelle zu veri-fizieren, und andererseits auch die Detailliertheitder Modelle zu verbessern. Die Möglichkeit derHerstellung eigener OLEDs bildet zusammen mitder fortschrittlichen Charakterisierung eine solideBasis für weitere Projekte mit Industriepartnern.

Das Labor zur Herstellung von OLEDs wird nichtnur in Forschungsprojekten verwendet sondernauch im Unterricht. Dieses Jahr konnte zum er-sten Mal eine Lehrveranstaltung1 angeboten wer-den, in der die Studierenden eigenhändig OLEDsherstellen und ausmessen konnten (siehe Bild).Es wurden auch bereits zwei Vertiefungsarbeitenim Rahmen des MSE Master Studienganges andiesen Anlagen absolviert.

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

1Wahlmodul „Organische Elektronik und Photovoltaik (OEPHO)“


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3.6 Advanced modeling of charge carrier transport in disor-dered organic semiconductors

A microscopic model of charge carrier transport in disordered organic semiconductors isdeveloped. The model is applicable to transient and AC simulation of unipolar hoppingconduction with arbitrary energetic density of localized states.

Contributors: M. Szymanski, C. Kirsch, E. Knapp, B. RuhstallerPartners: 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)

Funding: EU-FP7 (IM3OLED project)Duration: 2011–2014

Disordered organic semiconductors are basicbuilding blocks for Organic Light Emitting Diodes(OLEDs). Their electrical properties depend crit-ically on the energetic density of states (DOS).Modeling of the effects of DOS on transport prop-erties is difficult with the widely used drift-diffusionapproach. In order to overcome that problem, wehave developed a simulation method beyond thewidely used drift-diffusion approximation. Chargecarrier transport is described by considering hop-ping of charge carriers on a 3D grid. For eachgrid site, a balance equation for charge carriers isdefined. The rate equations are solved self con-sistently with the electrostatic Poisson equation.This type of model allows the simulation of arbi-trary density of states without distinguishing be-tween trap and transport sites, which is the prin-cipal advantage over the drift-diffusion method.Moreover, this simulation approach is also moreefficient than Kinetic Monte Carlo, while it is knownthat the same results are obtained for wide rangeof practical problems. Particularly, the method issuitable for calculating unipolar stationary, tran-sient and small signal AC responses of organic lay-ers. These are fundamental measurements usedfor material characterization, from which materialparameters for device modeling are extracted.For example, in Fig. 1, the effects of contact bar-rier on capacitance-voltage responses are pre-sented. In Fig. 2, a comparison between mobilitiesextracted from simulated time-of-flight and tran-sient space-charge-limited current measurementsis shown. Only points for which successful tran-sient measurement is predicted are plotted. Thesimulation shows that the often reported discrep-ancies in mobility values between ToF and SCLexperiments do not need to be attributed to thesample morphology.

Fig. 1: Sample results of microscopic simulation ofcapacitance-voltage responses of 100nm thick samples withGaussian DOS (150 meV), calculated for different barriervalues (see legend).

100 200 300 400 500F [kV/cm]

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

µ/µ

0

σ=0.075eV

σ=0.1eV

σ=0.125eV

σ=0.15eV

Time of flight∆=0.00V

∆=0.20V

∆=0.35V

∆=0.50V

∆=0.60V

Fig. 2: Comparison between mobilities obtained in time-of-flight (ToF) and in transient space-charge-limited (SCL) cur-rent transient experiments. It is assumed that the materialssimulated have identical attempt-to-hop frequency and dif-fer only by the Gaussian disorder magnitude, from 75meVto 150meV (shown in different colors). ∆ is the contact bar-rier in SCL experiments, in eV. Sample thickness is assumed100 nm for SCL and 1000 µm for ToF.

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


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3.7 All-in-one Messplattform für OLED und SolarzellenForschung

Die ICP Spin-off Firma Fluxim lancierte im Jahre 2013 die all-in-one MessplattformPAIOS, welche über eine intuitive, computergesteuerte Bedienung eine Vielzahl von opto-elektrischen Messtechniken an Solarzellen und OLEDs erlaubt. Im Rahmen eines vonFluxim finanzierten Projektauftrags unterstützt das ICP die Weiterentwicklung der Mess-plattform und Software.

