Continuously increasing energy prices have considerably influenced the cost of living over the last decades. At the same time increasingly extreme weather conditions, drought-filled summers as well as autumns and winters with heavier rainfall and worsening storms have been reported. These are possibly the harbingers of the expected approaching global climate change. Considering the depletability of fossil energy sources and a rising distrust in nuclear power, investigations into new and innovative renewable energy sources are necessary to prepare for the coming future. In addition to wind, hydro and biomass technologies, electricity generated by the direct conversion of incident sunlight is one of the most promising approaches. Since the syntheses and detailed studies of organic semiconducting polymers and fullerenes were intensified, a new kind of solar cell fabrication became conceivable. In addition to classical vacuum deposition techniques, organic cells were now also able to be processed from a solution, even on flexible substrates like plastic, fabric or paper. An organic solar cell represents a complex electrical device influenced for instance by light interference for charge carrier generation. Also charge carrier recombination and transport mechanisms are important to its performance. In accordance to Coulomb interaction, this results in a specific distribution of the charge carriers and the electric field, which finally yield the measured current-voltage characteristics. Changes of certain parameters result in a complex response in the investigated device due to interactions between the physical processes. Consequently, it is necessary to find a way to generally predict the response of such a device to temperature changes for example. In this work, a numerical, one-dimensional simulation has been developed based on the drift-diffusion equations for electrons, holes and excitons. The generation and recombination rates of the single species are defined according to a detailed balance approach. The Coulomb interaction between the single charge carriers is considered through the Poisson equation. An analytically non-solvable differential equation system is consequently set-up. With numerical approaches, valid solutions describing the macroscopic processes in organic solar cells can be found. An additional optical simulation is used to determine the spatially resolved charge carrier generation rates due to interference. Concepts regarding organic semiconductors and solar cells are introduced in the first part of this work. All chapters are based on previous ones and logically outline the basic physics, device architectures, models of charge carrier generation and recombination as well as the mathematic and numerical approaches to obtain valid simulation results. In the second part, the simulation is used to elaborate issues of current interest in organic solar cell research. This includes a basic understanding of how the open circuit voltage is generated and which processes limit its value. S-shaped current-voltage characteristics are explained assigning finite surface recombination velocities at metal electrodes piling-up local space charges. The power conversion efficiency is identified as a trade-off between charge carrier accumulation and charge extraction. This leads to an optimum of the power conversion efficiency at moderate to high charge carrier mobilities. Differences between recombination rates determined by different interpretations of identical experimental results are assigned to a spatially inhomogeneous recombination, relevant for almost all low mobility semiconductor devices. / Stetig steigende Preise für Energie haben die Lebenshaltungskosten in Deutschland über die letzten Jahrzehnte maßgeblich beeinflusst. Gleichzeitig werden scheinbar extremere Wetterbedingungen, dürrere Sommer, ebenso wie regen und sturmreichere Winter aufgezeichnet. Dies könnten bereits heute die Vorboten eines kommenden, globalen Klimawandels sein. Berücksichtigt man die Endlichkeit fossiler Energieträger und die wachsende Ablehnung gegenüber nuklearer Energieerzeugung, führt kein Weg an einer genaueren Erforschung innovativer, erneuerbarer Energiequellen vorbei. Neben Wind- und Wasserkraft stellt die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom einen der erfolgversprechendsten Ansätze dar. Seit Beginn der Synthese und der genaueren Untersuchungen organischer, halbleitender Polymere und Fullerene innerhalb der letzten Jahre, wurde eine neue Arte der Solarzellenherstellung, neben den bereits etablierten Technologien, denkbar. Zusätzlich zu klassischen Aufdampfverfahren können Solarzellen aus organischen Materialien in Lösung hergestellt und auf verschiedenartigste Materialien wie Plastik, Stoff oder Papier aufgebracht werden. Aufgrund der Unordnung in den aktiven Schichten verhalten sich solche Solarzellen jedoch anders als solche aus anorganischen Materialien. Eine organische Solarzelle ist ein komplexes elektrisches Bauteil, welches durch eine Anzahl physikalischer Effekte maßgeblich beeinflusst wird. So ist, beispielsweise, die Verteilung erzeugter Ladungsträger durch optische Interferenzeffekte bestimmt. Ladungstransport und Ladungsträgerrekombination stellen weitere Einflussfaktoren dar. Die experimentell gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien sind somit stets makroskopische Kombination mehrerer