Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Langzeitstabilität organischer Solarzellen. Die Solarzellen als Gegenstand dieser Untersuchungen sind dabei aus Materialien aufgebaut, die mittels thermischer Gasphasenabscheidung im Vakuum hergestellt werden. Das unterscheidet diese von vielen in der Literatur vorgestellten Alterungsstudien, die Polymersolarzellen behandeln. Als Standardsystem werden einfache pii-Bauelemente ausgewählt, die in ZnPc und C60 zwei gut untersuchte Materialien in der aktiven Donor-Akzeptor-Schicht nutzen. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind dabei in drei Kapiteln zusammengefasst. In Kapitel 5 wird untersucht, wie sich verschiedene Faktoren auf die Lebensdauer der Solarzellen auswirken. Für verkapselte Solarzellen mit MeO-TPD in der Lochtransportschicht wird die thermische Beschleunigung der Degradation mit einem Arrhenius’schen Verhalten beschrieben und eine Aktivierungsenergie EA=712 meV gefunden. Aus dieser Beschreibung wird für verkapselte Solarzelle bei 100 mW cm-2 und 45°C eine Lebensdauer von 62.000 h extrapoliert, die experimentell nicht verifiziert werden kann. Auch der Einfluss der Beleuchtungsintensität auf die Degradationsgeschwindigkeit wird untersucht und kann systematisch erklärt werden: Die Beschleunigung, die sich aus einer Erhöhung der Intensität weißen Lichtes ergibt, kann beschrieben werden, indem man die Anzahl extrahierter Ladungsträger berechnet. Bei Alterungen unter verschiedene Intensitäten ist diese Zahl identisch, wenn man die Messung bei gleichem Grad der Degradation betrachtet. Diese Modell kann auch auf monochromatische Beleuchtung ausgedehnt werden und es zeigt sich bei einem Vergleich über alle untersuchten Wellenlängen, dass der Anstieg der fallenden Kurven umso steiler wird, je höher die kürzeste Wellenlänge des jeweiligen Spektrums ist. Der zweite Teil dieses Kapitels ist der Degradation unverkapselter Solarzellen mit BF-DPB als Lochtransportmaterial gewidmet. Durch Variation von Temperatur und relativer Luftfeuchte konnten beide Einflussfaktoren in einem kombinierten Modell, dem Peck-Modell, zusammengefasst werden. Dieses wurde bisher nicht zur Beschreibung des Degradationsverhaltens von Solarzellen verwendet. Eine Vorhersage der Lebensdauer bei beliebigen Werten für beide Parameter ist somit möglich. Deutlich sticht in diesem Experiment hervor, dass die Anwesenheit von Wasser die Degradation klar dominiert. Darauf folgen Messungen, bei denen die Wasserpermeationsrate (WVTR) der Verkapselung variiert wird. Dabei stellt sich heraus, dass diese besser als 10-3 g m-2 d-1 sein muss, um die Stabilität zu verbessern. Durch eine Trennung der WVTR der äußeren Barriere und jener der Aluminiumelektrode ist es möglich, den Wert WVTR(Al) zu ermitteln. Dieser beträgt 8 x10-4 g m-2 d-1. Zusätzlich kann die Wassermenge, die benötigt wird, um die untersuch-ten Solarzelle auf 50% des Startwertes zu degradieren, zu 10 mg m2 bestimmt werden. Kapitel 6 zeigt eine umfassende Charakterisierung von an Luft degradierten Solarzellen. Mit den chemischen Analysemethoden TOF-SIMS und LDI-TOF-MS können mehrere Reaktionen der verwendeten Materialien mit Luft identifiziert werden. Dabei sticht die Oxidation der BPhen-Aluminium-Grenzschicht, die zur Bildung von Al2O3 führt, hervor. Weitere Reaktionsprodukte, vor allem in Verbindung mit Fluor, welches aus der Zersetzung von C60F36 stammt, werden gezeigt. Die Oxidation der Organik-Aluminium-Grenzschicht kann mit Hilfe von Elektrolumineszenzmessungen untersucht werden. Bei diesen zeigt sich, dass die Abnahme der aktiven Fläche in vollem Umfang