Contributors: S. Züfle, K. Pernstich, B. RuhstallerPartners: Fluxim AGFunding: Fluxim AG, SwissPhotonics NetworkDuration: 2013–2014

Die Erforschung und Optimierung von opto-elektronischen Bauelementen auf Basis vonorganischen Halbleitermaterialien ist eineaufwändige Aufgabe für Kunden der ICP Spin-offFirma Fluxim AG. Während das SoftwareproduktSETFOS für die Simulation von optischen undelektronischen Prozessen in organischen Leucht-dioden (OLEDs) und Solarzellen erfolgreich iminternationalen Wachstumsmarkt eingesetzt wird,so bleibt oft die Herausforderung, dass Materi-alparameter als Eingabewerte für die Simulationschwierig zu ermitteln sind und auch das Sim-ulationsresultat nur schwierig zu verifizieren ist.Hier setzt die Messhardware PAIOS an, indem siemehrere statische und dynamische Messmetho-den vereint und reichhaltige Auswertemethodenfür die Messdaten bietet. Nur eine konsistenteund systematische Messung der statischen unddynamischen Prozesse in den OLEDs und So-larzellen erlaubt es, die detaillierte Funktionsweise

und die Effizienz limitierenden Prozesse zu ermit-teln. Zudem werden auch Alterungsmechanismeneinfacher erkannt.

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

In dieser Zusammenarbeit mit Fluxim wurdedie Messsoftware verfeinert und technische Er-weiterungen der Messplattform vorgenommen.Insbesondere wurden Ansätze zur gezielten Weit-erentwicklung konzipiert und ein KTI Antrag für einForschungsprojekt erarbeitet, welches im Folge-jahr 2014 starten kann.


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Appendix

A.1 Student Projects

B. SCHMID, D. ZOLLIKER, Entwicklung einer Messeinheit zur Hautkrebs-Analyse mit aktiver Ther-mographie, Betreuer: M. Bonmarin, N. Reinke, 2013, Bachelor Thesis Systemtechnik, Bachelor ofScience.

M. BOLDRINI, S. ZANGERL, Modellierung hochfrequenter Nanodosierung von Fluessigkeiten, Be-treuer: G. Boiger, Firmenpartner: Novartis AG, Winterthur, 2013, Projektarbeit Maschinentechnik,Bachelor of Science.

L. BRENNER, T. HUNKELER, Modellierung und experimentelle Charakterisierung der Erstarrungvon Schokolade in industriellen Kühlkanälen, Betreuer: T. Hocker, P. Fahrni, Firmenpartner:M. Suter, Max Felchlin AG, Schwyz, 2013, Bachelorarbeit Maschinentechnik, Bachelor of Science.

M. BRUMM, Aufbau eines winkelabhängigen Intensitäts-Messplatzes in Reflexion und Transmis-sion, Betreuer: K.P. Pernstich, B. Ruhstaller, Vertiefungsarbeit MSE.

M. DOLD, Modellbasierte Analyse von Impedanzspektren, Betreuer: T. Hocker, M. Linder, Ver-tiefungsarbeit MSE.

D. GÜRTLER, Untersuchung der Cr2O3-Leitfähigkeiten; FE-Modellierung des elektrischen Span-nungsabfalls an metallischen Interkonnektoren basierend auf REM-Bilddaten, Betreuer: T. Hocker,M. Linder, Firmenpartner: Hexis AG, Winterthur, 2013, Bachelorarbeit Maschinentechnik, Bache-lor of Science.

A. HORWEGE, Konstruktion eines Tieftemperatur-Messplatzes, Betreuer: K.P. Pernstich, B. Ruh-staller, Vertiefungsarbeit MSE.