Effekte. Änderungen einzelner Parameter führen zu einer komplexen Änderung des elektrischen Verhaltens des Bauteils. Folgerichtig ist es notwendig, ein Modell zu entwickeln, welches das Verhalten organischer Solarzellen bei sich ändernden Umgebungsbedingungen, allgemeingültig vorhersagen kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde, zu diesem Zweck, eine eindimensionale, numerische Simulation entwickelt. Basierend auf Drift- und Diffusionsgleichungen für Elektronen, Löcher und Exzitonen kann der Ladungstransport in organischen Halbleitern beschrieben werden. Benötigte Generations- und Rekombinationsraten werden durch entsprechende Ratengleichungen bestimmt. Über die Poisson-Gleichung wird zudem das auftretende elektrische Feld innerhalb der Solarzelle berücksichtigt. Das resultierende differentielle Gleichungssystem ist jedoch nicht analytisch lösbar. Nur mit Hilfe spezieller numerischer Methoden, können gültige Lösungen gefunden werden. Hiermit kann das Verhalten organischer Solarzellen sehr gut beschrieben. Eine zusätzliche optische Simulation kann dazu benutzt werden, optische Interferenzeffekte zu berücksichtigen. Im des ersten Teiles dieser Arbeit werden Methoden und Modellvorstellungen für Prozesse in organischer Solarzellen vorgestellt. Die Kapitel bauen aufeinander auf und gehen nacheinander auf die grundlegende Physik, die Bauteilarchitektur, die Modelle der Ladungsträgergeneration und -rekombination, ebenso wie auf die benötigten mathematischen und numerischen Methoden ein. Beiträge zur aktuellen Forschung werden im zweiten Abschnitt vorgestellt. Diese Umfassen ein grundlegendes Verständnis der offenen Klemmspannung organischer Solarzellen. Diese wird entweder durch Oberflächenrekombination an den Elektroden oder durch Injektionsbarrieren limitiert. S-förmige Verformungen von gemessenen und simulierten Strom-Spannungs-Kennlinien konnten durch endliche Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten erklärt werden. Aufgrund verminderter Extraktions- und Injektionseigenschaften entsteht eine spannungsabhängige Raumladungszone, welche diese oft beobachtete Verformung verursacht. Der Wirkungsgrad organischer Solarzellen konnte als Kompromiss zwischen Ladungsträgeranhäufung und -extraktion im Bauteil identifiziert werden. Dies führt letztendlich zu einem Optimum der Solarzelleneffizienz bei moderaten bis hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten. Abweichungen experimentell unterschiedlich bestimmter Rekombinationsraten konnten auf eine räumlich inhomogene Verteilung der Ladungsträgerrekombination zurückgeführt werden. Diese wird durch selektive Kontakte erzeugt und ist für alle halbleitenden Bauelemente mit niedriger Mobilität relevant.

The transport of optically excited states, called excitons, as well as their conversion into charges define the two major steps allowing for the operation of organic photovoltaic (OPV) devices. Hence, a deep understanding of these processes, the involved mechanisms as well as possible loss channels is crucial for further improving the efficiency of organic solar cells. For studying the aforementioned processes spectroscopic methods like absorption and emission measurements are useful tools. As many of the processes take place on a sub-nanosecond (ns) timescale ultrafast spectroscopic methods are required. Due to this reason two experiments based on a femtosecond laser system were built and employed in this work, namely picosecond (ps) time-resolved photoluminescence (PL) and transient absorption (TA) spectroscopy. By analyzing the PL decay dynamics in the prototypical organic semiconductor rubrene, the feasibility of a new approach for improving the efficiency of organic solar cells by harvesting triplet excitons generated by singlet fission was examined. Singlet fission describes a process where two triplet excitons are generated via a photoexcited singlet exciton precursor state if the energy of the two triplets is comparable with the energy of the singlet. For this purpose the influence of characteristic length scales on the exciton dynamics in different rubrene morphologies exhibiting an increasing degree of confinement was analyzed. The results show that the quenching at interfacial states efficiently suppresses the desired fission process if these states are reached by excitons during migration. Since interfacial states are expected to play a significant role in thin film solar cells and are easily accessible for the migrating excitons, the results have to be considered for triplet-based OPV. While the aforementioned approach is only investigated for model systems so far, the efficiency of disordered organic bulk heterojunction (BHJ) solar cells could be significantly enhanced in the last couple of years by employing new and more complex copolymer donor materials. However, little is known about the photophysics and in particular the excitation dynamics of these systems. By carrying out a systematic optical study on the prominent copolymer PCDTBT and its building blocks we were able to identify the nature of the two characteristic absorption bands and the coupling mechanism between these levels. The latter mechanism is based on an intrachain partial charge transfer between two functional subunits and our time-resolved measurements indicate that this coupling governs the photophysical properties of solar cells based on these copolymers. The efficient coupling of