Organische Solarzellen besitzen das Potential für leichte und zugleich flexible photovoltaische Anwendungen, die kostengünstig hergestellt werden können und damit einen Beitrag zur Verminderung der Emission von Kohlendioxid, Methan und Stickoxiden leisten können. Zur Herstellung von organischen Solarzellen werden nur geringe Mengen der organischen Materialien benötigt und die Prozessierung findet bei vergleichsweise geringen Temperaturen statt, was die Abscheidung auf z. B. Plastikfolie ermöglicht. Man unterscheidet drei Arten von organischen Solarzellen. Erstens, Solarzellen bestehend aus kleinen Molekülen, die im Vakuum durch Sublimation auf das Substrat abgeschieden werden. Zweitens, Polymersolarzellen, deren Schichten aus Lösung meist durch „spin-coating“ oder Druckverfahren präpariert werden. Und drittens, „dye-sensitized“ Solarzellen (auch Grätzel-Zellen), die aus einer porösen Schicht Titandioxid und einem flüssigen Elektrolyten für den Ladungsträgertransport bestehen. Diese Arbeit beschäftigt sich ausschließlich mit organischen Solarzellen aus kleinen Molekülen. Die höchsten erreichten Wirkungsgrade organischer Solarzellen aus kleinen Molekülen liegen derzeit bei etwa 5 % . Um die Effizienzen von Solarzellen aus kleinen Molekülen zu steigern, ist es einerseits notwendig das Verständnis der physikalischen und chemischen Prozesse innerhalb der Bauelemente genauer beschreiben zu können, andererseits werden neue Materialien mit optimierten Eigenschaften für die organische Photovoltaik benötigt. In dieser Arbeit wurden zwei Strategien zur Optimierung organischer Solarzellen verfolgt: • Durch die Optimierung des Versatzes der Energieniveaus der organischen Materialien konnte die Leerlaufspannung in einem Modellsystem maximiert werden. An diesem Modellsystem wurden der Ursprung der Leerlaufspannung und die Rekombinationsdynamik von photogenerierten Ladungsträgern untersucht. Bezüglich der Leerlaufspannung zeigen Solarzellen, deren photoaktive Materialien in einer Mischschicht vorliegen, im Vergleich zu Solarzellen, die eine photoaktive Doppelschicht beinhalten, fundamentale Unterschiede . • Des Weiteren wurden neue Thiophenderivate untersucht, die als aktive Materialien in organischen Solarzellen eingesetzt wurden. Durch elektronenziehende Endgruppen wurde das Ionisationspotential der Thiophenderivate abgesenkt und die optische Bandlücke verringert. Das Thiophenderivat DCV3T fungiert in Kombination mit herkömmlichen Donator-Materialien als Akzeptor. In Mischschichten aus DCV3T und C60 kommt es durch einen Hin- und Rücktransfer der Anregungsenergie zwischen den Materialien statt der Generation von freien Ladungsträgern zu einer Erhöhung der Triplett-Exzitonendichte auf DCV3T . Diese Exzitonen besitzen auf Grund der hohen Lebensdauer von Triplett-Exzitonen das Potential für eine erhöhte Exzitonendiffusionslänge, die in einem neuen Solarzellenkonzept ausgenutzt werden konnte . / Organic solar cells have the potential for light weight and flexible applications. They can be manufactured cost-effectively and can thus contribute to the reduction of the emission of carbon dioxide, methane and nitric oxides. In order to manufacture organic solar cells, only small amounts of organic materials are required. They can be processed at comparably low temperatures. Therefore, the fabrication on substrates like plastic foil is possible. Three different types of organic solar cells exist. The first kinds are solar cells prepared from small molecules that are manufactured via sublimation of the material in a vacuum. The second kind are polymer solar cells manufactured from solution by spin coating techniques or ink jet printing. And thirdly, dye sensitized solar cells - also known as Grätzel cells - consisting of a porous layer of titanium dioxide and most commonly a liquid electrolyte for the charge transport. This work deals exclusively with small molecule solar cells. The highest power conversion efficiencies reached by small molecule organic photovoltaics are now in the range of 5 %. In order to increase the efficiencies of solar cells prepared from small molecules, two major aspects must be developed. The understanding of the physical processes within the organic devices must be improved. And secondly, new materials are required with physical properties optimized for organic photovoltaics. In this work, I followed two strategies for optimizing organic solar cells: • By optimizing the offset of energy levels between donor and acceptor