Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Wechselwirkung von Indium (In) und Magnesium (Mg) als Topelektroden auf zwei Perylen-Derivativen, 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA) und Dimethyl-3,4,9,10- Perylentetracarbonsäure Diimid (DiMe-PTCDI) untersucht. Die Metal/organische Schichten wurden auf S-passivierten GaAs(100):2x1-Substraten hergestellt und unter Ultrahochvakuum (UHV)-Bedingungens aufgedampft. Als Hauptcharakterisierungsmethode wird die Raman-Spektroskopie eingesetzt, die eine nicht-destruktive Methode ist,und auch in situ Untersuchungen des Wachstumsprozesses ermöglicht. Die experimentell Ergebnisse haben gezeigt, dass alle aufgedampft Metallen auf die organische Schichten von PTCDA und DiMe-PTCDI eine Verstärkung des aktive Raman Signals von interne Schwingungsmoden fördern, begleitet durch die Aktivierung von normalerweise Infrarotaktivemoden. Diesem Phänomen als Oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) genannt ist. Das Mg Wachstum auf beiden Molekularstrukturen wurde durch die viel niedrigere Diffusion des Metalls in die organischen Molekülen im Vergleich zum Indium, es war durch die Bewahrung des von externe molekulare Schwingungsmoden nach das Metallswachstum, und in ersten Mal in einem Ramanexperiment beobachtet. Die PTCDA/Mg Strukturen formen sich durch zwei Stufen des Metallwachstum, die erste gehört zu einer neuen molekularen Struktur für eine Mg Schicht dünner als 2.8 nm, wo das PTCDA Molekühl des Sauerstoff-Atoms von die dianhydride Gruppe verliert. Die zweite gehört zu das SERS Spektrum von die vorherige Struktur. Im Fall von Mg/DiMe-PTCDI Heterostrukturen, den Molekühl wird gut bewahrt, wo die Raman Verschiebung an der diimide Gruppe wird nicht modifiziert. Auch von dieser Struktur eine interessante Eigenschaft wurde durch die Kopplung zwischen diskret Moleküleigenschwingungen am 221 cm^-1, 1291 cm^-1 und 1606 cm^-1 des organischen Materials und den elektronischen Kontinuum-Zuständen des Mg-Metallkontakts. Ihre entsprechenden Energieliniengestalten werden gut durch die Breit-Wigner-Fano-Funktion beschrieben. Die Untersuchungen auf dem vorherigen Heterostrukturen half, die Kanalbildung von Pentacen-basierten organische Feldeffekt-Transistoren (OFETs) experimentell zu analysieren, und in ersten Mal in einem Ramanexperiment durchgeführt. Der organische Kanal war gebildet durch die organische Molekularstrahldeposition (OMBD) unter UHV-Bedingungens der Pentacen Moleküle, und es war mit eine Evaporationsrate von ca. 0.65 Å/min aufgedampft. Nach jede Aufdampfung von ca. 0.1 nm des organische Moleküle, den Strom und den Ramansignal in den Kanal wurden in situ gemessen. Die minimale nominelle Dicke des organischen Materials erforderlich für den effizienten Ladungstransport durch den OFET Kanal wurde um ungefähr 1.5 nm nomineller Einschluss oder 1.1 Monolagen (ML) zu sein. Eigenschaften der ersten Monolagen werden gut im Vergleich mit dickeren Schichten definiert, wo die 1.1 ML eine gestrecktes Natur wegen seines direkten Kontakts mit dem Gate-Isolator präsentieren. Es wurde gefunden, dass der leitende organische Kanal bzw. -organische erhöhende Schicht (OBL)- eine Druckdeformierung hat. Dieses Phänomen durch die rote Verschiebung der Ramanbanden beobachtet war. Das Ausgangskennlinienfeld des OFETs wurden nach die letzte aufgedampft organische Schicht gemessen. Es wurde gefunden, dass der Drain-Strom einem Relaxationsprozesse mit zwei Zeitkonstanten hat, wo eine in der Ordnung von 10¹ min ist und die zweite unter 10² min. Ein ähnliches Experiment mit der Beleuchtung des Kanals mit einer 676.4 nm Laserquelle, es erhöht der Drain- Strom und lässt ummodifiziert die Zeitkonstanten. In der Ergänzung, die OFET-Strukturen waren ex situ durch Landungstransientspektroskopie (QTS) unstersucht. Die QTS Spektren zeigten positive und negative Banden zum Gesamtsignal der relaxierte Ladung in Bezug auf die einzigartige Biaspulsepolarität. Wir haben dieses Phänomen als ,,anomales Verhalten des QTS-Signals“ genannt, und in ersten Mal in einem QTS-Experiment beobachtet. Bei Wiederholung der QTS-Messung innerhalb ca. 100 min, die QTS-Spektre eine langsame Relaxationsprozesse von Störstellen am 5 μs in bereich ca. 63 min < 10^2 min hat. Die Einfangsquerschnitten sind Zeitabhängig, es bedeutet, dass die Störstellendichte nicht Konstant im Lauf der Betriebs des OFET bleibt. Dafür des Drain-Strom verändert sich und die Beweglichkeit unabhängige des elektrisches Feld ist. Experimentell Untersuchungen auf dem OFETs mit der Kombination der Ramanspektroskopie und elektrischen Felder zeigten eine Erhöhung des Ramanseinfangsquerschnitt in endliche Bereich als die chemische SERS-Verstärkung von In bzw. Mg auf die Perylen-Derivativen PTCDA und DiMe-PTCDI. Nach den Ausschaltung des elektrisches Felds den Ramansignal des Pentacen-basierten OFET eine Relaxationsprozesse mit Zeitkonstant von ca. 94 min hat. Deshalb ist die Summe von Störstellensdichte wegen dieser am organische/anorganische Grenze plus dieser dass die elektrisches Felds am die organische Halbleiter induziert.

Topic of the thesis is the production of unipolar digital circuits by means of mass-printing technologies. For this purpose accumulation-mode and depletion-mode field-effect transistors have been used. To realize depletion-mode field-effect transistors charges are injected and stored in the gate-dielectric. Consequently, the charge transport on the semiconductor-dielectric interface is influenced and the threshold voltage can be controlled. To inject charges into the dielectric different technologies have been used and will be discussed in terms of their process parameters. Finally, fully-printed digital circuits with enhanced performance are introduced. / Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die drucktechnische Herstellung von unipolaren digitalen Schaltungen durch eine Kombination von organischen Feldeekttransistoren vom Anreicherungs- und Verarmungstyp. Zur Realisierung von Transistoren vom Verarmungstyp werden Überschussladung in den Gate- Isolator eingebracht und gespeichert, wodurch der Ladungstransport im Transistorkanal insbesondere die Schwellspannung beeinflusst wird. Es werden verschiedene Aufladungstechnologien und deren Prozessparameter diskutiert. Abschließend werden vollständig mit Massendruckverfahren prozessierte, digitale Schaltungen mit verbesserter Signalübertragungscharakteristik vorgestellt.