L. KAUFMANN, Thermo-mechanisches Verhalten von Brennstoffzellen, Betreuer: T. Hocker,Vertiefungsarbeit MSE.

L. KAUFMANN, Analyse der Auswirkungen von des Versagens von Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) sowie Verringerung der Ohm’schen Verluste in SOFC-Stacks, Betreuer:T. Hocker, Masterarbeit MSE.

P. LENARCZYK, Numerical study of interface phenomena in organic optoelectronic devices,Betreuer: C. Kirsch, E. Knapp, B. Ruhstaller, internship.

T. OTT, C. RITSCHARD, Entwicklung und Konstruktion eines experimentellen Holzvergasers,Betreuer: G. Boiger, Ch. Meier, A. Fassbind, Firmenpartner: Berchtold AG, Winterthur, 2013,Projektarbeit Maschinentechnik, Bachelor of Science.

A. SIBILIA, OLED Herstellung und Verkapselung, Betreuer: K.P. Pernstich, B. Ruhstaller, Ver-tiefungsarbeit MSE.


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M. SUTER, Modeling the Shukoff cooling apparatus for thermal analysis of cocoa butter, Betreuer:T. Hocker, Vertiefungsarbeit MSE.

M. SUTER, Principles of thermal analysis by differential scanning calorimetry (DSC), Betreuer:T. Hocker, Vertiefungsarbeit MSE.

A.2 Scientific Publications

E. BERNER, T. JAGER, T. LANZ, F. NUESCH, J.-N. TISSERANT, G. WICHT, H. ZHANG, ANDR. HANY, Influence of crystalline titanium oxide layer smoothness on the performance of invertedorganic bilayer solar cells, Applied Physics Letters, 102, 18, 183903, 2013.

J. BISQUERT, P. CENDULA, L. BERTOLUZZI, S. GIMENEZ, Energy Diagram of Semiconduc-tor/Electrolyte Junctions , J. Phys. Chem. Lett., 5, pp. 205-207, 2013.

G. GAISELMANN, M. NEUMANN, L. HOLZER, T. HOCKER, M. PRESTAT, V. SCHMIDT, Stochastic3D modeling of La0.6Sr0.4CoO3-delta cathodes based on structural segmentation of FIB-SEMimages, Computational Materials Science, 67, pp. 48-62, 2013.

S. M. H. HOSSEINI, A. KHARAGHANI, C. KIRSCH, U. GABBERT, Numerical simulation of Lambwave propagation in metallic foam sandwich structures: a parametric study, Compos. Struct., 97,pp. 387-400, 2013.

L. HOLZER, B. IWANSCHITZ, T. HOCKER, L. KELLER, G. SARTORIS, P. GASSER, B. MUENCH,Redox cycling of Ni-YSZ anodes for Solid Oxide Fuel Cells: Influence of tortuosity, constrictionand percolation factors on the effective transport properties, Journal of Power Sources, 242,pp. 179-194, 2013.

L. HOLZER, D. WIEDENMANN, B. MUENCH, L. KELLER, M. PRESTAT, P. GASSER, I. ROBERTSON,B. GROBÉTY, The influence of constrictivity on the effective transport properties of porous layersinelectrolysis and fuel cells, Journal of Materials Science, 48, 7, pp. 2934-2952, 2013.

L. KELLER, L. HOLZER, P. SCHUETZ, P. GASSER, Pore space relevant for gas permeabilityin Opalinus clay: Statistical analysis of homogeneity, percolation, and representative volumeelement, Journal of Geophysical Research B: Solid Earth, 118, 6, pp. 2799-2812, 2013.

L. KELLER, P. SCHUETZ, R. ERNI, M.D. ROSSELL, F. LUCAS, P. GASSER, L. HOLZER, Charac-terization of multi-scale microstructural features in Opalinus Clay, Microporous and MesoporousMaterials, 170, pp. 83-94, 2013.

A. KHARAGHANI, C. KIRSCH, T. METZGER, E. TSOTSAS, Micro-Scale Fluid Model for Drying ofHighly Porous Particle Aggregates, Comput. Chem. Eng., 52, pp. 46-54, 2013.