functional subunits can be seen as a key aspect that guarantees for the success of the copolymer approach. Another important issue concerns the optimization of the morphology of BHJ solar cells. It arises from the discrepancy between the exciton diffusion length \mbox{($\approx$ 10 nm)} and the absorption length of solar irradiation ($\approx$ 100 nm). Due to this reason, even for devices based on new copolymer materials, processing parameters affecting the morphology like annealing or employing processing additives are of major importance. In our combined optical, electrical and morphological study for solar cells based on the high-efficient copolymer PBDTTT-C we find a direct correlation between additive content and intermixing of the active layer. The observed maximum in device efficiency can be attributed to a morphology guaranteeing for an optimized balance between charge generation and transport. Our results highlight the importance of understanding the influence of processing parameters on the morphology of the BHJ and thus on the efficiency of the device. / Der Transport optischer Anregungen, genannt Exzitonen, sowie deren Umwandlung in Ladungsträger stellen die beiden wesentlichen Mechanismen dar, welche die Funktion von organischer Photovoltaik (OPV) erst ermöglichen. Daher ist ein genaues Verständnis dieser Prozesse, der beteiligten Mechanismen sowie möglicher Verlustkanäle von essentieller Bedeutung, um die Effizienz organischer Solarzellen weiter zu steigern. Für die Untersuchung der genannten Vorgänge bieten sich grundsätzlich spektroskopische Methoden, wie etwa die Untersuchung der Absorptions- und Emissioncharakteristiken, an. Da sich viele der erwähnten Prozesse auf der sub-Nanosekunden (ns) Zeitskala abspielen, werden für deren Unteruchung hoch-zeitaufgelöste Messmethoden benötigt. Aus diesem Grund wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Messmethoden, basierend auf einem Femtosekunden-Lasersystem aufgebaut und verwendet. Hierbei handelt es sich um die Picosekunden (ps) zeitaufgelöste Photolumineszenz-Spektroskopie (PL) und die transiente Absorptionsspektroskopie (TA). Anhand des prototypischen organischen Halbleiters Rubren habe ich mich mit der Fragestellung beschäftigt, inwieweit ein alternativer Ansatz zur Erhöhung der Effizienz von organischen Solarzellen, basierend auf der Nutzung von Triplet Exzitonen, welche durch Singlet Fission generiert wurden, genutzt werden könnte. Bei der Singlet Fission werden aus einem optisch angeregten Singlet Exziton zwei Triplet Exzitonen erzeugt, unter der Voraussetzung, dass die Summe der Energien der beiden Triplets in etwa der Energie des Singlet Exzitons entspricht. Hierfür wurde der Einfluss von charakteristischen Längenskalen auf die Exzitonendynamik in verschiedenen Rubren-Morphologien, die ein zunehmend begrenztes Anregungsvolumen aufweisen, untersucht. Dabei zeigt sich, dass durch den Einfluss von Grenzflächenzuständen der erwünschte Singlet Fission Prozess effizient unterdrückt wird, sollten diese Zustände von Exzitonen während ihrer Migration erreicht werden. Dieser Sachverhalt ist bei einer möglichen Realisierung von Triplet-basierter OPV zu berücksichtigen, da in Dünnschicht-Solarzellen solche Grenzflächenzustände eine relevante Rolle spielen und für Exzitonen gut zugänglich sind. Während der oben genannte Ansatz bis jetzt nur für Modellsysteme untersucht wird, konnte die Effizienz ungeordneter organischer ''bulk heterojunction'' (heterogemisch, BHJ) Solarzellen in den vergangenen Jahren durch die Verwendung neuer, komplexerer Donormaterialen signifikant gesteigert werden. Allerdings war eine genaue Kenntnis der dahinter stehenden Photophysik und insbesondere der Anregungsdynamik dieser Systeme nicht vorhanden. Anhand einer systematischen optischen Studie am prominenten Copolymer PCDTBT und seiner Bausteine konnte die Natur der angeregten Zustände und deren Kopplungsmechanismus, basierend auf einem teilweisen Ladungsübertrag zwischen zwei funktionalen Gruppen des Copolymers identifiziert werden. Die Ergebnisse der zeitaufgelösten Messungen deuten darauf hin, dass dieser interne Kopplungsmechanismus die Photophysik von organischen Solarzellen, basierend auf diesen Copolymeren bestimmt. Diese effiziente Kopplung ist ein wesentlicher Grund für den Erfolg des Copolymerkonzeptes. Ein weiterer wichtiger Aspekt betrifft die Optimierung der Morphologie der aktiven Schicht von BHJ Solarzellen, welcher sich aus der Diskrepanz zwischen Exzitonendiffusionslänge ($\approx$ 10 nm) und Absorptionslänge des Sonnenlichts \mbox{($\approx$ 100 nm)} ergibt. Aus diesem Grund sind auch bei BHJ Zellen, basierend auf neuartigen Copolymeren die Prozessparameter, welche die Morphologie beeinflussen --- wie das Ausheizen der Zelle oder die Zugabe von Additiven --- von großer Bedeutung. Unsere kombinierte optische, elektrische und morphologische Studie an Solarzellen, basierend auf dem hocheffizienten Copolymer PBDTTT-C zeigt dabei einen direkten Zusammenhang von Additivkonzentration und Durchmischungsgrad der aktiven Schicht. Das beobachtete Effizienzmaximum ergibt sich dabei für diejenige Morphologie, welche ein optimiertes Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Transport von Ladungsträgern aufweist. Die Ergebnisse verdeutlichen, wie wichtig das Verständnis der Auswirkungen einzelner Prozessparameter auf die Morphologie und damit die Effizienz von BHJ Solarzellen ist.