material, the open circuit voltage could be increased. In the investigated model system, the origin of the open circuit voltage and the recombination dynamics of photo generated charge carriers were analyzed. Concerning the open circuit voltage, solar cells consisting of a donor acceptor double layer structure, show fundamental differences to solar cells consisting of a donor acceptor blend. • Furthermore, new thiophene derivatives used as photoactive materials were investigated. By the attachment of electron withdrawing end groups, the ionization potential of the oligothiophenes is increased and the optical band gap is reduced at the same time. The investigated thiophene derivative DCV3T acts as an acceptor in combination with the commonly used donor-materials. A back- and forth-transfer of excitation energy is observed in blends of DCV3T and fullerene C60. In these blends, excitons are not separated into free charge carriers. This back and forth transfer leads to an enhancement of the density of triplet excitons on DCV3T. These excitons have a potentially high diffusion length due to the long lifetime of triplet excitons. This effect was utilized in the organic solar cells.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluß der Ladungsdichte des Polyelektrolyts sowie der Molmasse und der Ionenkonzentration der Lösung bei der Adsorption von Poly(vinylformamid) und Poly(vinylamin) an Kieselgel 60 und an Titandioxid unter-sucht. Die Charakterisierung der Polyelektrolyteigenschaften der modifizierten anorganischen Partikel erfolgt mit elektrokinetischen und potentiometrischen Mes-sungen. Es konnte gezeigt werden, daß Poly(vinylamine) mit geringen Ladungs-dichte ein Screening-enhanced-Verhalten zeigen, während bei hoher Ladungsdichte am Polyelektrolyt ein Screening-reduced-Verhalten vorliegt. Der Einfluß der Polymerfunktionalisierung auf die Oberflächenpolarität der Hybridpartikel wurde durch UV-VIS-spektroskopische Bestimmung der ET(30)-Werte nach Reichardt nachgewiesen. Ausgehend von den Ergebnissen der Adsorption von Poly(vinylaminen) wird die Synthese von geladenen Netzwerken auf der Oberfläche der anorganischen Partikel vorgestellt. Die aus wässriger Lösung adsorbierte Polyelektrolytschicht wird dabei in einem zweiten Schritt in einem organischen Lösungsmittel mit bifunktionellen Vernetzermolekülen (4,4´-Diisocyanato)diphenylmethan, Fulleren C60] umgesetzt. Der erfolgreiche Ablauf der Reaktion konnte im Fall des Isocyanats mit Festkörper-NMR-, ESCA- und ATR-FTIR-Messungen nachgewiesen werden. Um die Umsetzung mit Fullerenen nachzuweisen, wurde die EPR-Spektroskopie eingesetzt.

In dieser Dissertation wird eine neue Methode vorgestellt, welche die Untersuchung der Wechselwirkung von Atomen und Molekülen mit Oberflächen mit Ausdehnungen <10^-8 cm^2 gestattet. Die hochauflösende Massenspektrometrie an Nanopartikeln wird mit laserinduzierter thermischer Desorption kombiniert. Zur kontrollierten Variation der Temperatur der unter UHV-Bedingungen gespeicherten Siliziumdioxidpartikel wird ein IR-Laser verwendet. Die im Rahmen dieser Arbeit aufgebaute Apparatur beinhaltet die Kombination des IR-Lasers mit dem elektrodynamischen Partikelspeicher als auch den Aufbau eines externen optischen Streulichtnachweises mit einem Ar^+-Laser. Unter Berücksichtigung wirksamer Kühlmechanismen wird ein Zusammenhang zwischen Teilchentemperatur und erforderlicher IR-Bestrahlungsintensität hergestellt. Ein kinetisches Modell verknüpft die im Experiment als Funktion der Zeit gemessene Partikelmasse mit den grundlegenden physikalischen Größen zur Beschreibung von Adsorptions- und Desorptionsprozessen. Die vorgestellte neue experimentelle Methode wird exemplarisch anhand von Messungen wie zyklische Adsorptions- und Desorptionsmessungen bei Partialdrücken adsorbierender Moleküle von 10^-10-10^-11 mbar, Physisorption von Wasser und Charakterisierung der Oberfläche gespeicherter Partikel mittels thermischer Desorption bei Temperaturen bis 560 K demonstriert. Ein weiteres Beispiel beschreibt die Bestimmung der Aktivierungsenergie für die Desorption von Fullerenmolekülen, mit denen die Partikeloberfläche zuvor durch Bedampfung präpariert wurde. Die Bedampfung wird als zeitaufgelöster Adsorptionsvorgang gemessen. Abschließend wird die Entladung der Partikel beschrieben, die bei Temperaturen >550 K beobachtet wird. Die Entladung zeigt ein Schwellenverhalten und hängt offenbar von der Ladung der Partikel ab. Verschiedene Erklärungsmöglichkeiten werden diskutiert.