T. LANZ, M. BONMARIN, M. STUCKELBERGER, C. SCHLUMPF, C. BALLIF, AND B. RUHSTALLER,Electro-thermal finite element modeling for defect characterization in thin-film silicon solar mod-ules, IEEE Journal Of Selected Topics In Quantum Electronics, 19, 5, pp. 1-8, 2013.

M. LINDER, T. HOCKER, L. HOLZER, A. K. FRIEDRICH, B. IWANSCHITZ, A. MAI, J. A. SCHULER,Cr2O3 scale growth rates on metallic interconnectors derived from 40,000 h solid oxide fuel cellstack operation, J. Power Sources, 243, pp. 508-518, 2013.

Y. LIU, A. TIPPETS, C. KIRSCH, S. MITRAN, E. T. SAMULSKI, R. LOPEZ, Balance between lighttrapping and charge carrier collection: Electro-photonic optimization of organic photovoltaics withridge-patterned back electrodes, J. Appl. Phys., 113, 24, 244503, 2013.


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B. LUSZCZYNSKA, M. SZYMANSKI, J.M. VERILHAC, P. REISS, D. DJURADO, Improved externalquantum efficiency of solution-processed P3HT:60PCBM photodetectors by the addition ofCu–In–Se nanocrystals., Org. Electron. 14, 12, pp. 3206-3212, 2013.

J.O. SCHUMACHER, J. ELLER, G. SARTORIS, B. SEYFANG , T. COLINART, A 2+1D model ofa proton exchange membrane fuel cell with glassy-carbon micro-structures, Mathematical andComputer Modelling of Dynamical Systems, pp. 1-23, 2012.

M. SZYMANSKI; B. LUSZCZYNSKA; D. DJURADO, Modeling the Transient Space-Charge-LimitedCurrent Response of Organic Semiconductor Diodes Using the Master Equation Approach, IEEEJournal of Selected Topics In Quantum Electronics, 19, 5, pp. 1-7, 2013.

D. WIEDENMANN, L. KELLER, L. HOLZER, ET AL., 3D pore structure and ion conductivity ofporous 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. ALTAZIN, T. LANZ, K. LAPAGNA, M. NEUKOM, B. GALLINET, B. RUHSTALLER, Impact of lightscattering for efficiency enhancement in organic solar cells, 28th European Photovoltaic SolarEnergy Conference and Exhibition, Paris, 2013.

S. ALTAZIN, B. PERUCCO, N. PAGAN, K. LAPAGNA, T. LANZ, R. KNAACK, E. KNAPP, B. RUH-STALLER, Multi-scale modeling of organic light-emitting devices, SID Symposium Digest ofTechnical Papers, 44, pp. 1486–1489, Blackwell Publishing Ltd, 2013.

G. BOIGER, CH. MEIER, Thermo- Fluid- Dynamic Model of Wood Gasification and CombustionProcesses, 8th International Conference of Multiphysics, Amsterdam, 2013.

P. CENDULA,M. SCHMID, L. STEIER, D. TILLEY, S. GIMENEZ, J. BISQUERT, M. GRAETZELAND J. O. SCHUMACHER, Numerical Modeling of Photoelectrochemical Cells for Water Splitting,


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European Materials Research Society Spring Meeting, Strassbourg, 2013.

P. CENDULA, M. SCHMID, J.O. SCHUMACHER, Development of a comprehensive numerical modelof a solar water splitting cell, International Conference on Nanostructured Systems for Solar FuelProduction, Mallorca, 2012.

P. CENDULA, M. SCHMID, L. STEIER, D. TILLEY, S. GIMENEZ, J. BISQUERT, M. GRAETZEL,J. O. SCHUMACHER, Numerical Model of Photoelectrochemical Cells for Water Splitting, MaterialsResearch Society Spring Meeting, San Francisco, USA, 2013.

P. CENDULA, M. SCHMID, L. STEIER, D. TILLEY, S. GIMENEZ, J. BISQUERT, M. GRAETZEL,J. O. SCHUMACHER, Interactive Energy Diagram and Spectroscopic Model for Solar WaterSplitting , New Advances in Materials Research for Solar Fuels Production, Granada, 2013.