Elektronische Bauteile aus organischen Halbleitern stellen höchste Anforderungen an die Qualität der Verkapselung, die sie vor eindringenden Wasser- und Luftmolekülen schützt. Gleichzeitig soll diese preiswert und mechanisch flexibel sein. Diese Arbeit realisiert Aluminium-Mehrschichtsysteme als wirkungsvolle, biegsame und einfache Verkapselung. Es werden verschiedene Herstellungsmethoden und Zwischenschichtmaterialien untersucht, wobei die Barrierelamination als überlegenes Verfahren etabliert wird. Verkapselungssysteme werden mittels optischer Untersuchung und mit dem elektrischen Calciumtest auf ihre Güte geprüft, bevor sie in Solarzellenalterungsexperimenten unter realitätsnahen Bedingungen zur Anwendung kommen. Laminationsbarrieren aus Aluminiumdünnschichten zeigen reproduzierbar Wasserdampfdurchtrittsraten im unteren 10^(-4) g(H2O)/m^2/Tag-Bereich unter beschleunigten Permeationsbedingungen. Sie verlängern die T(50)-Lebensdauer von Solarzellen um einen Faktor 50 gegenüber unverkapselten Zellen auf Werte, die mit starrer Glas- oder zeitaufwendiger ALD-Verkapselung vergleichbar sind.:1. Einleitung 2. Grundlagen 2.1. Organische Halbleiter 2.2. Organische Photovoltaik 2.2.1. Aufbau und Funktion 2.2.2. Charakterisierung 2.3. Degradationsmechanismen in organischer Photovoltaik 2.3.1. Intrinsische Degradation 2.3.2. Extrinsische Degradation 2.4. Permeationsbarrieren 2.4.1. Wasserdampftransmissionsrate 2.4.2. Permeationsmechanismen 2.5. Vakuumabscheidung 2.5.1. Thermische Vakuumabscheidung 2.5.2. Dünnschichtwachstum 2.6. Calciumtest 2.6.1. Allgemeiner Aufbau 2.6.2. Mögliche Fehlerquellen beim Calciumtest 2.6.3. Optischer Calciumtest 2.6.4. Elektrischer Calciumtest 3. Experimentelle Methoden und Geräte 3.1. Substrate 3.2. Vakuumverdampfung 3.2.1. Evaporation System Königbau 3.2.2. Lesker-Verdampfungsanlage 3.3. Lamination 3.3.1. Epoxidharz Araldite 2011 3.3.2. Barrierekleber Tesa SE 3.3.3. Barrierekleber BK4a Fraunhofer 3.4. Elektrischer Calciumtest 3.4.1. Probenaufbau 3.4.2. Messapparatur 3.5. Solarzellencharakterisierung 3.5.1. Externe Quanteneffizienz 3.5.2. Strom-Spannungskennlinien 3.6. Klimaschrank 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1. Defektradius von Aluminiumbarrieren 4.2. Keimschichten 4.3. Multilagenbarrieren 4.3.1. Vakuumprozessierte Zwischenschichten 4.3.2. Laminationsbarrieren 4.4. Integration von Calcium als Wasserfangstoff 4.5. Solarzellenalterung 4.5.1. Vergleich der Glasverkapselten Proben 4.5.2. Vergleich der Verkapselungstechniken 4.5.3. Vergleich der unverkapselten Proben: MoO3-, Cu-, Cr-Schichten 4.5.4. Degradation der Epoxidharzproben 4.5.5. Wirkungsgrad und Degradation der ALD-Proben 4.6. Vollflexible Solarzellen mit Laminationsbarriere 5. Zusammenfassung und Ausblick A. Anhang A.1. Abkürzungsverzeichnis A.2. Häufige Formelzeichen / Organic electronic devices require excellent encapsulation to protect them from intruding water- and air-molecules. At the same time, the encapsulation has to be inexpensive and flexible. This work presents aluminum multilayer barriers as highly effective, flexible and low-cost encapsulation. Various production methods and interlayer materials are investigated and barrier-lamination is established as superior process. Encapsulation systems are evaluated optically and by means of the electrical calcium-test, before they are employed in realistic solar cell aging experiments. Lamination-barriers of thin aluminum films show reproducible water-vapor transmission rates in the low 10^(-4) g(H2O)/m^2/day-range under accelerated permeation conditions. They improve the T(50)-lifetime of solar cells by a factor of 50 compared to unencapsulated cells, reaching values on par with rigid glass encapsulation or time-consuming atomic layer deposition.:1. Einleitung 2. Grundlagen 2.1. Organische Halbleiter 2.2. Organische Photovoltaik 2.2.1. Aufbau und Funktion 2.2.2. Charakterisierung 2.3. Degradationsmechanismen in organischer Photovoltaik 2.3.1. Intrinsische Degradation 2.3.2. Extrinsische Degradation 2.4. Permeationsbarrieren 2.4.1. Wasserdampftransmissionsrate 2.4.2. Permeationsmechanismen 2.5. Vakuumabscheidung 2.5.1. Thermische Vakuumabscheidung 2.5.2. Dünnschichtwachstum 2.6. Calciumtest 2.6.1. Allgemeiner Aufbau 2.6.2. Mögliche Fehlerquellen beim Calciumtest 2.6.3. Optischer Calciumtest 2.6.4. Elektrischer Calciumtest 3. Experimentelle Methoden und Geräte 3.1. Substrate 3.2. Vakuumverdampfung 3.2.1. Evaporation System Königbau 3.2.2. Lesker-Verdampfungsanlage 3.3. Lamination 3.3.1. Epoxidharz Araldite 2011 3.3.2. Barrierekleber Tesa SE 3.3.3. Barrierekleber BK4a Fraunhofer 3.4. Elektrischer Calciumtest 3.4.1. Probenaufbau 3.4.2. Messapparatur 3.5. Solarzellencharakterisierung 3.5.1. Externe Quanteneffizienz 3.5.2. Strom-Spannungskennlinien 3.6. Klimaschrank 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1. Defektradius von Aluminiumbarrieren 4.2. Keimschichten 4.3. Multilagenbarrieren 4.3.1. Vakuumprozessierte Zwischenschichten 4.3.2. Laminationsbarrieren 4.4. Integration von Calcium als Wasserfangstoff 4.5. Solarzellenalterung 4.5.1. Vergleich der Glasverkapselten Proben 4.5.2. Vergleich der Verkapselungstechniken 4.5.3. Vergleich der unverkapselten Proben: MoO3-, Cu-, Cr-Schichten 4.5.4. Degradation der Epoxidharzproben 4.5.5. Wirkungsgrad und Degradation der ALD-Proben 4.6. Vollflexible Solarzellen mit Laminationsbarriere 5. Zusammenfassung und Ausblick A. Anhang A.1. Abkürzungsverzeichnis A.2. Häufige Formelzeichen

Over the last decades organic light-emitting diodes (OLEDs) and organic solar cells (OSCs) have gained considerable attention as efficient, flexible, lightweight, and potentially low-cost technology for lighting and display applications or as a renewable energy source, respectively. However, achieving long-term stability remains challenging. Revealing and understanding aging processes is therefore of great interest. This work presents fundamental investigations to understand and circumvent organic device degradation. In the first part, single materials used in organic devices were investigated. By tailoring an attenuated total reflection infrared (ATR-IR) spectrometer to the specific needs and subsequent measurements, it is shown that the tris(8-hydroxyquinoline)aluminum (Alq3) molecule, a well known fluorescent green emitter, degrades during air exposure by the formation of carbonyl groups. By using a laser desorption/ionization time of flight mass spectrometer (LDI-TOF-MS) it was shown that a,w-bis-(dicyanovinylen)-sexithiophen (DCV6T-Bu4), a well known small-molecule material which is used as part of the active layer, reacts with oxygen during ultraviolet (UV) irradiation. By using climate boxes and a sun simulator the impact of dry and humid air as well as sunlight on C60, a widely-used acceptor molecule in organic solar cells, was investigated. The breaking of the C60 cage to C58 and C56 and the further reaction of these components with oxygen as well as the dimerization of C58 and C56 molecules were found. The degradation products such as C58O increase with air exposure time but they are independent of the humidity level of the ambient air as well as sunlight irradiation. Subsequent annealing leads to a decrease of the C58O concentration. Many efficient n-dopants are prone to degradation in air, due to the low ionization potentials, thereby limiting the processing