In dieser Arbeit werden drei verschiedene kohlenstoffbasierte Materialsysteme behandelt: (i) Organische Halbleiter und kleine Moleküle, in Kombination mit Fullerenen für Anwendungen in der organischen Photovoltaik (OPV), (ii) Halbleitende Einzelwand-Kohlenstoffnanoröhren und (iii) Siliziumkarbid (SiC), dessen Defekte erst seit kurzem als Kandidaten für Quantenapplikationen gehandelt werden. Alle Systeme wurden mit optisch detektierter Magnetresonanzspektroskopie (ODMR) untersucht. Im OPV-Kapitel, die intrinsischen Parameter und Orientierungen von Exzitonen mit hohem Spin wurden für die Materialsysteme P3HT, PTB7 und DIP untersucht. Speziell der Einfluss von Ordnung diesen organischen Systemen wurde diskutiert. Der zweite Teil des Kapitels beschäftigt sich mit Triplettgeneration mittels Elektronenrücktransfer im leistungsfähigen Materialsystem PTB7:PC71BM. Das Kohlenstoffnanoröhren-Kapitel zeigt zuert den ersten zweifelsfreien Nachweis von Triplettexzitonen in halbleitenden (6,5) Einzelwandkohlenstoffnanoröhren (SWNT), mittels ODMR-Spektroskopie. Ein Modell für die Anregungskinetik, die intrinsischen Parameter des Exzitons und Abhängigkeit von der Orientierung der Röhren wurden diskutiert. Der letzte Teil der Arbeit gilt Spinzentren in Siliziumkarbid. Nach einer kurzen Einführung in das Materialsystem wird die Spinmultiplizität für die V2 und V3 Siliziumfehlstellen, sowie eines Frenkelpaars und eines noch nicht zugeordneten Defekts (UD) in 6H SiC, weiterhin für die V2 Fehlstelle und das Frenkelpaar in 4H SiC, durchgängig zu S=3/2 festgestellt. Das spinpolarisierte Befüllen der 3/2-Zustände des Grundzustands der Siliziumfehlstellen erlaubt stimulierte Mikrowellenemission. Ausserdem wurde für UD und Frenkelpaar in 6H SiC eine große Temperaturabhängigkeit der Nullfeldparameter festgestellt, während die Siliziumfehlstellen temperaturunabhängig sind. Anwendung des UD und Frenkelpaars als Temperatursensor, und der Vakanzen als Vektormagnetometer wurden diskutiert. / In this work, three different material systems comprising carbon were researched: (i) Organic polymers and small molecules, in conjunction with fullerene molecules for applications in organic photovoltaics (OPV), (ii) single walled semiconducting carbon nanotubes and (iii) silicon carbide (SiC), whose defect color centers are recently in the limelight as candidates for quantum applications. All systems were analyzed using the optically detected magnetic resonance (ODMR) spectroscopy. In the OPV chapter, first the intrinsic parameters and orientations of high spin excitons were analyzed in the materials P3HT, PTB7 and DIP. Specifically the influence of ordering in these organic systems was adressed. The second part of the OPV chapter is concerned with triplet generation by electron back transfer in the high-efficiency OPV material combination PTB7:PC71BM. The carbon nanotube chapter first shows the way to the first unambiguous proof of the existence of triplet excitons in semiconducting (6,5) single-walled carbon nanotubes (SWNT) by ODMR spectroscopy. A model for exciton kinetics, and also orientation and intrinsic parameters were propoesed. The last part of this work is devoted to spin centers in silicon carbide (SiC). After a brief introduction, the spin multiplicity of the V2 and V3 silicon vacancies, and also of a Frenkel pair and an unassigned defect UD in 6H SiC, and of the V2 vacancy and the Frenkel pair in 4H SiC, was shown to be S=3/2. The spin polarized pumping of the 3/2 manifold of the quartet ground state of the silicon vacancies allows stimulated microwave emission. Furthermore, in 6H SiC, the UD and Frenkel pair were shown to have a large dependence of their intrinsic zero field interaction parameters on the temperature, while the vacancies are temperature independent. The application of the UD and Frenkel pair as temperature sensor, and of the vacancies as a vector magnetic field sensor is discussed.

In the course of this dissertation, we have presented the interest of using spectroscopic methods to unravel the physics of polymer semiconductors in photovoltaic applications. Applying photoluminescence and photoinduced absorption spectroscopy to the reference system P3HT:PCBM has enabled us to study the major steps of photocurrent generation in organic bulk heterojunctions, from excitons generation to charges extraction and loss mechanisms and thus to improve the understanding of those mechanisms. The exciton binding energy, is the first obstacle to overcome for photocurrent generation in organic solar cell and the reason for the use of two materials, whose heterojunction act as a driving force for charge separation. We developed an original photoluminescence-detected field-induced exciton quenching method to investigate this energy. Absorption and photoluminescence spectra of pure P3HT show that, while both amorphous and crystalline domains participate in absorption, the energy is then transferred to the crystalline domains, from where the photoluminescence is exclusively originating. The field dependence of this photoluminescence showed that an energy of no less than 420 meV is necessary to split excitons into non photon-emitting