Professor Nguyen ist international führend auf dem Gebiet der organischen Photovoltaik (OPV) – Geräte, die aus kohlenstoffbasierten Materialien hergestellt werden und Sonnenlicht in Strom umwandeln. Die organische Photovoltaik ist ein multidisziplinäres Gebiet, das Wissenschaftler aus einer Vielzahl von Disziplinen anzieht, darunter Physik, Chemie, Materialwissenschaft, Technik und Berechnung. Nguyens breites und tiefes Verständnis von Chemie, Werkstoffen, Technik und Physik ist selten und besonders auf dem Gebiet der OPVs von großem Nutzen. Ihre Promotion in physikalischer Chemie konzentrierte sich auf die Entwicklung von Verarbeitungsprotokollen zur Kontrolle der Polymerkonformation, der Filmmorphologie und der Photophysik konjugierter Polymere. Sie setzte eine Vielzahl von Charakterisierungstechniken ein, um zur Lösung der wichtigsten Kontroversen in der Polymerphotophysik beizutragen und Ansätze zur Verbesserung der Leistung von organischen Leuchtdioden zu liefern. Als Postdoktorandin an der Columbia University wechselte sie auf das Gebiet der molekularen Elektronik, der Selbstorganisation, des Ladungstransports in 1D-Systemen und der Feldeffekttransistoren.
Im Jahr 2004 gründete sie ihr eigenes Unternehmen an der University of California, Santa Barbara. Sie beschloss, sich von ihren Doktoranden- und Postdoc-Forschungsthemen (Photophysik, Leuchtdioden und molekulare Elektronik) abzuwenden und sich mit OPVs zu beschäftigen. OPVs haben in den letzten zwei Jahrzehnten aufgrund ihres Potenzials als leichte, flexible, halbtransparente und kostengünstige Stromerzeugungstechnologie für Gebäude, Gewächshäuser und tragbare Stromquellen große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Sie ist weltweit anerkannt für ihre herausragenden Beiträge zur Entwicklung effizienter OPVs, die auf lösungsgefertigten Materialien und fortschrittlichen Charakterisierungsmethoden basieren. Vor ihrer Arbeit wurde die Forschung zu lösungsgefertigten OPVs von der Verwendung von Polymer- und Fullerenmaterialien dominiert. Polymere leiden jedoch unter mangelnder synthetischer Reproduzierbarkeit und schwierigen Reinigungsverfahren, was die kommerzielle Verwendbarkeit behindert und einen zuverlässigen Vergleich der Bauelemente-Architekturen einschränkt. Im Jahr 2000 gab es nur wenige Berichte über OPVs mit kleinen Molekülen und extrem niedrigen Wirkungsgraden (~10-5 %). Als sie 2006 die Nachteile konjugierter polymerbasierter OPVs erkannte, die zu einer mangelnden Reproduzierbarkeit der Geräte führten, begann ihre Gruppe mit der Entwicklung molekularer organischer Halbleiter für OPVs, die in Lösung hergestellt werden. Im Jahr 2009 gelang ihrer Gruppe ein Durchbruch mit einem Wirkungsgrad von etwa 4,8 %. Die Arbeit wurde für die Innenseite der Zeitschrift Advanced Functional Materials ausgewählt und war die am häufigsten heruntergeladene Arbeit im Juli und August 2009. Sie trug auch dazu bei, den Impact-Faktor der Zeitschrift zu erhöhen. Dieses Ergebnis markierte einen Wendepunkt für die OPV-Gemeinschaft und zeigte, dass es möglich war, mit molekularen organischen Halbleitern hohe Leistungen zu erzielen. Im Jahr 2012 konnten sie einen Wirkungsgrad von 7 % erreichen. Im Jahr 2013 meldeten sie die beste OPV-Leistung auf der Grundlage eines Nicht-Fulleren-Akzeptors. Diese Arbeit zeigte, dass es möglich ist, effiziente OPV auf Nicht-Fulleren-Basis zu erzielen, was zu einer raschen Entwicklung von Nicht-Fulleren-Akzeptoren führte. Heute basieren die besten OPVs auf Nicht-Fulleren-Akzeptoren. Die Vorteile dieser molekularen Materialien liegen in der einfachen Synthese und Reinigung sowie in der höheren Mobilität der Ladungsträger im Vergleich zu ihren polymeren Analoga aufgrund der besseren molekularen Ordnung. Vor allem aber leiden konjugierte kleine Moleküle nicht unter der Variabilität von Charge zu Charge, der breiten Molekulargewichtsverteilung, der Verunreinigung durch Endgruppen und den schwierigen Reinigungsmethoden, die ihre polymeren Gegenstücke plagen. Seitdem wurde dieser Ansatz von der Gemeinschaft genutzt, um Hochleistungssolarzellenmaterialien zu entwickeln, die eine Energieumwandlungseffizienz von über 20 % erreichen und damit das Ziel der Kommerzialisierung übertreffen.