Das wissenschaftliche Ziel der Arbeit ist die Untersuchung von optischen und chemischen Eigenschaften von kohlenstoffhaltigen Teilchen im besonderen Fullerene bei hohen Temperaturen. Die Arbeit behandelt im Detail den Aufbau und die Charakterisierung einer Messapparatur zur Untersuchung von Fulleren-Kationen. Nach einer kurzen Einführung zum Thema und einer Beschreibung des Aufbaus der Arbeit beginnt diese mit der Charakterisierung der Apparatur als Ganzes und ihrer Elemente. Dazu gehört die weiterentwickelte Sublimationsionenquelle, der Quadrupolspeicher und der Ionendetektor. Es werden eingehende Messungen zur Speicherung und zum Nachweis der absoluten Zahl von gespeicherten Ionen vorgestellt. Weiterhin wird das optische Nachweissystem bezüglich der Sammelleistung und des Empfindlichkeit eingehend untersucht. Nach der Einführung in die Apparatur wird die Verteilung der Ionen im Speicher näher beleuchtet und gezeigt, dass ein optischer Nachweis der Zahl gespeicherter Ionen möglich ist. Außerdem wird gezeigt, dass es gelingt die kinetische Temperatur der Ionen im Speicher, durch die geometrische Vermessung der Ionenverteilung zu bestimmen. Im weiteren wird auf die thermische Emission heißer C60+ näher eingegangen. Dazu wird ein klassisches dielektrisches Modell zur thermischen Emission vorgestellt. Es werden Messprinzipien zur Temperaturbestimmung der lasergeheizten Ionen erörtert und Messungen zur Temperatur des Ionenensembles präsentiert. Weiterhin werden Messungen zum C2-Verlust von C60+ als Funktion der Temperatur vorgestellt. Die experimentell ermittelte Aktivierungsenergie der C2-Verlustreaktion mit Ea = 2,3...5,4eV zeigt deutliche Abweichungen zu bekannten Literaturwerten. Die Ergebnisse dieser Messung werden mit einer nummerischen Simulation zur Energieverteilung im Ionenensemble diskutiert. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick auf weitere experimentelle Möglichkeiten der Messmethode. / The scientific goal of this work is the study of optical and chemical properties of carbon containing particles especially fullerenes at high temperatures. This work covered the construction and characterization of the measuring apparatus for the investigation of fullerene cations. It follows a characterization of the apparatus and its elements after a short introduction and a description of the structure of this work. This involved the further developed sublimation ion source, the quadrupole trap and the ion detections system. Extensive measurements of the ion trapping and the proof of the absolute number of trapped ions are presented. Further on the optical detections system is characterized in depth regarding the collection efficiency and sensitivity. After the introduction in the apparatus the distribution of the ions inside the trap is closer examined. The possibility of the optical detections of the number of trapped ions is shown. Additionally it is pointed out that the kinetic temperature of the ions can be extracted by geometrical measurement of the ion distribution. Further on it is enlarged on the thermal emission of hot C60. For this a classical dielectric model for the thermal emission is presented. Measuring principals of the temperature determination of laser heated ions are discussed and temperature measurements of the ion ensemble are presented. Measurements of the C2-loss as function of the temperature are presented. The results of the extracted activation energy of Ea = 2.3...5.4eV for the C2-loss reaction of C60+ shows a discrepancy to literature results. The results of this measurements are discussed with help of an numerical simulation of the internal energy distribution of the ion ensemble. This work closes with a summery and an outlook of further experimental potentialities of the measuring method.