species. Comparing those results with energy levels obtained by absorption and photoelectron spectroscopies, confirmed that the formation of those species is only a first step toward dissociation into free charges. Indeed, photoemission spectroscopy and the onset of photocurrent upon increasing the photon energy in a pure P3HT solar cell, concomitantly show that the energy level of a pair of free polarons is located 0.7 eV above the one of the exciton. The comprehensive analysis of those results originating from those different method enable us to draw a global picture of the states and energies involved in free polarons generation in pure material. This work has been widely acknowledged by the scientific community, published in Physical Review B in 2010 [1] and presented in national [2] and international [3] conferences. The spectroscopy of excited states is used to detect the presence of wanted species (charges) and potentially unwanted neutral species upon photoexcitation. As such, it offers us the possibility to qualify the efficiency of charge generation and, if any, identify the competing processes and the generation of unwanted species. In the frame of the European Marie Curie Research Network SolarNType,[4] this possibility was used - in combination with morphological, charge transport and devices characterizationsn - to study a number of new donor:acceptor blends. Thanks to those techniques, we were able to not only quantify the potential of those blends, but also to provide the chemist laboratories with a precious and detailed feedback on the strengths and weakness of the molecules, regarding charge generation, transport and extraction. The detailed study of terrylene-3,4:11,12-bis(dicarboximide) as electron acceptor for solar cells application was published in the peer review journal Synthetic Metals and was chosen to illustrate the cover page of the issue [5]. Finally, in the last chapter, we have used time resolved photoinduced absorption to improve the understanding of the charge carrier loss mechanisms in P3HT:PCBM active layers. This comprehension is of prime importance because, the fact that this recombination is far weaker than expected from the Langevin theory, enable polarons to travel further without recombining and thus to build thicker and more efficient devices. A comprehensive analysis of steady-state PIA spectra of pure P3HT, indicates that probing at 980 nm at a temperature between 140 and 250 K enables to monitor specifically polaron densities in both neat P3HT and P3HT:PCBM. Applying this finding to transient absorption enabled us to monitor, for the first time, the bimolecular recombination in pure P3HT, and to discover that - in sharp contrast with the blend - this recombination was in agreement with the Langevin theory. Moreover, it enables us to pinpoint the important role played by the existence of two materials and of energetical traps in the slow recombination and high recombination orders observed in the blend. This work has been published in the Journal of Applied Physics.[6] Those new insights in the photophysics of polymer:fullerene photoactive layers could have a strong impact on the future developement of those materials. Consistent measurements of the binding energy of excitons and intermediate species, would enable to clarify the role played by excess thermal energy in interfacial states dissociation. Better understanding of blends morphology and its influence on solar cells parameters and in particular on recombination could enable to reproduce the conditions of limited recombination on material systems offering some promising performances but with only limited active layer thicknesses. However, due to the number of parameters involved, further experimentation is required, before we can reach a quantitative modeling of bimolecular recombination. [1] Deibel et al., Phys. Rev. B, 81:085202, 2010 [2] Gorenflot et al., Deutsche Physikalische Gesellschaft Frühjahrstagung 2010, CPP20:10, Regensburg, Germany, 2010 [3] Gorenflot et al., International Conference of Synthetic Metals, 7Ax:05, Kyoto, Japan, 2010 [4] Marie-Curie RTN "SolarNTyp" Contract No. MRTN-CT-2006-035533 [5] Gorenflot et al., Synth. Met., 161(23{24):2669-2676, 2012 [6] Gorenflot et al., J. Appl. Phys., 115(14):144502, 2014 / In der vorliegenden Arbeit wurden die zugrundeliegenden Mechanismen, die während der Photostromgeneration in Polymer:Fulleren-Solarzellen stattfinden, von der Exzitonengeneration bis zur Ladungsträgerextraktion, mittels spektroskopischer Methoden untersucht. Nach der Absorption eines Photons ist die Exzitonenbindungsenergie das erste zu überwindende Hindernis, um einen Photostrom in organischen Halbleitern zu generieren. Diese begründet die Notwendigkeit, zwei unterschiedliche Halbleitermaterialien zu implementieren, deren energetischer Offset die treibende Kraft für Exzitonentrennung am Heterogrenzfläsche bildet. Zur Erforschung dieser Energie haben wir eine neuartige Methode entwickelt, mit welcher wurden Einfluss eines elektrischen Feldes auf die Exzitonen durch Photolumineszenzmessungen quantifizieren können. Aus Absorptions- und Photolumineszenzspektren ist ersichtlich, dass