Ursache für die Reduktion der Kurzschlussstromdichte ist. Als Eintrittskanäle für Sauerstoff und Wasser werden neben pinholes auch die Seitenkanten der Solarzelle identifiziert. Hinweise für die flächige Diffusion von Wasser werden zusätzlich erbracht. Erster Ansatz zur Verbesserung der Langzeitstabilität ist der Austausch von BPhen durch ein dotiertes Elektronen-transportmaterial. Eine Variation von fünf Materialien zeigt, dass ein Zusammenhang zwischen Rauigkeit dieses Materials und der Lebensdauer besteht: So werden die besten Stabilität für Materialien wie C60 und Bis-HFl-NTCDI gezeigt, die mit einer geringen Rauigkeit aufwachsen. Die Lebensdauer beträgt am Beispiel von Bis-HFl-NTCDI bei [T=65°C; rH=2,2%] T50=762 h und ist damit etwa viermal so groß wie bei Verwendung von BPhen. Weitere Optimierungsversuche, zum Beispiel durch Variation der Elektrode, des p-Dotanden, oder der Invertierung der Struktur zeigen zwar zusätzliche Degradationspfade auf, führen aber zu keiner Verbesserung der Stabilität. Auf Basis zuvor durchgeführter Überlegungen zu Redoxreaktionen (organischer) Materialien mit Wasser und Sauerstoff wird zum Abschluss der Arbeit ein möglicher Aufbau für luftstabile organische Solarzellen vorgeschlagen.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Langzeitstabilität organischer Solarzellen. Die Solarzellen als Gegenstand dieser Untersuchungen sind dabei aus Materialien aufgebaut, die mittels thermischer Gasphasenabscheidung im Vakuum hergestellt werden. Das unterscheidet diese von vielen in der Literatur vorgestellten Alterungsstudien, die Polymersolarzellen behandeln. Als Standardsystem werden einfache pii-Bauelemente ausgewählt, die in ZnPc und C60 zwei gut untersuchte Materialien in der aktiven Donor-Akzeptor-Schicht nutzen. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind dabei in drei Kapiteln zusammengefasst. In Kapitel 5 wird untersucht, wie sich verschiedene Faktoren auf die Lebensdauer der Solarzellen auswirken. Für verkapselte Solarzellen mit MeO-TPD in der Lochtransportschicht wird die thermische Beschleunigung der Degradation mit einem Arrhenius’schen Verhalten beschrieben und eine Aktivierungsenergie EA=712 meV gefunden. Aus dieser Beschreibung wird für verkapselte Solarzelle bei 100 mW cm-2 und 45°C eine Lebensdauer von 62.000 h extrapoliert, die experimentell nicht verifiziert werden kann. Auch der Einfluss der Beleuchtungsintensität auf die Degradationsgeschwindigkeit wird untersucht und kann systematisch erklärt werden: Die Beschleunigung, die sich aus einer Erhöhung der Intensität weißen Lichtes ergibt, kann beschrieben werden, indem man die Anzahl extrahierter Ladungsträger berechnet. Bei Alterungen unter verschiedene Intensitäten ist diese Zahl identisch, wenn man die Messung bei gleichem Grad der Degradation betrachtet. Diese Modell kann auch auf monochromatische Beleuchtung ausgedehnt werden und es zeigt sich bei einem Vergleich über alle untersuchten Wellenlängen, dass der Anstieg der fallenden Kurven umso steiler wird, je höher die kürzeste Wellenlänge des jeweiligen Spektrums ist. Der zweite Teil dieses Kapitels ist der Degradation unverkapselter Solarzellen mit BF-DPB als Lochtransportmaterial gewidmet. Durch Variation von Temperatur und relativer Luftfeuchte konnten beide Einflussfaktoren in einem kombinierten Modell, dem Peck-Modell, zusammengefasst werden. Dieses wurde bisher nicht zur Beschreibung des Degradationsverhaltens von Solarzellen verwendet. Eine Vorhersage der Lebensdauer bei beliebigen Werten für beide Parameter ist somit möglich. Deutlich sticht in diesem Experiment