conditions. It was found that the air exposure of the highly efficient n-dopant tetrakis(1,3,4,6,7,8-hexahydro-2H-pyrimido[1,2-a]pyrimidinato)ditungsten(II) (W2(hpp)4) leads to oxidation reactions of the molecule to [W(hpp)2 + O] and other degradation products. The decay constant of W2(hpp)4 and the matching mean growth time of the [W(hpp)2 + O] degradation as well as a second very quick degradation of the dopant could be determined. The two decay constants can be explained by the assumption that W2(hpp)4 molecules, which are involved in the charge transfer, do degrade slower due to the fact that the charge transfer leads to a downshift of the energy levels of the W2(hpp)4 molecule. Apart from the properties of the organic materials, other effects such as the impact of different purification systems on the material purity as well as the dependence of material purity on the OLED lifetime has been investigated. No correlations between the purification grade and the amount of impurities were found. OLEDs which contain N,N\'-di(naphthalen-1-yl)-N,N\'-diphenyl-benzidine (alpha-NPD) purified in a vertically interlaced stainless steel sublimation systems shows slightly higher external quantum efficiencies compared to tube-based vacuum sublimation systems. The devices which contain alpha-NPD purified by a sublimation system have an extended lifetime. Finally, the impact of residual gases during device fabrication on OLED lifetime and electrical characteristics was investigated. It was found that water vapor introduces an additional series resistance to the OLED, while the other gases do not influence the electric characteristics. The presence of nitrogen or oxygen impacts the lifetime of the OLEDs by the same amount. Nitrogen is non-reactive, this leads to the conclusion that the influence of nitrogen and oxygen on the OLED lifetime is of non-chemical nature, such as changes in the morphology of the organic layers. Water vapor introduces an additional, even faster degradation process within the first hours of OLED operation. As major sources of device degradation, the dimerization of 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BPhen) as well as the complexation reaction of alpha-NPD with a bis(1-phenylisoquinoline)iridium(III) (Ir(piq)2) fragment was identified.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung von Technologien und Prozessen, welche die Marktakzeptanz organischer Leuchtdioden (OLED) durch Steigerung der Effizienz und Leuchtdichtehomogenität erhöhen. Dazu werden die Fertigungskosten durch neuartige Herstellungsverfahren reduziert und die Realisierung von effizienten, großflächigen (> 300×300 mm2) und homogen leuchtenden OLED-Modulen in beliebiger Modulform ermöglicht. Um dies zu erreichen, wurden folgende drei Ansätze verfolgt: 1. Die Optimierung der Strukturierung dünner Schichten bei Substraten für die organische Elektronik unter Verwendung der Technologien Siebdruck und Laserablation. Es werden neuartige Druckpasten auf ihre Eigenschaften hin untersucht und deren Eignung für die Substratstrukturierung bei OLEDs mittels Testmodulen elektro-optisch charakterisiert. Weiterhin steht die Verringerung der parasitären Leckströme durch einen optimierten Laserablationsprozess zur Grundelektrodenstrukturierung und einer Variation der Dicke der Löchertransportschicht im Fokus. 2. Die Realisierung einer schattenmasken- und photolithografiefreien seriellen elektrischen Verschaltung von mehreren kleinen OLED-Segmenten zu einem großen Gesamtmodul. Dazu werden ein Verfahren für die Erzeugung einer elektrischen Verbindung zwischen Top- und Grundelektrode sowie zwei hochinnovative Verfahren zur Separation einer vollflächig abgeschiedenen Topelektrode entwickelt und auf ihre Eignung hin validiert. 3. Die Verbesserung der Lichtauskopplung aus OLED-Modulen mittels einer modulinternen Streuschicht. Es werden fünf unterschiedliche Streupartikelarten und zwei Matrixmaterialien untersucht und deren Auswirkungen auf die Lichtauskopplung anhand von OLED-Testmodulen charakterisiert. Die entwickelten Verfahren und Prozessen basieren auf den Technologien Siebdruck und Laserablation, sind explizit für die Fertigung flexibler Module auf Basis von Trägermaterialien wie Dünnglas oder Polymerfolien sowie einem Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren geeignet und können direkt in eine großserientechnische Herstellung von OLED-Modulen überführt werden. / The focus of this work is upon the development of technologies and processes to increase the efficiency and brightness homogeneity of organic light-emitting diodes (OLEDs) in order to improve their market acceptance. Additionally, manufacturing costs will be reduced by adopting the new processes and it will be shown that the production of efficient, large-area (up to 300 × 300 mm2) and uniformly bright OLED modules of an arbitrary shape is possible. To achieve this, three approaches were followed: 1. The optimization of the structuring of thin layers on substrates for organic electronics using screen printing and laser ablation. To achieve this, the properties of novel printing pastes were determined, and their suitability for structuring substrates was assessed using results from the electro-optical characterization of test modules. Furthermore, the parasitic leakage current was minimized by optimizing the laser ablation process used for the structuring of the bottom electrode, together with the thickness of the hole transport layer. 2. The electrical connection in series of several small OLED segments to make a larger module without the need for shadow masks or photolithographic processes was studied. This included the development of a technique to connect the top and bottom electrodes, as well as two highly innovative methods to produce a completely separated top electrode using structuring by laser ablation. The suitability of these methods for OLED production was confirmed. 3. A scattering layer within the modules was developed to improve the light outcoupling. Five types of scattering particle in two different matrix materials were examined, and the effects of the resulting scattering layer on the outcoupling from an OLED test module were characterized. The newly developed processes make use of screen printing and laser ablation and are thus well suited to the production of flexible OLED modules using support materials such as thin glass or polymer foils with roll-to-roll processing. Accordingly, such technologies could readily be transferred to the large volume production of OLED modules.

Herein, we demonstrate a novel one-pot synthetic method towards a series of boron-doped polycyclic aromatic hydrocarbons (B-PAHs, 1 a–1 o), including hitherto unknown B-doped zethrene derivatives, from ortho-aryl substituted diarylalkynes with high atom efficiency and broad substrate scopes. A reaction mechanism is proposed based on the experimental investigation together with the theoretical calculations, which involves a unique 1,4-boron migration process. The resultant benchtop-stable B-PAHs are thoroughly investigated by X-ray crystallography, cyclic voltammetry, UV/Vis absorption, and fluorescence spectroscopies. The blue and green organic light-emitting diode (OLED) devices based on 1 f and 1 k are further fabricated, demonstrating the promising application potential of B-PAHs in organic optoelectronics.