im reinen P3HT sowohl amorphe als auch kristalline Bereiche zur Absorption beitragen. Daraufhin erfolgt ein anschließender effektiver. Energietransfer zu den kristallinen Domänen, der durch die ausschließlich in diesen Bereichen auftretende Photolumineszenz nachgewiesen wird. Diese Exzitonen sind als interchain excitons bekannt, die bereits bei 0.42 eV; in nicht emittierende Spezies dissoziiert werden können, wie unsere feldabhängigen Photolumineszenzmessungen zeigen. Mit Hilfe komplementärer Methoden konnten wir nachweisen, dass diese Dissoziation nur ein erster Schritt zur Generation freier Ladungsträger ist. So konnte durch Photoelektronenspektroskopie 10 und Messungen der externen Quanteneffizienz gezeigt werden, dass die Erstellung freier Ladungsträger 0.7 eV benötigt. Die zusammenführende Analyse dieser Ergebnisse ermöglicht die Erstellung eines umfassenden Bildes der für die Photostromgeneration relevanten Energieniveaus in reinem P3HT. Desweiteren wurden die Ergebnisse dieser Arbeit national [1] als auch international [2] auf Konferenzen präsentiert und im Jahr 2010 in Physical Review B [3] publiziert. Die Tatsache, dass diese bereits über 50 mal zitiert wurden, verdeutlicht die große Bedeutung der erlangten Resultate. Durch die Verwendung der Quasi-Steady-State-Spektroskopie angeregter Spezies können unter Beleuchtung erwünschte (Ladungsträger) und unerwünschte (neutrale) Zustände detektiert werden. Im Rahmen des EU-Projekts "SolarNType" [4] wurden dazu mehrere, als Elektronenakzeptor dienende, Moleküle teilnehmender Institutionen untersucht. Mit Hilfe unserer spektroskopischen Methode und durch ergänzende Messungen des Ladunsträgerstransports sowie der Morphologie und Strom-Spannungs-Charakteristiken der Solarzellen waren wir im Stande, nicht nur das Potential dieser Moleküle zu beurteilen, sondern auch unseren Projektmitarbeitern detaillierte und wertvolle Informationen über die Stärken und Schwächen der von ihnen synthetisierten Materialien zu geben. Die detaillierte Untersuchung von terrylene-3,4:11,12-bis(dicarboximide) als Elektronenakzeptor, welche wir für das Max-Planck-Institut in Mainz erstellten, wurde im Jahr 2012 in Synthetic Metals publiziert und für die Titelseite ausgewählt. [5] Im letzten Abschnitt werden die Ergebnisse transienter photoinduzierter Absorptionsmessungen diskutiert, welche zur Bestimmung der Rekombination freier Ladunsträger in P3HT:PCBM Mischschichten durchgeführt wurden. Diese Rekombination ist dafür bekannt, nicht der Langevin-Theorie zu folgen, was für Solarzellen von großer Bedeutung ist. Anstelle von Rekombination zweiter Ordnung nach der Langevin-Theorie, rekombinieren Ladungsträger in dieser Materialkombination unter höherer Ordnung und einem starken zusätzlichen Reduktionsfaktor. Dies hat zur Folge, dass die Ladungsträger weiter difundieren können, was die Erstellung dickerer und daher effizienterer Solarzellen ermöglicht. Durch umfassende Analysen der P3HT Quasi-Steady-State-Spektren wurde einspektraler sowie thermischer Bereich identifiziert, in dem in reinem P3HT ausschließlich Polaronen für die Absorption verantwortlich sind. Die Verwendung dieser Ergebnisse in transienten Absorptionsmessungen ermöglichte es erstmals, das Rekombinationsverhalten in reinen sowie mit PCBM gemischten P3HT Schichten zu vergleichen. Es zeigt sich, dass die Abnahme der Ladungsträgerdichte in reinem P3HT der Langevin-Theorie perfekt folgt. Demzufolge scheint die beobachtete limitierte Rekombination in gemischten P3HT:PCBM-Schichten aus der Präsenz zweier unterschiedlicher Materialien zu resultieren. Nach der Betrachtung mehrerer möglicher Mechanismen kommen wir zu dem Schluss, dass eine Kombination von energetischem Trapping und Phasenseparation für dieses Verhalten verantwortlich ist. Diese Ergebnisse wurden im Jahr 2014 in the Journal of Applied Physics publiziert. [6] Die erlangten neuen Einblicke in die photophysischen Eigenschaften von Polymer:Fulleren-Mischschichten besitzen große Bedeutung für die weitere Entwicklung in diesem Bereich. Systematische Messungen der Bindungsenergien von Exzitonen sowie Polaronenpaaren scheinen eine vielversprechende Methode zu sein, die Bedeutung der Exzitonen-Überschussenergie für die Photostromgeneration zu verstehen. Ein besseres Verständnis der Mischungsmorphologie sowie ihren Einfluss auf die bimolekulare Rekombinationsdynamik bahnt den Weg zur Steigerung der Leistung in vielversprechenden Materialsystemen, die bisher durch die limitierte Dicke der Solarzellen eingeschränkt ist. Allerdings bedingt die große Anzahl an Faktoren, die in diesen Rekombinationsmechanismen eine Rolle spielen, weitere fundierte experimentelle Ergebnisse, bevor eine quantitative Modellierung der Prozesse erreicht werden kann. [1] Gorenflot et al., Deutsche Physikalische Gesellschaft Frühjahrstagung 2010, CPP20:10, Regensburg, Germany, 2010 [2] Gorenflot et al., International Conference of Synthetic Metals, 7Ax:05, Kyoto, Japan, 2010 [3] Deibel et al., Phys. Rev. B, 81:085202, 2010 [4] Marie-Curie RTN "SolarNTyp" Contract No. MRTN-CT-2006-035533 [5] Gorenflot et al., Synth. Met., 161(23{24):2669-2676, 2012 [6] Gorenflot et al., J. Appl. Phys., 115(14):144502, 2014