J. DUJC, J.O. SCHUMACHER, Hierarchical Modeling of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells,Proceedings of the Comsol Conference, Rotterdam, 2012.

SEVERAL ICP MEMBERS, contributed and invited talks, Time and Length Scales of Degradation inNext Generation Solar Cells, (DURSOL conference), Winterthur, 2014.

L.C.C. ELLIOT, J. BASHAM, K.P. PERNSTICH, L.J. RICHTER, D.M. DELONGCHAMP, D.J. GUND-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. ELLIOT, K.P. PERNSTICH, D.J. GUNDLACH, L.J. RICHTER, D.M. DELONGCHAMP, Opto-electronic Techniques for Investigation of Transport and Recombination in Organic Photovoltaics,Sigma Chi Postdoctoral poster presentation, NIST Gaithersburg, USA, 2013.

L. HOLZER, L. KELLER, T. HOCKER, O. PECHO, B. MUENCH, P. GASSER, B. IWANSCHITZ,M. NEUMANN, G. GAISELMANN, V. SCHMIDT, Microstructure degradation in SOFC anodes:Relationship between topological parameters and transport properties, 10th Symposium on FuelCell and Battery Modelling and Experimental Validation‚ ModVal 10, Bad Boll/Stuttgart, 2013.

S. JENATSCH, H. ZHANG, A. VERON, F. NÜESCH, B. RUHSTALLER, R. HANY, Transparent organicphotovoltaics using near-infrared absorbing cyanine dyes, European Conference on MolecularElectronics, ECME, London, 2013.

A. KHARAGHANI, C. KIRSCH, T. METZGER, E. TSOTSAS, Discrete three-dimensional model fordrying particle aggregates, PARTEC 2013, Nuremberg, 2013.

A. KHARAGHANI, C. KIRSCH, E. TSOTSAS, Drying Simulation of Particle Packings with CapillaryBarrier, Jahrestreffen der Fachgruppe Trocknungstechnik 2013, Magdeburg, 2013.

A. KHARAGHANI, C. KIRSCH, E. TSOTSAS, Drying of particle packings with a capillary barrierinvestigated by shadowscopy imaging and pore-scale simulation, 5th International Conference onPorous Media, Prague, 2013.

C. KIRSCH, Electro-photonic optimization of organic solar cells, 9th Workshop on NumericalMethods for Optical Nano Structures, Zürich, 2013.

T. LANZ, M. BOCCARD, M. DESPEISSE, C. BATTAGLIA, F.-J. HAUG, C. BALLIF, AND B. RUH-STALLER, Light harvesting analysis of novel thin-film electrode architectures in microcrystallinesilicon solar cells with hybrid Fourier and geometrical optics simulator, Spring Meeting of theEuropean Materials Research Society (EMRS), Strasbourg, 2013.


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T. LANZ, Scalar light scattering theories for the optical simulation of thin-film solar cells, 6th AnnualMeeting Photonic Devices, Berlin, 2013.

K.R. MANGIPUDI, E. EPLER, L. HOLZER, C.A. VOLKERT, Elastoplastic behaviour of interpene-trating phase composites: Combining mechanics of cellular solids with mean-field theory, 3rd Int.Conf. Materials Modelling ICMM, Warsaw, 2013.

M. LINDER, T. HOCKER, L. HOLZER, A. K. FRIEDRICH, B. IWANSCHITZ, A. MAI, J. A. SCHULER,Cr2O3 scale growth rates on metallic interconnectors derived from 40,000 h solid oxide fuel cellstack operation, 10th Symposium on Fuel Cell and Battery Modeling and Experimental Validation,ModVal 10, Bad Boll/Stuttgart, 2013.

M. NEUMANN, G. GAISELMANN, L. HOLZER, O. PECHO, V. SCHMIDT, Microstructure influenceon effective transport properties investigated by means of a stochastic simulation model, 10thSymposium on Fuel Cell and Battery Modelling and Experimental Validation, ModVal 10, BadBoll/Stuttgart, 2013.