The rapidly increasing power conversion efficiencies (PCEs) of organic solar cells (OSCs) above 10% were made possible by concerted international research activities in the last few years, aiming to understand the processes that lead to the generation of free charge carriers following photon absorption. Despite these efforts, many details are still unknown, especially how these processes can be improved already at the drawing board of molecular design. To unveil this information, dicyanovinyl end-capped oligothiophene derivatives (DCVnTs) are used as a model system in this thesis, allowing to investigate the impact of small structural changes on the molecular properties and the final solar cells. On thin films of a methylated DCV4T derivative, the influence of the measurement temperature on the charge carrier generation process is investigated. The observed temperature activation in photoinduced absorption (PIA) measurements is attributed to an increased charge carrier mobility, increasing the distance between the charges at the donor/acceptor (D/A) interface and, thus, facilitating their final dissociation. The correlation between the activation energy and the mobility is confirmed using a DCV6T derivative with lower mobility , exhibiting a higher activation energy for charge carrier generation. Another parameter to influence the charge carrier generation process is the molecular structure. Here, alkyl side chains with varying length are introduced and their influence on the intramolecular energy levels as well as the absorption and emission properties in pristine and blend films with the acceptor C60 are examined. The observed differences in intermolecular order (higher order for shorter side chains) and phase separation in blend layers (larger phase separation for shorter side chains) are confirmed in PIA measurements upon comparing the temperature dependence of the triplet exciton lifetimes. A proposed correlation between the side chain length and the coupling between D and A, which is crucial for efficient charge transfer, is not confirmed. The presented flat heterojunction solar cells underline this conclusion, giving similar photocurrent densities for all compounds. Differences in PCE are related to shifts of the energy levels and the morphology of the blend layer in bulk heterojunction devices. Furthermore, the impact of the electric field on the charge carrier generation yield is investigated in a proof-of-principle study, introducing PIA measurements in transmission geometry realized using semitransparent solar cells. The recombination analysis of the photogenerated charge carriers reveals two recombination components. Trapped charge carriers or bound charge pairs at the D/A interface are proposed as an explanation for this result. The miscibility of D and A, which can be influenced by heating the substrate during layer deposition, is of crucial importance to obtain high PCEs. In this work, the unusual negative influence of the substrate temperature on DCV4T:C60 blend layers in solar cells is investigated. By using optical measurements and structure determination tools, a rearrangement of the DCV4T crystallites is found to be responsible for the reduced absorption and, therefore, photocurrent at higher substrate temperature. The proposed blend morphology at a substrate temperature of 90° C is characterized by a nearly complete demixing of the D and A phases. This investigation is of particular relevance, because it shows the microscopic origins of a behavior that is contrary to the increase of the PCE upon substrate heating usually reported in literature. Finally, the optimization steps to achieve a record PCE of 7.7% using a DCV5T derivative as donor material are presented, including the optimization of the substrate temperature, the active layer thickness, and the transport layers. / Der rasante Anstieg des Wirkungsgrads von organischen Solarzellen über die Marke von 10% war nur durch länderübergreifende Forschungsaktivitäten während der letzten Jahre möglich. Trotz der gemeinsamen Anstrengungen, die Prozesse, die zwischen der Absorption der Photonen und der Ladungsträgererzeugung liegen, genauer zu verstehen, sind einige Fragen jedoch immer noch ungelöst, z.B. wie diese Prozesse schon auf dem Reißbrett durch die gezielte Änderung bestimmter Molekülstrukturen optimiert werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, werden in dieser Arbeit Dicyanovinyl-substituierte Oligothiophene (DCVnTs) verwendet. Diese Materialien bieten die Möglichkeit, kleine strukturelle Änderungen vorzunehmen, deren Einfluss auf die molekularen und auf die Solarzelleneigenschaften untersucht werden soll. Der Einfluss der Messtemperatur auf den Prozess der Ladungsträgertrennung wird hier an einer methylierten DCV4T-Verbindung in einer dünnen Schicht untersucht. Die bei photoinduzierter Absorptionsspektroskopie (PIA) beobachtete Aktivierung dieses Prozesses mit zunehmender Temperatur wird auf eine erhöhte Ladungsträgerbeweglichkeit zurückgeführt. Der dadurch erhöhte effektive Abstand der Ladungen an der Grenzfläche zwischen Donator (D) und Akzeptor (A) erleichtert die endgültige Trennung der Ladungsträger. Durch den Vergleich mit einer DCV6T-Verbindung wird der Zusammenhang zwischen der Aktivierungsenergie und der Beweglichkeit bekräftigt. Die kleinere Beweglichkeit äußert sich dabei in einer größeren Aktivierungsenergie. Darüber hinaus kann der Ladungsträgergenerationsprozess auch von der Molekülstruktur abhängen. In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich die Länge von Alkylseitenketten auf die Energieniveaus der Moleküle, aber auch auf die Absorptions- und Lumineszenzeigenschaften der Materialien in reinen und in Mischschichten mit dem Akzeptor C60 äußert. Die ermittelten Unterschiede bezüglich der Molekülordnung (geordneter für kürzere Seitenketten) und der Phasengrößen in Mischschichten (größere Phasen bei kürzerer Kettenlänge) werden in der Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Lebensdauer von Triplettexzitonen mittels PIA-Messungen bestätigt. Für Solarzellen ist von Bedeutung, ob sich die Seitenkettenlänge auf die Wechselwirkung zwischen D und A auswirkt. Der vermutete Zusammenhang wird hier nicht bestätigt. Ein ähnlicher Photostrom für alle untersuchten Verbindungen in Solarzellen mit planaren Heteroübergängen unterstreicht diese Schlussfolgerung. Unterschiede im Wirkungsgrad werden auf Änderungen der Energieniveaus und die Morphologie in Mischschichtsolarzellen zurückgeführt. Des Weiteren wird in einer Machbarkeitsstudie der Einfluss des elektrischen Felds auf die Generationsausbeute freier Ladungsträger untersucht. Dafür werden halbtransparente Solarzellen verwendet, die es ermöglichen, PIA-Messungen in Transmissionsgeometrie durchzuführen. Als mögliche Erklärung für das Auftreten zweier Rekombinationskomponenten in der Analyse des Rekombinationsverhaltens der durch Licht erzeugten Ladungsträger werden eingefangene Ladungsträger und gebundene Ladungsträgerpaare an der D/A-Grenzfläche genannt. Das Mischverhalten von D und A kann durch ein Heizen des Substrates während des Verdampfungsprozesses eingestellt werden, was von entscheidender Bedeutung für eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades ist. Für DCV4T:C60-Mischschichtsolarzellen wird jedoch eine Verschlechterung des Wirkungsgrads zu höheren Substrattemperaturen beobachtet. Durch optische Messungen und Methoden zur Schichtstrukturbestimmung wird dieser Effekt auf eine Umordnung der DCV4T-Kristallite für hohe Substrattemperaturen und die damit verbundene Verringerung der Absorption und damit auch des Photostroms zurückgeführt. Bei einer Substrattemperatur von 90° C sind die D- und A-Komponenten fast vollständig entmischt. Dieses Beispiel ist von besonderer Bedeutung, weil hier die Ursachen für ein Verhalten aufgezeigt werden, das entgegen den Beispielen aus der Literatur eine Abnahme des Wirkungsgrads beim Aufdampfen der aktiven Schicht auf ein geheiztes Substrat zeigt. Schließlich werden die Optimierungsschritte dargelegt, mit denen Solarzellen mit einer DCV5T-Verbindung als Donatormaterial auf einen Rekordwirkungsgrad von 7,7% gebracht werden. Dabei wird die Substrattemperatur, die Dicke der aktiven Schicht und die Transportschichten angepasst.