The present work addressed the influence of spins on fundamental processes in organic semiconductors. In most cases, the role of spins in the conversion of sun light into electricity was of particular interest. However, also the reversed process, an electric current creating luminescence, was investigated by means of spin sensitive measurements. In this work, many material systems were probed with a variety of innovative detection techniques based on electron paramagnetic resonance spectroscopy. More precisely, the observable could be customized which resulted in the experimental techniques photoluminescence detected magnetic resonance (PLDMR), electrically detected magnetic resonance (EDMR), and electroluminescence detected magnetic resonance (ELDMR). Besides the commonly used continuous wave EPR spectroscopy, this selection of measurement methods yielded an access to almost all intermediate steps occurring in organic semiconductors during the conversion of light into electricity and vice versa. Special attention was paid to the fact that all results were applicable to realistic working conditions of the investigated devices, i.e. room temperature application and realistic illumination conditions. / Die vorliegende Arbeit behandelt den Einfluss der Elektronenspins auf grundlegende Prozesse in organischen Halbleitern. In den meisten Fällen wurde der Spineinfluss während der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität untersucht. Zusätzlich wurde in einer Studie der gegenteilige Prozess behandelt. Dabei wurde der Einfluss der Spins auf die Umwandlung von elektrischem Strom in Licht betrachtet. Es wurden viele verschiedene Materialsysteme verwendet, die mit einer Vielzahl an Methoden vermessen wurden, welche alle auf dem Prinzip der Elektronenspinresonanz beruhen. Dabei wurde stets die Messgröße variiert, was zu den verwendeten Messmethoden Photolumineszenz detektierte Magnetresonanz (PLDMR), elektrisch detektierte Magnetresonanz (EDMR) und Elektrolumineszenz detektierte Magnetresonanz (ELDMR) geführt hat. Zusam- men mit der gewöhnlichen Elektronenspinresonanz Spektroskopie führt diese Auswahl an vielfältigen Messmethoden dazu, dass so gut wie alle Zwischenschritte bei der Umwand- lung von Licht in Elektrizität als auch von Elektrizität in Licht untersucht werden können. Besonderes Augenmerk wurde darauf gelegt, dass alle Messungen auf realistische Bedingungen übertragbar sind, d.h. bei Raumtemperatur und unter normalen Beleuchtungsstärken und -wellenlängen. Zu Beginn der Arbeit wurde ein kurzer Überblick über die historische Entwicklung von organischen Solarzellen gegeben, zusammen mit der Erläuterung von grundlegenden Prozessen in den untersuchten Bauteilen, stets auch hinsichtlich der vorkommenden Spinzustände. Desweiteren wurde die Solarzellencharakterisierung und die Morphologie der aktiven Schicht diskutiert. Das darauf folgende Kapitel behandelte die theoretische Beschreibung des Magnetfeldeffekts auf Spinzustände und diverse Wechselwirkungsmechanismen. Darüber hinaus wurde diskutiert, wie Mikrowellen die vom Magnetfeld ausgerichteten Spins beeinflussen können. Zu guter Letzt wurden verschiedene Modelle vorgestellt, mit deren Hilfe sich die erzielten Ergebnisse interpretieren lassen. Das nächste Kapitel beschreibt schließlich detailliert die experimentellen Feinheiten, wie verwendete Materialien, Probenherstellung und verschiedene Spektrometer Konfigurationen. Das erste Ergebnis Kapitel beschreibt den Einfluss des Zusatzmittels 1,8-Dijodoktan auf das Materialsystem PTB7:PC70BM. Dies wurde mit Hilfe von konventioneller Elek- tronenspinresonanz untersucht, welche es ermöglicht zwischen Elektronen auf dem Akzeptor- und Polaronen auf dem Donormaterial zu unterscheiden. Ergänzend dazu wurden Röntgenphotoelektronenspektroskopiemessungen durchgeführt, welche zu dem Ergebnis führten, dass Jod trotz Hochvakuumtrocknung mit der relativen hohen Konzentration von (7.3±2.1)·1019 1 in dem Material verbleibt. Zudem bleibt Jod wahrscheinlich bevorzugt in der Akzeptorphase. Es wurde außerdem kein elektronischer Doping- effekt gefunden. Nichtsdestotrotz wird dieses Ergebnis einen Einfluss auf die zukünftige Wahl des Zusatzmittels haben. Kapitel 6 handelt von der Entstehung von Triplett Exzitonen in dem Materialsystem p-DTS(FBTTh2)2:PC70BM, wobei das Donormaterial aus löslichen kleinen Molekülen besteht, anstatt aus Polymeren. Mit Hilfe von PLDMR Messungen konnten die Entstehungsmechanismen Elektronenrücktransfer, sowie inter system crossing den verschiedenen Proben zugeordnet werden. Der genaue Mechanismus hängt jedoch stark von der Morphologie des untersuchten Materialsystems ab. Durch den Nachweis von Triplett Exzitonen bei Raumtemperatur konnte die Relevanz der Ergebnisse auch bei realen Bedingungen bestätigt werden. Vergleicht man das Triplett Vorkommen mit den So- larzelleneffizienzen konnte keine Korrelation erkannt werden. Daraus ergibt sich, dass Triplett Exzitonen für das untersuchte Materialsystem keine Effizienz limitierende Größe darstellen. Zum Abschluss wurde die Ausrichtung der Moleküle auf dem Substrat mit Hilfe von winkelabhängigen Messungen bestätigt. Der Einfluss des Zusatzmittels