M. PRESTAT, A. EVANS, R. TÖLKE, J. MARTYNCZUK, L. J. GAUCKLER, O. PECHO, L. HOLZER,D. STENDER, C. SCHNEIDER, Thin La0.6Sr0.4Co cathodes for low-temperature micro-solid oxidefuel cells, E-MRS Spring Meeting, Strasbourg, 2013.

B. RUHSTALLER, Advanced Opto-electrical Characterization of Solar Cells, Printed ElectronicsEurope, Berlin, 2013.

B. RUHSTALLER, Multi-Scale Modelling of OLEDs, International Meeting on Information DisplayIMID 2013, Daegu, South Korea, 2013.

C. SCHLUMPF, V. CHAPUI, F. GALLIANO, T. LANZ, C. BALLIF, AND L.-E. PERRET-AEBI, Degra-dation due to water ingress in thin-film PV modules, 28th European Photovoltaic Solar EnergyConference and Exhibition, Paris, 2013.

J.O. SCHUMACHER, B. PERUCCO, FELIX N. BÜCHI, J. ROTH, Sensitivity analysis and investigationof parameter interactions of a model of the membrane electrode assembly of a PEM fuel cell, 9thSymposium on Fuel Cell and Battery Modeling and Experimental Validation, Campus Sursee,2012.

M. SZYMANSKI, Modeling transient space-charge-limited responses of thin organic diodes usingmaster equation, The 9th International Conference on Organic Electronics (ICOE), Grenoble,2013.

A.5 Public Events

NILS REINE, ANDOR BARISKA, 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.


http://www.winterthurinstruments.com/fileadmin/user_upload/Tagungsband Winterthurer Oberflchentag 2013.pdf

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A.7 Patents

MATHIAS BONMARIN, NILS REINKE, ANDREAS FASTRICH, Vorrichtung und Verfahren zur Charak-terisierung 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 HugoBohny Stiftung und Toolpoint Cluster for their Bachelor Thesis Entwicklung einer Messeinheit zurHautkrebs-Analyse mit aktiver Thermographie.

B. Schmid and D. Zolliker received the Brütsch Elektronik Award for their Bachelor ThesisEntwicklung 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 ITGInnovation 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/IDPSpin-Off Company Winterthur Instruments AG.

N. Reinke and A. Bariska were nominated for the DeVigier-Price for their ICP/IDP Spin-OffCompany Winterthur Instruments AG.

A.9 Teaching

R. AXTHELM, Analysis 2 & 3 – Vorlesung & Übung, Bachelor of Science.

R. AXTHELM, Lineare Algebra 2 – Vorlesung & Übung, Bachelor of Science.

R. AXTHELM, Numerik – Vorlesung, Übung & Praktikum, Bachelor of Science.

G. BOIGER, Fluid- und Thermodynamik 1 – Vorlesung, Bachelor of Science.

G. BOIGER, Systemphysik fuer Aviatik 1 – Praktikum, Bachelor of Science.

G. BOIGER, Systemphysik fuer Aviatik 2 – Praktikum, Bachelor of Science.

M. BONMARIN, PHEMS1, Physik I für MT, ST, und ET, Bachelor of Science.

M. BONMARIN, PHEU1, Physik I für EU, Bachelor of Science.

M. BONMARIN, PHEU2, Physik II für EU, Bachelor of Science.

M. BONMARIN, PHMT2, Physik II für MT, Bachelor of Science.

T. HOCKER, Fluid- und Thermodynamik 1, Bachelor of Science.




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T. HOCKER, Systemtechnik Physik 1 in der Aviatik, Bachelor of Science.

T. HOCKER, Heat and mass transfer with two-phase flow, Master of Science.

C. KIRSCH, Mathematik: Analysis für Ingenieure 1, Bachelor of Science.

C. KIRSCH, Mathematik: Analysis und Geometrie 2, Bachelor of Science.

K. PERNSTICH, Physik und Systemwissenschaft in Aviatik 1 – Praktikum, Bachelor of Science.

K. PERNSTICH, 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. SARTORIS, Computed aided Engineering, Swiss MAS NMT, Weiterbildung.