We report on the detailed electrical investigation of all-inkjet-printed thin-film transistor (TFT) arrays focusing on TFT failures and their origins. The TFT arrays were manufactured on flexible polymer substrates in ambient condition without the need for cleanroom environment or inert atmosphere and at a maximum temperature of 150 °C. Alternative manufacturing processes for electronic devices such as inkjet printing suffer from lower accuracy compared to traditional microelectronic manufacturing methods. Furthermore, usually printing methods do not allow the manufacturing of electronic devices with high yield (high number of functional devices). In general, the manufacturing yield is much lower compared to the established conventional manufacturing methods based on lithography. Thus, the focus of this contribution is set on a comprehensive analysis of defective TFTs printed by inkjet technology. Based on root cause analysis, we present the defects by developing failure categories and discuss the reasons for the defects. This procedure identifies failure origins and allows the optimization of the manufacturing resulting finally to a yield improvement.

The rapidly increasing power conversion efficiencies (PCEs) of organic solar cells (OSCs) above 10% were made possible by concerted international research activities in the last few years, aiming to understand the processes that lead to the generation of free charge carriers following photon absorption. Despite these efforts, many details are still unknown, especially how these processes can be improved already at the drawing board of molecular design. To unveil this information, dicyanovinyl end-capped oligothiophene derivatives (DCVnTs) are used as a model system in this thesis, allowing to investigate the impact of small structural changes on the molecular properties and the final solar cells. On thin films of a methylated DCV4T derivative, the influence of the measurement temperature on the charge carrier generation process is investigated. The observed temperature activation in photoinduced absorption (PIA) measurements is attributed to an increased charge carrier mobility, increasing the distance between the charges at the donor/acceptor (D/A) interface and, thus, facilitating their final dissociation. The correlation between the activation energy and the mobility is confirmed using a DCV6T derivative with lower mobility , exhibiting a higher activation energy for charge carrier generation. Another parameter to influence the charge carrier generation process is the molecular structure. Here, alkyl side chains with varying length are introduced and their influence on the intramolecular energy levels as well as the absorption and emission properties in pristine and blend films with the acceptor C60 are examined. The observed differences in intermolecular order (higher order for shorter side chains) and phase separation in blend layers (larger phase separation for shorter side chains) are confirmed in PIA measurements upon comparing the temperature dependence of the triplet exciton lifetimes. A proposed correlation between the side chain length and the coupling between D and A, which is crucial for efficient charge transfer, is not confirmed. The presented flat heterojunction solar cells underline this conclusion, giving similar photocurrent densities for all compounds. Differences in PCE are related to shifts of the energy levels and the morphology of the blend layer in bulk heterojunction devices. Furthermore, the impact of the electric field on the charge carrier generation yield is investigated in a proof-of-principle study, introducing PIA measurements in transmission geometry realized using semitransparent solar cells. The recombination analysis of the photogenerated charge carriers reveals two recombination components. Trapped charge carriers or bound charge pairs at the D/A interface are proposed as an explanation for this result. The miscibility of D and A, which can be influenced by heating the substrate during layer deposition, is of crucial importance to obtain high PCEs. In this work, the unusual negative influence of the substrate temperature on DCV4T:C60 blend layers in solar cells is investigated. By using optical measurements and structure determination tools, a rearrangement of the DCV4T crystallites is found to be responsible for the reduced absorption and, therefore, photocurrent at higher substrate temperature. The proposed blend morphology at a substrate temperature of 90° C is characterized by a nearly complete demixing of the D and A phases. This investigation is of particular relevance, because it shows the microscopic origins of a behavior that is contrary to the increase of the PCE upon substrate heating usually reported in literature. Finally, the optimization steps to achieve a record PCE of 7.7% using a DCV5T derivative as donor material are presented, including the optimization of the substrate temperature, the active layer thickness, and the transport layers.:Abstract - Kurzfassung Publications Contents 1 Introduction 2 Elementary Processes in Organic Semiconductors 2.1 Introduction 2.2 Optical Excitations in Organic Materials 2.2.1 Introduction 2.2.2 Radiative Processes: Absorption and Emission 2.2.3 Non-radiative Relaxation Processes 2.2.4 Triplet Excitons and Intersystem Crossing 2.3 Polarization Effects and Disorder 2.4 Transport Processes in Disordered Organic Materials 2.4.1 Charge Transport 2.4.1.1 The Bässler Model 2.4.1.2 Marcus Theory for Electron Transfer 2.4.1.3 Small Polaron Model 2.4.1.4 Functional Dependencies of the Charge Carrier Mobility 2.4.2 Diffusive Motion 2.4.3 Exciton Transfer Mechanisms 2.4.4 Characteristics of Exciton Diffusion 2.5 Charge Photogeneration in Pristine Materials 3 Organic Photovoltaics 3.1 General Introduction to Solar Cell Physics 3.2 Introduction to the Donor/Acceptor Heterojunction Concept 3.3 The Open-Circuit Voltage in Organic Solar Cells 3.4 Doping of Organic Semiconductors 3.5 Introduction to the p-i-n Concept 3.6 Charge Transfer Excitons in Donor/Acceptor Heterojunction Systems 3.6.1 Introduction 3.6.2 Verification of Charge Transfer Excitons in Donor/Acceptor Systems 3.7 The Process Cascade for Free Charge Carrier Generation in Donor/Acceptor Heterojunction Systems 3.7.1 The Initial Charge Transfer Step 3.7.2 The Binding Energy of the Charge Transfer Exciton 3.7.3 \"Hot\" Charge Transfer Exciton Dissociation 3.7.4 \"Cold\" Charge Transfer Exciton Dissociation 3.7.5 Supposed Influence Factors on Charge Transfer Exciton Dissociation 3.7.6 Recombination Pathways for Charge Transfer Excitons 3.7.7 Free Charge Carrier Formation and Recombination 4 Experimental Methods 4.1 Sample Preparation 4.2 Material Characterization Methods 4.2.1 Optical Characterization 4.2.2 Cyclic Voltammetry 4.2.3 Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy 4.2.4 Atomic Force Microscopy 4.2.5 Grazing Incidence X-Ray Diffraction 4.2.6 Organic Field-Effect Transistor 4.3 Photoinduced Absorption Spectroscopy 4.3.1 Introduction 4.3.2 Derivation of the PIA Signal 4.3.3 