hervor, dass die Anwesenheit von Wasser die Degradation klar dominiert. Darauf folgen Messungen, bei denen die Wasserpermeationsrate (WVTR) der Verkapselung variiert wird. Dabei stellt sich heraus, dass diese besser als 10-3 g m-2 d-1 sein muss, um die Stabilität zu verbessern. Durch eine Trennung der WVTR der äußeren Barriere und jener der Aluminiumelektrode ist es möglich, den Wert WVTR(Al) zu ermitteln. Dieser beträgt 8 x10-4 g m-2 d-1. Zusätzlich kann die Wassermenge, die benötigt wird, um die untersuch-ten Solarzelle auf 50% des Startwertes zu degradieren, zu 10 mg m2 bestimmt werden. Kapitel 6 zeigt eine umfassende Charakterisierung von an Luft degradierten Solarzellen. Mit den chemischen Analysemethoden TOF-SIMS und LDI-TOF-MS können mehrere Reaktionen der verwendeten Materialien mit Luft identifiziert werden. Dabei sticht die Oxidation der BPhen-Aluminium-Grenzschicht, die zur Bildung von Al2O3 führt, hervor. Weitere Reaktionsprodukte, vor allem in Verbindung mit Fluor, welches aus der Zersetzung von C60F36 stammt, werden gezeigt. Die Oxidation der Organik-Aluminium-Grenzschicht kann mit Hilfe von Elektrolumineszenzmessungen untersucht werden. Bei diesen zeigt sich, dass die Abnahme der aktiven Fläche in vollem Umfang Ursache für die Reduktion der Kurzschlussstromdichte ist. Als Eintrittskanäle für Sauerstoff und Wasser werden neben pinholes auch die Seitenkanten der Solarzelle identifiziert. Hinweise für die flächige Diffusion von Wasser werden zusätzlich erbracht. Erster Ansatz zur Verbesserung der Langzeitstabilität ist der Austausch von BPhen durch ein dotiertes Elektronen-transportmaterial. Eine Variation von fünf Materialien zeigt, dass ein Zusammenhang zwischen Rauigkeit dieses Materials und der Lebensdauer besteht: So werden die besten Stabilität für Materialien wie C60 und Bis-HFl-NTCDI gezeigt, die mit einer geringen Rauigkeit aufwachsen. Die Lebensdauer beträgt am Beispiel von Bis-HFl-NTCDI bei [T=65°C; rH=2,2%] T50=762 h und ist damit etwa viermal so groß wie bei Verwendung von BPhen. Weitere Optimierungsversuche, zum Beispiel durch Variation der Elektrode, des p-Dotanden, oder der Invertierung der Struktur zeigen zwar zusätzliche Degradationspfade auf, führen aber zu keiner Verbesserung der Stabilität. Auf Basis zuvor durchgeführter Überlegungen zu Redoxreaktionen (organischer) Materialien mit Wasser und Sauerstoff wird zum Abschluss der Arbeit ein möglicher Aufbau für luftstabile organische Solarzellen vorgeschlagen.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Organische Halbleiter 2.2 Grundlagen der Photovoltaik 2.3 Quasi-Fermi-Niveaus & Würfel-Modell 2.4 Organische Solarzellen 3 Grundlagen zu Langzeitmessungen 3.1 Anforderungen an organische Solarzellen 3.2 Materialien 4 Experimentelle Grundlagen 4.1 Herstellung der Solarzellen und Ca-Tests 4.2 Verkapselung 4.3 Charakterisierungsmethoden 4.4 Alterungsmessungen 4.5 Verwendeter Probenaufbau 5 Variation der Alterungsbedingungen 5.1 Alterung in Inertatmosphäre 5.2 Alterung in Anwesenheit von Luft 5.3 Korrelation von Laborbewitterung und Außenmessung 5.4 Zusammenfassung 6 Charakterisierung gealterter Solarzellen 6.1 TOF-SIMS 6.2 UI-Kennlinien, EQE und Absorption 6.3 Elektrolumineszenzmessungen 6.4 Elektrische Simulation 6.5 LDI-TOF-MS 6.6 Zusammenfassung 7 Optimierung der Lebensdauer 7.1 Variation der Elektronentransportschicht in pin-Solarzellen 7.1.5.2 Rauigkeit 7.1.6 Zusammenfassung 7.2 Invertierte Struktur: pin vs. nip 7.3 Variation des Deckkontaktes 7.4 Variationen in der Lochtransportschicht 7.5 Zusammenfassung: Optimierung der Lebensdauer 8 Zusammenfassung und Ausblick 8.1 Zusammenfassung 8.2 Ausblick