Neben der Materialentwicklung hat Nguyen auch Pionierarbeit geleistet und fortschrittliche Rastersondenmikroskopie- und Spektroskopietechniken entwickelt, um wichtige Prozesse und Eigenschaften von Multikomponenten-OPVs auf verschiedenen Längenskalen zu untersuchen. Die Bewertung der Leistung von Solarzellen ergibt ein zusammengesetztes Bild aus mehreren, oft miteinander verbundenen Variablen. Es ist nicht immer möglich, Informationen über die Auswirkungen der molekularen Struktur, der Verarbeitungsbedingungen, der Herstellungsprotokolle und der thermischen Vorgeschichte auf die intrinsischen elektronischen Eigenschaften der einzelnen Komponenten zu gewinnen. Nguyen und ihr Team haben eine Analysemethode entwickelt, mit der die vergrabenen Grenzflächen und die innere Morphologie von OPVs und anderen elektronischen Bauteilen sichtbar gemacht werden können, so dass man sehen kann, wie sich die Verarbeitung und die molekularen Komponenten auf die Struktur und die Leistung der Bauteile auswirken. Sie nutzten einen fokussierten Ionenstrahl, um eine dünne Scheibe des Bauelements zu schneiden und sie dann zur Untersuchung auf ein Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Gitter oder auf ein Glassubstrat zur rasterkraftmikroskopischen Charakterisierung zu übertragen. Nguyen und ihr Team entwickelten ein hochmodernes Instrument – ein leitendes und photoleitendes Rasterkraftmikroskop – um die Eigenschaften von OPV-Bauelementen im Nanobereich zu untersuchen. Im Jahr 2008 war dieses Instrument noch nicht im Handel erhältlich. Ihre Gruppe kaufte ein Rastersondenmikroskop, ein inverses optisches Mikroskop, Weißlicht- und Laserquellen, Filterräder, einen Heiztisch, einen Probenhalter mit optischem Fenster, eine Handschuhbox usw. und integrierte alle Komponenten. Das Instrument ist äußerst leistungsfähig, da es Informationen liefern kann, die mit anderen Methoden nicht zu erhalten sind, und es kann dazu beitragen, zu erklären, warum einige OPVs sehr effizient sind und andere nicht. Sie teilte das Design des Instruments mit zwei Unternehmen, um kommerzielle Instrumente zu entwickeln (Bruker und Asylum Research, Oxford Instruments). Dieses Instrument wird inzwischen auch in anderen Bereichen eingesetzt, z. B. bei Festkörperbatterien, Silizium-PVs, Perowskit-PVs, in der Halbleiter- und Katalysatorindustrie usw. In den letzten Jahren haben Nguyen und ihre Mitarbeiter die Festkörper-Kernspinresonanz, die Röntgenstreuung und die Rastersondenmikroskopie kombiniert, um die OPV-Morphologie auf verschiedenen Längenskalen zu untersuchen, von der atomaren Auflösung bis hin zum Volumen, um Einblicke in die Prozesse zu gewinnen, die die OPV-Leistung bestimmen, und so dazu beizutragen, den OPV-Bereich voranzubringen.
Nguyen und ihr Team haben auch die Grenzen der Materialverarbeitung erweitert. Sie sind die ersten, die ternäre Mischungen einsetzen, um die Morphologie zu kontrollieren und die Absorption von OPVs in den nahen Infrarotbereich auszudehnen (Applied Physics Letters 2008, 93 (16), 389; 134 google scholar citations). Mit dem ternären Mischungsansatz wurden OPV-Wirkungsgrade von über 18 % erreicht. Sie waren das erste Team, das den Hansen-Löslichkeitsparameter zur Auswahl des richtigen Lösungsmittels nutzte, um die beste Leistung für OPV-Mischmaterialien zu erzielen. Normalerweise müssen Forscher Geräte in verschiedenen Lösungsmitteln für jedes OPV-Mischsystem vorbereiten, so dass die Verwendung der Hansen-Löslichkeitsmethode viel Zeit bei der Geräteoptimierung gespart hat und in der OPV-Industrie routinemäßig eingesetzt wird. Während ihrer Postdoc-Zeit bei Louis Brus an der Columbia University lernte Nguyen das Gebiet der Gold-Nanopartikel kennen. An der UCSB bauten Nguyen und ihre Mitarbeiter Goldnanopartikel in OPVs ein, um mit Hilfe von Oberflächenplasmonen die Absorption des OPVs zu verbessern. Sie fanden heraus, dass sich der Wirkungsgrad des Geräts verdoppelte. Transmissions-Elektronenmikroskopische Querschnittsbilder zeigten jedoch, dass nur sehr wenige Goldnanopartikel vorhanden waren, um eine so große Verbesserung zu erzielen. In einem Kontrollexperiment fügten sie nur die zur Verkapselung der Goldnanopartikel verwendeten Liganden, Alkylthiole, hinzu und stellten fest, dass sich die Effizienz noch weiter verbesserte. Sie verbrachten mehrere Jahre damit, zu verstehen, wie Zusatzstoffe zur Steuerung der Filmmorphologie und der OPV-Leistung eingesetzt werden können. Die Verarbeitung von Additiven wird heute sowohl von der akademischen Forschung als auch von der Industrie in großem Umfang zur Verbesserung der OPV-Leistung eingesetzt.