Recombination Dynamics 4.3.4 Intensity Dependence of the PIA Signal 4.4 Solar Cell Characterization 4.4.1 External Quantum Efficiency 4.4.2 Spectral Mismatch Correction 4.4.3 Current-Voltage Characteristics 4.4.4 Optical Device Simulations 4.4.5 Optical Device Transmission Measurements 5 The Oligothiophene Material System 5.1 Introduction 5.2 Thermal Stability 5.3 Energy Levels 5.4 Optical Properties of the Pristine Materials 5.5 The Donor/Acceptor Couple: DCVnT and C60 5.6 Solar Cell Devices 5.7 Summary 6 Temperature Dependence of Charge Carrier Generation 6.1 Introduction 6.2 Principal Introduction to the PIA Measurements 6.2.1 Interpretation of the Spectra 6.2.2 Interpretation of the Frequency Scans 6.3 Temperature Dependence of the Spectra 6.4 Discussion of the Temperature Dependent Processes in the Blend Layer 6.5 Temperature Activated Free Charge Carrier Generation 6.5.1 Evaluation of the Activation Energy for the DCV4T-Me:C60 Blend 6.5.2 Comparison to a Sexithiophene Derivative (DCV6T-Me) 6.6 Summary 7 Side Chain Investigation on Quaterthiophene Derivatives 7.1 Energy Levels 7.2 Optical Properties 7.2.1 Solution and Pristine Films 7.2.2 Mixed Films with C60 7.3 Influence of the Side Chain Length on the Intermolecular Coupling 7.3.1 PIA Spectra of Pristine and Blend Layers at 10K 7.3.2 Recombination Analysis for Pristine and Blend Films at 10K 7.4 The Influence of the Side Chain Length on the Offset Charge Carrier Generation Rate at Low Temperature 7.5 In the High-Temperature Limit: Implications for Solar Cell Devices 7.5.1 PIA Spectra in Pristine and Blend Films at 200K 7.5.2 Recombination Analysis: Triplet Excitons and Free Charge Carriers 7.6 Solar Cells 7.6.1 Flat Heterojunction Devices 7.6.2 Bulk Heterojunction Devices 7.7 Summary 8 Electric-Field Dependent PIA Measurements on Complete Solar Cell Devices 8.1 Introduction 8.2 Semitransparent Organic Solar Cells 8.3 Photoinduced Absorption Measurements 8.4 Summary and Outlook 9 The Effect of Substrate Heating During Layer Deposition on the Performance of DCV4T:C60 BHJ Solar Cells 9.1 Introduction 9.2 The Importance of Morphology Control for BHJ Solar Cells 9.3 The Impact of Substrate Heating on DCV4T:C60 BHJ Solar Cells 9.4 Absorption and Photoluminescence 9.5 Topographical Investigations (AFM) 9.6 X-ray Investigations 9.6.1 1D GIXRD Measurements 9.6.2 2D GIXRD Measurements 9.7 Proposed Morphological Picture and Confirmation Measurements 9.7.1 Morphology Sketch of the DCV4T:C60 Blend Layer 9.7.2 Confirmation Measurements 9.8 The Equivalence of Temperature and Time 9.9 Summary 10 Record Solar Cells Using DCV5T-Me33 as Donor Material 10.1 Introduction 10.2 The Influence of the Substrate Temperature 10.3 Determination of the Optical Constants 10.4 Stack Optimization 10.5 Summary and Outlook 11 Conclusions and Outlook 11.1 Summary of the Photophysical Investigations 11.2 Summary of Device Investigations 11.3 Future Challenges Appendix A Detailed Description of the Experimental Setup for PIA Spectroscopy Appendix B Determination of the Triplet Level by Differential PL Measurements Appendix C Additional Tables and Figures Appendix D Reproducibility of the Solar Cell Results (Statistics) Appendix E Lists Bibliography Acknowledgments / Der rasante Anstieg des Wirkungsgrads von organischen Solarzellen über die Marke von 10% war nur durch länderübergreifende Forschungsaktivitäten während der letzten Jahre möglich. Trotz der gemeinsamen Anstrengungen, die Prozesse, die zwischen der Absorption der Photonen und der Ladungsträgererzeugung liegen, genauer zu verstehen, sind einige Fragen jedoch immer noch ungelöst, z.B. wie diese Prozesse schon auf dem Reißbrett durch die gezielte Änderung bestimmter Molekülstrukturen optimiert werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, werden in dieser Arbeit Dicyanovinyl-substituierte Oligothiophene (DCVnTs) verwendet. Diese Materialien bieten die Möglichkeit, kleine strukturelle Änderungen vorzunehmen, deren Einfluss auf die molekularen und auf die Solarzelleneigenschaften untersucht werden soll. Der Einfluss der Messtemperatur auf den Prozess der Ladungsträgertrennung wird hier an einer methylierten DCV4T-Verbindung in einer dünnen Schicht untersucht. Die bei photoinduzierter Absorptionsspektroskopie (PIA) beobachtete Aktivierung dieses Prozesses mit zunehmender Temperatur wird auf eine erhöhte Ladungsträgerbeweglichkeit zurückgeführt. Der dadurch erhöhte effektive Abstand der Ladungen an der Grenzfläche zwischen Donator (D) und Akzeptor (A) erleichtert die endgültige Trennung der Ladungsträger. Durch den Vergleich mit einer DCV6T-Verbindung wird der Zusammenhang zwischen der Aktivierungsenergie und der Beweglichkeit bekräftigt. Die kleinere Beweglichkeit äußert sich dabei in einer größeren Aktivierungsenergie. Darüber hinaus kann der Ladungsträgergenerationsprozess auch von der Molekülstruktur abhängen. In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich die Länge von Alkylseitenketten auf die Energieniveaus der Moleküle, aber auch auf die Absorptions- und Lumineszenzeigenschaften der Materialien in reinen und in Mischschichten mit dem Akzeptor C60 äußert. Die ermittelten Unterschiede bezüglich der Molekülordnung (geordneter für kürzere Seitenketten) und der Phasengrößen in Mischschichten (größere Phasen bei kürzerer Kettenlänge) werden in der Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Lebensdauer von Triplettexzitonen mittels PIA-Messungen bestätigt. Für Solarzellen ist von Bedeutung, ob sich die Seitenkettenlänge auf die Wechselwirkung zwischen D und A auswirkt. Der vermutete Zusammenhang wird hier nicht bestätigt. Ein ähnlicher Photostrom für alle untersuchten Verbindungen in Solarzellen mit planaren Heteroübergängen unterstreicht diese Schlussfolgerung. Unterschiede im Wirkungsgrad werden auf Änderungen der Energieniveaus und die Morphologie in Mischschichtsolarzellen zurückgeführt. Des Weiteren wird in einer Machbarkeitsstudie der Einfluss des elektrischen Felds auf die Generationsausbeute freier Ladungsträger untersucht. Dafür werden halbtransparente Solarzellen verwendet, die es ermöglichen, PIA-Messungen in Transmissionsgeometrie durchzuführen. Als mögliche Erklärung für das Auftreten zweier Rekombinationskomponenten in der Analyse des Rekombinationsverhaltens der durch Licht erzeugten Ladungsträger werden eingefangene Ladungsträger und gebundene Ladungsträgerpaare an der D/A-Grenzfläche genannt. Das Mischverhalten von D und A kann durch ein Heizen des Substrates während des Verdampfungsprozesses eingestellt werden, was von entscheidender Bedeutung für eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades ist. Für DCV4T:C60-Mischschichtsolarzellen wird jedoch eine Verschlechterung des Wirkungsgrads zu höheren Substrattemperaturen beobachtet. Durch optische Messungen und Methoden zur Schichtstrukturbestimmung wird dieser Effekt auf eine Umordnung der DCV4T-Kristallite für hohe Substrattemperaturen und die damit verbundene Verringerung der Absorption und damit auch des Photostroms zurückgeführt. Bei einer Substrattemperatur von 90° C sind die D- und