Organic solar cells (OSCs) is an emerging photovoltaic technology that opens up new application areas where common inorganic techniques are not able to score. Some of those key features are flexibility, light weight, semitransparency, and low cost processing. The current industry-standard for the transparent electrode, indium tin oxide (ITO), cannot provide these properties because it is brittle and expensive. This thesis aims to investigate an alternative type of promising transparent electrode: silver nanowire (AgNW) networks. They exhibit similar or even better optical and electrical performance than ITO down to a sheet resistance of 12 Ohm/sq at 84% transmission (including the glass substrate). Furthermore, AgNWs are more flexible, solution-processable, and more cost-effective than ITO. However, two challenges occur during implementation as bottom electrode in OSCs. First, their inherently high roughness causes devices to shunt. Second, the AgNW network structure exhibits – in contrast to the continuous ITO – µm²-sized voids that have to be bridged electrically by the organic layers. In the first part of this thesis, solution-processed small molecule charge transport layers are investigated. In the case of hole transport layers (HTL), the host BF-DPB and the dopant NDP9 are investigated using tetrahydrofuran as a solvent. It is shown that BF-DPB is already doped by NDP9 in solution via the formation of a hybrid molecule complex. Solution-processed layers exhibit similar conductivities as compared to the reference deposition, which is thermal evaporation in high vacuum. The layers sufficiently smoothen the AgNW electrode such that DCV5T-Me:C60 organic solar cells with an efficiency up to 4.4% are obtained. Moreover, the influence of the square micrometer large network voids is investigated using HTLs of varying conductivity. As a result, a minimum conductivity of 1e−4 S/cm is needed to avoid macroscopic performance losses. Equivalent circuit simulations are performed to confirm these results. As a second planarization method, the AgNWs are buried in an insulating polymer that serves concurrently as flexible and ultrathin substrate. Out of three different polymers tested, the optical adhesive ’NOA63’ gives the best results. The roughness is strongly reduced from 30 nm down to (2 ± 1) nm. Two different OSC types are employed as testing devices with fully-flexible alumina encapsulation against moisture ingress. Maximum power conversion efficiencies of 5.0% and 5.6% are achieved with a fullerene-free cascade layer architecture and a DCV5T-Me:C60 OSC, respectively. To evaluate the applicability of these fully-flexible and encapsulated devices, degradation studies are performed under continuous illumination and a humid climate. Although employing the intrinsically stable DCV5T-Me:C60 stack design, within one day a fast degradation of the fully-flexible solar cells is observed. The degradation is attributed to AgNW electrode failure that results from photo-oxidation and -sulfurization, photo-migration, and electromigration. It is further shown that the cascade organic solar cell lacks intrinsic stability. In summary, efficient, fully-flexible, and encapsulated devices are shown. However, in terms of competitive OSCs, the low stability of AgNW electrodes is a challenge to be taken care of. In current research, this issue needs to be addressed more frequently. / Organische Solarzellen (OSZ) sind ein junges Forschungsgebiet der Photovoltaik, welches neue Anwendungsgebiete erschließt, für die herkömmliche