Galvinoxyl auf die Funktionsweise von organischen Solarzellen wird in Kapitel 7 untersucht. Es wurden PLDMR durchgeführt, die gezeigt haben, dass Galvinoxyl in der Lage ist Spin Zustände zu verändern, wie von der Literatur vorhergesagt. Aufgrund dessen handelt es sich um einen konkurrierenden Prozess gegenüber den erzeugten Spin resonanten Bedingungen. Durch die Messung an verschiedenen Doping Konzentrationen konnte ein Optimum von 3.2 % für das Materialsystem P3HT:PC60BM bestimmt werden. Trotzallem ist es unwahrscheinlich, dass der sehr große Anstieg des Photostroms in mit Galvinoxyl gedopten Solarzellen auf spinabhängige Prozesse zurückzuführen ist. Die Quantifizierung von spinabhängigen Prozessen in organischen Solarzellen bein- haltet viele Schwierigkeiten. Durch die Kombination des EDMR Messprinzips mit der Ladungsträgerextraktionsmethode OTRACE war es jedoch möglich, einen spinabhängigen Rekombinationsanteil von (0.012±0.009)% bei Raumtemperatur und (0.052±0.031)% bei 200 K für das Materialsystem P3HT:PC70BM zu bestimmen. Darüber hinaus wurde eine Interpretation eingeführt, die in der Lage ist, das Zustandekommen des EDMR Signals zu erklären. Im letzten Ergebnisteil (Kapitel 9) wurde der Fokus darauf gelegt, wie Spins die Funktionsweise von organischen Leuchtdioden (OLEDs) beeinflussen, die auf thermisch aktivierter verzögerter Lumineszenz (TADF) basieren. Dabei wurden verschiedene Detektionsverfahren verwendet, wobei sich heraus gestellt hat, dass ELDMR das einzig verwendbare darstellt. Damit konnten durch temperaturabhängige Messungen der energetische Unterschied zwischen dem Singulett- und Triplett Exciplex Zustand ∆EST bestimmt werden. Es ergaben sich (20.5±1.2) meV für THCA:BPhen und (68.3±5.4) meV für m-MTDATA:BPhen. Durch diese Messungen wurde zum ersten Mal zweifelsfrei der Einfluss von Spins in der Entstehung der Elektrolumineszenz von TADF OLEDs gezeigt. Aufgrund der Diskussion von möglichen Gründen, die für die verschiedenen Werte von ∆EST verantwortlich sind, konnten neue Vorgaben für zukünftige Materialkombinationen und -synthese gefunden werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Arbeit einen bedeutenden Beitrag geliefert hat, um spinabhängige Prozesse in organischen Halbleitern aufzuklären. Darauf aufbauend werden Folgestudien vielleicht eines Tages sämtliche spinabhängigen Prozesse in diesen viel versprechenden Materialsystemen erklären können.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Exzitonen in molekularen Kristallen mittels zeitaufgelöster Photolumineszenz (PL) und theoretischer Berechnungen studiert. Zeitaufgelöste PL - Untersuchungen an einzelnen PTCDA - Kristallen und dünnen Filmen wurden im Zeitfenster bis zu 100 ns und in einem variablen Temperaturbereich von 10 bis 300 K durchgeführt. Die ermittelten PL - Spektren können durch überlappende Rekombinationkanäle mit zeitlich exponentiellem Abfall von beschrieben werde, die verschieden Typen von Exzitonen wie Frenkel - Exziton, Ladungstransfer - Exziton (CT), Excimer und Monomer entsprechen. Alle Exzitonen wurde quantitativ in bezug auf ihre Positionen, Linienformen und Zerfallszeiten charakterisiert. Durch Analyse der PL - Spektren bei verschiedenen Temperaturen wird der dominierende Beitrag des Frenkel - und des CT - Exzitons zur Rekombination bei niedrigen Temperaturen nachgewiesen, während der Excimer - Beitrag bei Raumtemperatur dominiert. Die gefundenen Lebenszeiten von Exzitonen sind viel langsamer als vorher für PTCDA berichtet. Ein schematisches Energie-Diagramm von Exzitonzuständen, die die Prozesse der Absorption, Relaxation und Rekombination beschreiben, wird vorgeschlagen. Die entsprechende k-Raum - Dispersion der Frenkel - Exzitonen zusammen mit den externen Phononen und den drei tiefsten internen vibronischen Moden, wie in Resonanz - Ramanspektren beobachtet, sowie die Bildung von selbstgefangenen Exzitonen erklären die sehr hohe Stokes – Verschiebung, die zwischen Absorption und PL - Spektren beobachtet wird. Die quantenchemischen Berechnungen von Elektronenübergängen wurden für ein einzelnes PTCDA - Molekül und für verschiedene Typen von PTCDA - Dimeren durchgeführt. Die Berechnungen von vibronischen Moden eines einzelnen Moleküls und der Verformung im relaxierden angeregten Zustand zeigen gute Übereinstimmung mit der beobachteten Absorption von Molekülen in Lösung und dem unter Resonanzbedingung gemessenen Ramanspektren von dünnen Filmen. Mit den zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie - Berechnungen von vertikal gepackten und coplanaren Dimeren wurde die Bestimmung der intermolekularen Wechselwirkung und die Kalibrierung der Übergangsenergie durchgeführt. Weitere Berechnungen des verformten Dimers, z. B. Kation – Anion - Dimere und eines relaxieren angeregten Stapels, sagen Übergänge mit Energien von 1,80 1,63 und 1,75 eV, sehr nah den beobachteten Übergängen des Ladungstransfer - Exzitons und des Excimers voraus. Deshalb können diese Dimere als Modelle für selbstgefangene Exzitonen auf Molekularniveau betrachtet werden.

Kassel, Universiẗat, Diss., 2007.

Stuttgart, Univ., Diss., 2005.

Univ., Diss.--Erlangen-Nürnberg, 2004.

Stuttgart, Univ., Fakultät Physik, 1998.