Das wissenschaftliche Ziel der Arbeit ist die Untersuchung von optischen und chemischen Eigenschaften von kohlenstoffhaltigen Teilchen im besonderen Fullerene bei hohen Temperaturen. Die Arbeit behandelt im Detail den Aufbau und die Charakterisierung einer Messapparatur zur Untersuchung von Fulleren-Kationen. Nach einer kurzen Einführung zum Thema und einer Beschreibung des Aufbaus der Arbeit beginnt diese mit der Charakterisierung der Apparatur als Ganzes und ihrer Elemente. Dazu gehört die weiterentwickelte Sublimationsionenquelle, der Quadrupolspeicher und der Ionendetektor. Es werden eingehende Messungen zur Speicherung und zum Nachweis der absoluten Zahl von gespeicherten Ionen vorgestellt. Weiterhin wird das optische Nachweissystem bezüglich der Sammelleistung und des Empfindlichkeit eingehend untersucht. Nach der Einführung in die Apparatur wird die Verteilung der Ionen im Speicher näher beleuchtet und gezeigt, dass ein optischer Nachweis der Zahl gespeicherter Ionen möglich ist. Außerdem wird gezeigt, dass es gelingt die kinetische Temperatur der Ionen im Speicher, durch die geometrische Vermessung der Ionenverteilung zu bestimmen. Im weiteren wird auf die thermische Emission heißer C60+ näher eingegangen. Dazu wird ein klassisches dielektrisches Modell zur thermischen Emission vorgestellt. Es werden Messprinzipien zur Temperaturbestimmung der lasergeheizten Ionen erörtert und Messungen zur Temperatur des Ionenensembles präsentiert. Weiterhin werden Messungen zum C2-Verlust von C60+ als Funktion der Temperatur vorgestellt. Die experimentell ermittelte Aktivierungsenergie der C2-Verlustreaktion mit Ea = 2,3...5,4eV zeigt deutliche Abweichungen zu bekannten Literaturwerten. Die Ergebnisse dieser Messung werden mit einer nummerischen Simulation zur Energieverteilung im Ionenensemble diskutiert. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick auf weitere experimentelle Möglichkeiten der Messmethode. Ersetzt durch neues Dokument, wegen URL auf Titelseite. / The scientific goal of this work is the study of optical and chemical properties of carbon containing particles especially fullerenes at high temperatures. This work covered the construction and characterization of the measuring apparatus for the investigation of fullerene cations. It follows a characterization of the apparatus and its elements after a short introduction and a description of the structure of this work. This involved the further developed sublimation ion source, the quadrupole trap and the ion detections system. Extensive measurements of the ion trapping and the proof of the absolute number of trapped ions are presented. Further on the optical detections system is characterized in depth regarding the collection efficiency and sensitivity. After the introduction in the apparatus the distribution of the ions inside the trap is closer examined. The possibility of the optical detections of the number of trapped ions is shown. Additionally it is pointed out that the kinetic temperature of the ions can be extracted by geometrical measurement of the ion distribution. Further on it is enlarged on the thermal emission of hot C60. For this a classical dielectric model for the thermal emission is presented. Measuring principals of the temperature determination of laser heated ions are discussed and temperature measurements of the ion ensemble are presented. Measurements of the C2-loss as function of the temperature are presented. The results of the extracted activation energy of Ea = 2.3...5.4eV for the C2-loss reaction of C60+ shows a discrepancy to literature results. The results of this measurements are discussed with help of an numerical simulation of the internal energy distribution of the ion ensemble. This work closes with a summery and an outlook of further experimental potentialities of the measuring method. Replaced by new document, because of URL on the title page.

Στην παρούσα εργασία μελετώνται οι μη γραμμικές ιδιότητες παραγώγων φουλλερενίων καθώς και η επίδραση της μεταφοράς φορτίου στην ενίσχυση της μη γραμμικότητας. Για τις πειραματικές μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε η τεχνική ΟΚΕ ενώ έγιναν και θεωρητικοί υπολογισμοί , κβαντικής χημείας, προκειμένου να γίνει η απαραίτητη σύγκριση μεταξύ πειράματος και θεωρίας. / Ιn this project the nonlinear properties of some fullerene derivatives is studied. Particularly we examine the role of charge transfer in the nonlinear enhancement. The method that it was used for the experimental part was OKE technique. Moreover in the second part of this study theoretical calculations were held, in order to do a satisfying comparison between theory and experiment.