A-Komponenten fast vollständig entmischt. Dieses Beispiel ist von besonderer Bedeutung, weil hier die Ursachen für ein Verhalten aufgezeigt werden, das entgegen den Beispielen aus der Literatur eine Abnahme des Wirkungsgrads beim Aufdampfen der aktiven Schicht auf ein geheiztes Substrat zeigt. Schließlich werden die Optimierungsschritte dargelegt, mit denen Solarzellen mit einer DCV5T-Verbindung als Donatormaterial auf einen Rekordwirkungsgrad von 7,7% gebracht werden. Dabei wird die Substrattemperatur, die Dicke der aktiven Schicht und die Transportschichten angepasst.:Abstract - Kurzfassung Publications Contents 1 Introduction 2 Elementary Processes in Organic Semiconductors 2.1 Introduction 2.2 Optical Excitations in Organic Materials 2.2.1 Introduction 2.2.2 Radiative Processes: Absorption and Emission 2.2.3 Non-radiative Relaxation Processes 2.2.4 Triplet Excitons and Intersystem Crossing 2.3 Polarization Effects and Disorder 2.4 Transport Processes in Disordered Organic Materials 2.4.1 Charge Transport 2.4.1.1 The Bässler Model 2.4.1.2 Marcus Theory for Electron Transfer 2.4.1.3 Small Polaron Model 2.4.1.4 Functional Dependencies of the Charge Carrier Mobility 2.4.2 Diffusive Motion 2.4.3 Exciton Transfer Mechanisms 2.4.4 Characteristics of Exciton Diffusion 2.5 Charge Photogeneration in Pristine Materials 3 Organic Photovoltaics 3.1 General Introduction to Solar Cell Physics 3.2 Introduction to the Donor/Acceptor Heterojunction Concept 3.3 The Open-Circuit Voltage in Organic Solar Cells 3.4 Doping of Organic Semiconductors 3.5 Introduction to the p-i-n Concept 3.6 Charge Transfer Excitons in Donor/Acceptor Heterojunction Systems 3.6.1 Introduction 3.6.2 Verification of Charge Transfer Excitons in Donor/Acceptor Systems 3.7 The Process Cascade for Free Charge Carrier Generation in Donor/Acceptor Heterojunction Systems 3.7.1 The Initial Charge Transfer Step 3.7.2 The Binding Energy of the Charge Transfer Exciton 3.7.3 \"Hot\" Charge Transfer Exciton Dissociation 3.7.4 \"Cold\" Charge Transfer Exciton Dissociation 3.7.5 Supposed Influence Factors on Charge Transfer Exciton Dissociation 3.7.6 Recombination Pathways for Charge Transfer Excitons 3.7.7 Free Charge Carrier Formation and Recombination 4 Experimental Methods 4.1 Sample Preparation 4.2 Material Characterization Methods 4.2.1 Optical Characterization 4.2.2 Cyclic Voltammetry 4.2.3 Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy 4.2.4 Atomic Force Microscopy 4.2.5 Grazing Incidence X-Ray Diffraction 4.2.6 Organic Field-Effect Transistor 4.3 Photoinduced Absorption Spectroscopy 4.3.1 Introduction 4.3.2 Derivation of the PIA Signal 4.3.3 Recombination Dynamics 4.3.4 Intensity Dependence of the PIA Signal 4.4 Solar Cell Characterization 4.4.1 External Quantum Efficiency 4.4.2 Spectral Mismatch Correction 4.4.3 Current-Voltage Characteristics 4.4.4 Optical Device Simulations 4.4.5 Optical Device Transmission Measurements 5 The Oligothiophene Material System 5.1 Introduction 5.2 Thermal Stability 5.3 Energy Levels 5.4 Optical Properties of the Pristine Materials 5.5 The Donor/Acceptor Couple: DCVnT and C60 5.6 Solar Cell Devices 5.7 Summary 6 Temperature Dependence of Charge Carrier Generation 6.1 Introduction 6.2 Principal Introduction to the PIA Measurements 6.2.1 Interpretation of the Spectra 6.2.2 Interpretation of the Frequency Scans 6.3 Temperature Dependence of the Spectra 6.4 Discussion of the Temperature Dependent Processes in the Blend Layer 6.5 Temperature Activated Free Charge Carrier Generation 6.5.1 Evaluation of the Activation Energy for the DCV4T-Me:C60 Blend 6.5.2 Comparison to a Sexithiophene Derivative (DCV6T-Me) 6.6 Summary 7 Side Chain Investigation on Quaterthiophene Derivatives 7.1 Energy Levels 7.2 Optical Properties 7.2.1 Solution and Pristine Films 7.2.2 Mixed Films with C60 7.3 Influence of the Side Chain Length on the Intermolecular Coupling 7.3.1 PIA Spectra of Pristine and Blend Layers at 10K 7.3.2 Recombination Analysis for Pristine and Blend Films at 10K 7.4 The Influence of the Side Chain Length on the Offset Charge Carrier Generation Rate at Low Temperature 7.5 In the High-Temperature Limit: Implications for Solar Cell Devices 7.5.1 PIA Spectra in Pristine and Blend Films at 200K 7.5.2 Recombination Analysis: Triplet Excitons and Free Charge Carriers 7.6 Solar Cells 7.6.1 Flat Heterojunction Devices 7.6.2 Bulk Heterojunction Devices 7.7 Summary 8 Electric-Field Dependent PIA Measurements on Complete Solar Cell Devices 8.1 Introduction 8.2 Semitransparent Organic Solar Cells 8.3 Photoinduced Absorption Measurements 8.4 Summary and Outlook 9 The Effect of Substrate Heating During Layer Deposition on the Performance of DCV4T:C60 BHJ Solar Cells 9.1 Introduction 9.2 The Importance of Morphology Control for BHJ Solar Cells 9.3 The Impact of Substrate Heating on DCV4T:C60 BHJ Solar Cells 9.4 Absorption and Photoluminescence 9.5 Topographical Investigations (AFM) 9.6 X-ray Investigations 9.6.1 1D GIXRD Measurements 9.6.2 2D GIXRD Measurements 9.7 Proposed Morphological Picture and Confirmation Measurements 9.7.1 Morphology Sketch of the DCV4T:C60 Blend Layer 9.7.2 Confirmation Measurements 9.8 The Equivalence of Temperature and Time 9.9 Summary 10 Record Solar Cells Using DCV5T-Me33 as Donor Material 10.1 Introduction 10.2 The Influence of the Substrate Temperature 10.3 Determination of the Optical Constants 10.4 Stack Optimization 10.5 Summary and Outlook 11 Conclusions and Outlook 11.1 Summary of the Photophysical Investigations 11.2 Summary of Device Investigations 11.3 Future Challenges Appendix A Detailed Description of the Experimental Setup for PIA Spectroscopy Appendix B Determination of the Triplet Level by Differential PL Measurements Appendix C Additional Tables and Figures Appendix D Reproducibility of the Solar Cell Results (Statistics) Appendix E Lists Bibliography Acknowledgments

Organic semiconductors are a new key technology for large-area and flexible thin-film electronics. They are deposited as thin films (sub-nanometer to micrometer) on large-area substrates. The technologically most advanced applications are organic light emitting diodes (OLEDs) and organic photovoltaics (OPV). For the improvement of performance and efficiency, correct modeling of the electronic processes in the devices is essential. Reliable characterization and validation of the electronic properties of the materials is simultaneously required for the successful optimization of devices. Furthermore, understanding the relations between material structures and their key characteristics opens the path for innovative material and device design. In this thesis, two material characterization methods are developed, respectively refined and applied: a novel technique for measuring the charge carrier mobility μ and a way to determine the ionization energy IE or the electron affinity EA of an organic semiconductor. For the mobility measurements, a new evaluation approach for space-charge limited current (SCLC) measurements in single carrier devices is developed. It is based on a layer thickness variation of the