M. SCHMID, Mathematik: lineare Algebra für Ingenieure 1, Bachelor of Science.

M. SCHMID, Mathematik: lineare Algebra für Ingenieure 2, Bachelor of Science.


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A.10 ICP-TeamName Function e-Mail

Dr. Rebekka Axthelm Lecturer [email protected]. Gernot Boiger Lecturer [email protected]. Mathias Bonmarin Lecturer [email protected] Capone Research Assistant [email protected]. Peter Cendula Research Associate [email protected] D’Onghia Administrative Assistant [email protected]. Jaka Dujc Research Assistant [email protected] Hauri Research Assistant [email protected]. Dr. Thomas Hocker Lecturer, Head ICP [email protected]. Lorenz Holzer Research Associate [email protected]. Lukas Keller Research Associate [email protected]. Christoph Kirsch Research Associate [email protected]. Evelyne Knapp Research Associate [email protected]. Thomas Lanz Research Assistant [email protected] Lapagna Research Assistant [email protected] Linder Research Assistant [email protected] Meier Research Assistant [email protected] Meier Research Assistant [email protected] Pecho Research Associate [email protected]. Kurt Pernstich Research Associate [email protected] Prestat Research Assistant [email protected] Regnat Research Assistant [email protected]. Dr. Nils Reinke Lecturer [email protected] Ritzmann Research Assistant [email protected]. Dr. Beat Ruhstaller Lecturer [email protected] Rutz Research Assistant [email protected]. Yasser Safa Research Associate [email protected]. Guido Sartoris Research Associate [email protected] Schmid Research Assistant [email protected]. Matthias Schmid Lecturer [email protected]. Dr. Jürgen Schumacher Lecturer [email protected] Spiess Administrative Assistant [email protected]. Marek Szymanski Research Assistant [email protected] Züfle Research Assistant [email protected]


mailto:[email protected]


































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A.11 Spin-off Companies

www.nmtec.ch

Numerical Modelling GmbH works in the field of Computer Aided Engineering (CAE) and offersservices and simulation tools for small and medium enterprises. Our core competence is knowl-edge 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 pro-foundly support your product development cycle. Numerical Modelling speaks your language andis 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 requiredfor your product is embedded. In this form, it is easily deployed within your R&D department andsupports actual projects as well as improving the skills of your staff. Ask for our individual consultingservice 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 andelectronics industries worldwide. Our principal activity is the development and the marketing of thesimulation software SETFOS which was designed to simulate light emission from thin film devicessuch as organic light-emitting diodes (OLEDs), thin film solar cells (organic and inorganic) andorganic semiconducting multilayer systems.Our company name FLUXiM is derived from flux simulation. Our software products are used world-wide in industrial and academic research labs for the study of device physics and product develop-ment. Check out our references and testimonials for more info. We develop swiss-made softwarein Switzerland and in addition also provide services such as consulting, training and software de-velopment, see our services page for more details.

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Winterthur Instruments AG develops measurement systems for fast non contact and non destruc-tive testing of industrial coatings. These measurement systems can be used to determine coatingthicknesses, 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 andsubstrate materials. Our measurement systems provide the unique opportunity of non-contact andnon-destructive testing of arbitrary coatings on substrates.


http://www.nmtec.ch/

http://www.fluxim.com/

http://www.winterthurinstruments.ch/

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A.12 Location

ICP Institute ofComputational Physics

Technikumstrasse 9P.O. BoxCH-8401 Winterthur

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ContactThomas HockerPhone +41 58 934 73 [email protected]

AdministrationEsther SpiessPhone +41 58 934 73 [email protected]

Teresa D’OnghiaPhone +41 58 934 67 [email protected]

TK-Building TL-Building


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Zurich University

of Applied Sciences

School ofEngineering

ICP Institute ofComputational Physics

Technikumstrasse 9

P.O. Box

CH-8401 Winterthur

Phone +41 58 934 71 71

[email protected]

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ZHAW ICP Reserach Report 2013

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