The surface-induced dissociation (SID) method is introduced into a Bruker matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometer (MALDI TOF MS) as an efficient ion fragmentation method. Ion trajectory calculations using the SIMION 7.0 ion optics program are performed and results are combined with simple unimolecular decay calculations in order to study the kinetics of the SID processes. In this instrument, the observation time frame for SID fragments lies in the submicrosecond region, allowing the specific detection of submicrosecond fragmentation channels. MALDI-produced protonated peptides in the mass range of 700 - 1500 Da and radical ions produced by laser irradiation of fullerenes C60 and C70 are fragmented at a gold surface coated with a self-assembled monolayer of alkanethiol to obtain TOF SID TOF mass spectra. For the SID of peptides in the hyperthermal energy regime, a fragmentation time frame of tens to a few hundreds of nanoseconds was calculated for the observed fast fragmentation channels (Chapters 3 and 4). Theoretical and experimental peak shape comparisons assuming unimolecular decay kinetics indicated a log rate constant in the range 6 - 7 (Chapter 4). Energy and mass resolved kinetic studies are also carried out. The contribution of special structural features to peptide fragmentation and the possibility of different fragmentation mechanisms such as sequential and parallel pathways are investigated. The results indicate a unimolecular decay process for observed fast peptide fragments ruling out a surface-shattering mechanism. Fullerene ions, especially C60+., showed a fragmentation behavior producing C2n+. fragments with an even number of C units at collision energies in the range of 100 - 400 eV (Chapter 5). At around 400 eV, additional small fragments appeared that are apart by only a single C unit. According to the calculated fragmentation times and the theoretical and experimental peak shape comparisons assuming unimolecular decay kinetics, both these processes may be approximated by parallel fast unimolecular decay processes with fragmentation time frames of tens to hundreds of nanoseconds although the poor theoretical and experimental peak shape matching for example in the decay of C60+. to C19+. may suggest deviations from a one-step unimolecular decay process.

This dissertation describes the study of organic thin-film solar cells in pursuit of affordable, renewable, and environmentally-friendly energy sources. Particular emphasis is given to the molecular ordering found in liquid crystalline or polycrystalline films as a way to leverage the efficiencies of these types of cells. Maximum efficiencies estimated based on excitonic character of organic solar cells show power conversion efficiencies larger than 10% are possible in principle. However, their performance is often limited due to small exciton diffusion lengths and poor transport properties which may be attributed to the amorphous nature of most organic semiconductors.Discotic liquid crystal (DLC) copper phthalocyanine was investigated as an easily processible building block for solar cells in which ordered molecular arrangements are enabled by a self-organization in its mesophases. An increase in photocurrent and a reduction in series resistance have been observed in a cell which underwent an annealing process. X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM) measurements suggest that structural and morphological changes induced after the annealing process are related to these improvements.In an alternative approach, p-type pentacene thin films prepared by physical vapor deposition were incorporated into heterojunction solar cells with C60 as n-type layers. Power conversion efficiencies of 2.7 % under broadband illumination (350-900 nm) with a peak external quantum efficiency of 58 % have been achieved with the broad spectral coverage across the visible spectrum. Analysis using an exciton diffusion model shows this efficient carrier generation is mainly due to the large exciton diffusion length of pentacene films. Joint XRD and AFM studies reveal that the highly crystalline nature of pentacene films can account for the observed large exciton diffusion length. In addition, the electrical characteristics are studied as a function of light intensity using the equivalent circuit model used for inorganic pn-junction solar cells. Dependences of equivalent-circuit parameters on light intensity are further investigated using a modified equivalent circuit model, and their effects on the overall photovoltaic performance are discussed.