anorganische Solarzellen nicht einsetzbar sind. Einige der Haupteigenschaften sind Flexibilität, niedriges Gewicht, Teiltransparenz und geringe Herstellungskosten. Indiumzinnoxid (ITO), der aktuelle Industriestandard transparenter Elektrodentechnologie, ist nicht in der Lage, diese Eigenschaften zu gewährleisten. Dies liegt vor allem an der Brüchigkeit von ITO und der begrenzten Verfügbarkeit von Indium, welche mit einem hohen Preis einhergeht. Das Ziel dieser Dissertation ist die Integration einer alternativen und vielversprechenden Elektrodentechnologie: Netzwerke aus Silbernanodrähten (AgNWs). Mit einem Schichtwiderstand von 12 Ohm/sq bei einer Transmission von 84% (inklusive Glassubstrat) besitzen sie ähnliche oder sogar bessere optische und elektrische Eigenschaften als ITO. Des Weiteren sind AgNW-Elektroden flexibler und kostengünstiger als ITO und aus flüssiger Phase prozessierbar. Es gibt allerdings zwei Herausforderungen, welche die Integration als Grundelektrode in OSZ erschweren. Zum einen sind AgNW-Netzwerke sehr rauh, sodass organische Bauteile kurzgeschlossen werden. Zum anderen weisen AgNW-Elektroden, im Gegensatz zu einer vollflächigen ITO-Schicht, Lücken zwischen den einzelnen Drähten auf. Diese Lücken müssen von den organischen Schichten der OSZ elektrisch überbrückt werden. Im ersten Teil der Arbeit werden daher flüssigprozessierte Ladungsträgertransportschichten aus kleinen Molekülen untersucht, welche die AgNW-Elektroden glätten und die verhältnismäßig großen Lücken füllen sollen. Im Falle von Lochleitschichten (HTL) wird BF-DPB als Matrix und NDP9 als Dotand in Tetrahydrofuran gelöst und zur Anwendung gebracht. BF-DPB wird dabei schon in Lösung von NDP9 dotiert, wobei sich ein Hybridmolekülkomplex ausbildet. Die Leitfähigkeit der entstehenden Schichten ist ähnlich zu Referenzschichten, die durch thermisches Verdampfen im Hochvakuum hergestellt wurden. Die erhaltenen HTLs glätten die AgNW-Elektroden, sodass DCV5T-Me:C60-Solarzellen mit einer Effizienz von maximal 4.4% hergestellt werden können. Weiterhin wird der Einfluss der quadratmikrometergroßen Löcher auf die makroskopische Effizienz der Solarzelle in Abhängigkeit der HTL Leitfähigkeit untersucht. Um signifikante Effizienzverluste zu verhindern, muss der HTL eine minimale Leitfähigkeit von etwa 1e−4 S/cm aufweisen. Simulationen eines Ersatzschaltkreises bestätigen hierbei die experimentellen Ergebnisse. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine Planarisierungsmethode untersucht, in welcher die AgNWs in nichtleitfähigen Polymeren eingebettet werden. Diese Polymere fungieren anschließend als flexibles Substrat. Der optische Kleber ”NOA63” erzielt hierbei die besten Ergebnisse. Die Rauheit der AgNW-Elektroden wird von etwa 30 nm auf 1 bis 3 nm stark reduziert. Anschließend werden diese AgNW-Elektroden in zwei unterschiedlichen OSZ Konfigurationen getestet und mit einer vollflexiblen Schicht aus Aluminiumoxid gegen Wasserdampfpermeation verkapselt. Somit können maximale Effizienzen von 5% mithilfe einer organischen Kaskadenstruktur und 5.6% mit DCV5T-Me:C60 OSZ erreicht werden. Um die Anwendbarkeit dieser vollflexiblen und verkapselten OSZ zu bewerten, werden Alterungsstudien unter konstanter Beleuchtung und feuchtem Klima durchgeführt. Es wird gezeigt, dass die in das Polymer eingebettete AgNW-Elektrode aufgrund von Photooxidation und -schwefelung und Photo- und Elektromigration instabil ist. Dieser Sachverhalt ist für die Anwendung von AgNW-Elektroden in kommerziellen OSZ von großer Bedeutung und wurde in der Forschung bisher nicht ausreichend thematisiert.