material under investigation. In the \"potential mapping\" (POEM) approach, the voltage as a function of the device thickness V(d) at a given current density is shown to coincide with the spatial distribution of the electric potential V(x) in the thickest device. On this basis, the mobility is directly obtained as function of the electric field F and the charge carrier density n. The evaluation is model-free, i.e. a model for μ(F, n) to fit the measurement data is not required, and the measurement is independent of a possible injection barrier or potential drop at non-optimal contacts. The obtained μ(F, n) function describes the effective average mobility of free and trapped charge carriers. This approach realistically describes charge transport in energetically disordered materials, where a clear differentiation between trapped and free charges is impossible or arbitrary. The measurement of IE and EA is performed by characterizing solar cells at varying temperature T. In suitably designed devices based on a bulk heterojunction (BHJ), the open-circuit voltage Voc is a linear function of T with negative slope in the whole measured range down to 180K. The extrapolation to temperature zero V0 = Voc(T → 0K) is confirmed to equal the effective gap Egeff, i.e. the difference between the EA of the acceptor and the IE of the donor. The successive variation of different components of the devices and testing their influence on V0 verifies the relation V0 = Egeff. On this basis, the IE or EA of a material can be determined in a BHJ with a material where the complementary value is known. The measurement is applied to a number of material combinations, confirming, refining, and complementing previously reported values from ultraviolet photo electron spectroscopy (UPS) and inverse photo electron spectroscopy (IPES). These measurements are applied to small molecule organic semiconductors, including mixed layers. In blends of zinc-phthalocyanine (ZnPc) and C60, the hole mobility is found to be thermally and field activated, as well as increasing with charge density. Varying the mixing ratio, the hole mobility is found to increase with increasing ZnPc content, while the effective gap stays unchanged. A number of further materials and material blends are characterized with respect to hole and electron mobility and the effective gap, including highly diluted donor blends, which have been little investigated before. In all materials, a pronounced field activation of the mobility is observed. The results enable an improved detailed description of the working principle of organic solar cells and support the future design of highly efficient and optimized devices. / Organische Halbleiter sind eine neue Schlüsseltechnologie für großflächige und flexible Dünnschichtelektronik. Sie werden als dünne Materialschichten (Sub-Nanometer bis Mikrometer) auf großflächige Substrate aufgebracht. Die technologisch am weitesten fortgeschrittenen Anwendungen sind organische Leuchtdioden (OLEDs) und organische Photovoltaik (OPV). Zur weiteren Steigerung von Leistungsfähigkeit und Effizienz ist die genaue Modellierung elektronischer Prozesse in den Bauteilen von grundlegender Bedeutung. Für die erfolgreiche Optimierung von Bauteilen ist eine zuverlässige Charakterisierung und Validierung der elektronischen Materialeigenschaften gleichermaßen erforderlich. Außerdem eröffnet das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Materialstruktur und -eigenschaften einen Weg für innovative Material- und Bauteilentwicklung. Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei Methoden für die Materialcharakterisierung entwickelt, verfeinert und angewandt: eine neuartige Methode zur Messung der Ladungsträgerbeweglichkeit μ und eine Möglichkeit zur Bestimmung der Ionisierungsenergie IE oder der Elektronenaffinität EA eines organischen Halbleiters. Für die Beweglichkeitsmessungen wird eine neue Auswertungsmethode für raumladungsbegrenzte Ströme (SCLC) in unipolaren Bauteilen entwickelt. Sie basiert auf einer Schichtdickenvariation des zu charakterisierenden Materials. In einem Ansatz zur räumlichen Abbildung des elektrischen Potentials (\"potential mapping\", POEM) wird gezeigt, dass das elektrische Potential als Funktion der Schichtdicke V(d) bei einer gegebenen Stromdichte dem räumlichen Verlauf des elektrischen Potentials V(x) im dicksten Bauteil entspricht. Daraus kann die Beweglichkeit als Funktion des elektrischen Felds F und der Ladungsträgerdichte n berechnet werden. Die Auswertung ist modellfrei, d.h. ein Modell zum Angleichen der Messdaten ist für die Berechnung von μ(F, n) nicht erforderlich. Die Messung ist außerdem unabhängig von einer möglichen Injektionsbarriere oder einer Potentialstufe an nicht-idealen Kontakten. Die gemessene Funktion μ(F, n) beschreibt die effektive durchschnittliche Beweglichkeit aller freien und in Fallenzuständen gefangenen Ladungsträger. Dieser Zugang beschreibt den Ladungstransport in energetisch ungeordneten Materialien realistisch, wo eine klare Unterscheidung zwischen freien und Fallenzuständen nicht möglich oder willkürlich ist. Die Messung von IE und EA wird mithilfe temperaturabhängiger Messungen an Solarzellen durchgeführt. In geeigneten Bauteilen mit einem Mischschicht-Heteroübergang (\"bulk heterojunction\" BHJ) ist die Leerlaufspannung Voc im gesamten Messbereich oberhalb 180K eine linear fallende Funktion der Temperatur T. Es kann bestätigt werden, dass die Extrapolation zum Temperaturnullpunkt V0 = Voc(T → 0K) mit der effektiven Energielücke Egeff , d.h. der Differenz zwischen EA des Akzeptor-Materials und IE des Donator-Materials, übereinstimmt. Die systematische schrittweise Variation einzelner Bestandteile der Solarzellen und die Überprüfung des Einflusses auf V0 bestätigen die Beziehung V0 = Egeff. Damit kann die IE oder EA eines Materials bestimmt werden, indem man es in einem BHJ mit einem Material kombiniert, dessen komplementärer Wert bekannt ist. Messungen per Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) und inverser Photoelektronenspektroskopie (IPES) werden damit bestätigt, präzisiert und ergänzt. Die beiden entwickelten Messmethoden werden auf organische Halbleiter aus kleinen Molekülen einschließlich Mischschichten angewandt. In Mischschichten aus Zink-Phthalocyanin (ZnPc) und C60 wird eine Löcherbeweglichkeit gemessen, die sowohl thermisch als auch feld- und ladungsträgerdichteaktiviert ist. Wenn das Mischverhältnis variiert wird, steigt die Löcherbeweglichkeit mit zunehmendem ZnPc-Anteil, während die effektive Energielücke unverändert bleibt. Verschiedene weitere Materialien und Materialmischungen werden hinsichtlich Löcher- und Elektronenbeweglichkeit sowie ihrer Energielücke charakterisiert, einschließlich bisher wenig untersuchter hochverdünnter Donator-Systeme. In allen Materialien wird eine deutliche Feldaktivierung der Beweglichkeit beobachtet. Die Ergebnisse ermöglichen eine verbesserte Beschreibung der detaillierten Funktionsweise organischer Solarzellen und unterstützen die künftige Entwicklung hocheffizienter und optimierter Bauteile.