La cicloisomerización de 1,5-, 1,6- y 1,7-eninos catalizada por Au(I) y Au(III) ha sido desarrollada con un enfoque sintético y mecanístico. Los aportes hechos hasta el momento nos han permitido elucidar de modo general la reactividad de los complejos catiónicos de oro(I) (Esquema R1). Se demostró que en la ciclación de 1,6-eninos B1, la migración propargílica 1,5 del éter metílico tenía lugar originando la estructura base de los globuloles, una familia de productos naturales. Sin embargo al explorar la reactividad de 1,7- eninos C1, tuvo lugar una migración propargílica 1,6, dando lugar a la formación de benzo[C]fluorenos. Alternativamente con una sustitución similar en los eninos de partida utilizando los 1,6-eninos D1 (esquema R2) tuvo lugar una nueva reacción catalizada por oro. En este caso, un nuevo proceso de anulación catalizado por complejos catiónicos de oro(I) nos condujo a la formación de naftalenos 1,3-disustituidos E1 (esquema R2) Los naftalenos 1,3-disustituidos son una clase de compuestos no accesibles de manera convencional mediante acoplamiento cruzado o por sustitución electrófila aromática. Durante el estudio de anulación con D1, determinamos el mecanismo de esta reacción. Encontramos que este proceso tiene lugar vía cicloisomerización 6- endo-dig generando un dihidronaftaleno D2 (esquema R2), que tras migración [1,2] de hidógeno genera D3. Tras protodemetalación, genera el enol eter D4. Retro-ciclopropanación sobre D4 origina un naftaleno 1,3-bisustituido E1, junto con la formación de un carbeno libre de oro(I) G1 para dar lugar a un bisciclopropano tetracíclico F1. Esta es la primera vez que se observa el proceso de reto-ciclopropanación en química de oro.

Carbon nanostructures have been extensively used in different applications; ranging from electronic and optoelectronic devices to energy conversion. The interest stems from the fact that covalently bonded carbon atoms can form a wide variety of structures with zero-, one- and two-dimensional configuration with different physical properties. For instance, while fullerene molecules (zero-dimensional carbon structures) realize semiconductor behavior, two-dimensional graphene shows metallic behavior with exceptional electron mobility. Moreover the possibility to even further tune these fascinating properties by means of doping, chemical modification and combining carbon based sub-classes into new hybrid structures make the carbon nanostructure even more interesting for practical application.  This thesis focuses on synthesizing SWCNT and different C60 one-dimensional structures as well as tuning their properties by means of different chemical and structural modification. The purpose of the study is to have better understanding of the synthesis and modification techniques, which opens for better control over the properties of the product for desired applications. In this thesis carbon nanotubes (CNTs) are grown by chemical vapor deposition (CVD) on iron/cobalt catalyst particles. The effect of catalyst particle size on the diameter of the grown CNTs is systematically studied and in the case of SWCNTs it is shown that the chirality distribution of the grown SWCNTs can be tuned by altering the catalyst particle composition. In further experiments, incorporation of the nitrogen atoms in SWCNTs structures is examined. A correlation between experimental characterization techniques and theoretical calculation enable for precise analysis of different types of nitrogen configuration in SWCNTs structure and in particular their effect on growth termination and electronic properties of SWCNTs are studied. C60 one-dimensional structures are grown through a solution based method known as Liquid-liquid interfacial precipitation (LLIP). By controlling the crystal seed formation at the early stage of the growth the morphology and size of the grown C60 one-dimensional structures where tuned from nanorods to large diameter rods and tubes. We further introduce a facile solution-based method to photo-polymerize the as-grown C60 nanorods, and show that such a method crates a polymeric C60 shell around the nanorods. The polymeric C60 shell exhibits high stability against common hydrophobic C60 solvents, which makes the photo-polymerized nanorods ideal for further solution-based processing. This is practically shown by decoration of both as grown and photo-polymerized nanorods by palladium nanoparticles and comparison between their electrochemical activities. The electrical properties of the C60 nanorods are also examined by utilizing a field effect transistor geometry comprising different C60 nanorods. In the last part of the study a variant of CNT is synthesized in which large diameter, few-walled CNTs spontaneously transform to a collapsed ribbon shape structure, the so called collapsed carbon nanotube (CCNT). By inserting C60 molecules into the duct edges of CCNT a new hybrid structure comprising C60 molecules and CCNT is synthesized and characterized. A further C60 insertion lead to reinflation of CCNTs, which eventually form few-walled CNT completely filled with C60 molecules.