Nguyen und ihre Gruppe entwickelten auch fortschrittliche Kapazitätsspektroskopie, Strom-Spannungs-Messungen und Bauelementesimulationen in Verbindung mit ultraschneller Spektroskopie, um verschiedene Verlustprozesse in OPVs zu quantifizieren und Wege zur Überwindung dieser Verluste zu finden. Nguyens Arbeit hat zu einem tieferen und umfassenderen Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen geführt, die die Leistung der Bauelemente steuern. Letztendlich haben sie und ihre Mitarbeiter die Verlustmechanismen enträtselt und einen Weg zu fortschrittlichen OPVs im Lösungsprozess aufgezeigt. Heute steht Nguyens Gruppe weiterhin an der Spitze der OPV-Forschung.
Neben der Forschung hat Professor Nguyen eine große Leidenschaft für die Lehre und die Ausbildung von Studenten. Sie ist die 4. Generation in ihrer Familie, die eine Lehrtätigkeit ausübt. Sie ist der Ansicht, dass die sorgfältige Betreuung junger Studierender eine der wichtigsten Tätigkeiten ist, die ein Professor ausüben kann, da diese zweifellos die Zukunft unserer Gesellschaft gestalten. Sie hat zahlreiche internationale Forschungsteams von Studenten, Masterstudenten und Doktoranden, Postdoktoranden, Schülern und Lehrern sowie Gastwissenschaftlern (insgesamt 155 aus 22 Ländern) betreut. Es hilft den Studenten, bestimmte Fähigkeiten zu entwickeln, wie z. B. kritisches Denken, Problemlösung und Analyse, Strategien zum Erlernen neuer Themen, Teamarbeit, Zeitmanagement, Multitasking, das Stellen wichtiger wissenschaftlicher Fragen, Kommunikation, Präsentation, Schreiben usw. Sie hat neue Kurse entwickelt, um junge Menschen über die Herausforderungen der Chemie und des Ingenieurwesens im Zusammenhang mit der Klimakrise und der notwendigen Umstellung der Energieerzeugung aufzuklären und die Schüler auf die reale Welt vorzubereiten. Einer der Kurse verhilft Studenten jedes Jahr zu einem Arbeitsplatz.
Neben der Ausbildung ihrer eigenen Gruppenmitglieder hat Nguyen auch 25 Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler aus verschiedenen Ländern (10 Frauen) betreut. Sie gibt Hilfestellung bei Bewerbungen und Vorstellungsgesprächen von Lehrkräften, bei Verhandlungen, beim Verfassen von Vorschlägen, bei der Betreuung von Studenten und bei der Vereinbarkeit von Beruf und Familie. Sie hat aktiv Wissenschaftler aus der ganzen Welt angeworben und ausgebildet, insbesondere Frauen und Wissenschaftler aus Entwicklungsländern, in denen die Wissenschaft noch nicht so weit entwickelt ist (43 Frauen und 20 aus Entwicklungsländern wie der Türkei, Jordanien, Nepal, Brasilien, Marokko, den Philippinen, Mexiko, Vietnam, Thailand, Indien usw.).
Nguyen ist Mitglied in mehreren internationalen Beiräten und Programmausschüssen für wichtige Konferenzen in ihrem Fachgebiet. Sie achtet auf die Gleichstellung der Geschlechter, insbesondere bei den eingeladenen Rednern und Plenarrednern, und auf eine ausgewogene Zusammensetzung der Redner aus verschiedenen Karrierestufen und Ländern. Während der Pandemie half sie bei der Gründung einer Selbsthilfegruppe von 21 Professorinnen der Natur- und Ingenieurwissenschaften aus Brasilien, den USA, dem Vereinigten Königreich, Deutschland, Taiwan, Schweden, Israel, den Niederlanden, Spanien, Japan und Italien. Sie tauschen Informationen über Lehre, Forschung, Betreuung von Studenten, Vereinbarkeit von Familie und Beruf, Umgang mit Mobbing durch ältere Kollegen, Fragen der Vielfalt, Veröffentlichungen, geschlechtsspezifische Vorurteile usw. aus.
Ihr Einfluss auf die Forschung im Bereich der grünen Energie in Verbindung mit ihrem enormen Engagement in der Ausbildung auf allen Ebenen, ihren Beiträgen zu Ingenieurgesellschaften, der Erhöhung der Vielfalt und der Förderung von Frauen in der Wissenschaft machen sie zu einer außergewöhnlichen Kandidatin für die Wilhelm Exner-Medaille.