Bei der Fertigung von Siliziumwafern durch Zerteilen eines Siliziumblockes kommt das Drahttrennläppverfahren zur Anwendung. Es wird eine Erregereinheit entwickelt, die den Siliziumblock während des Schneidprozesses zu Schwingungen anregt. Die Verwendung von Piezoaktoren ermöglicht mehrachsige Schwingungen mit variabler Frequenz und Amplitude. Wesentliche Bestandteile der Arbeit sind experimentelle Untersuchungen an den Aktoren und der gesamten Erregereinheit sowie die Modellierung des Gesamtsystems mit Hilfe linearer Einzelmodelle. Es zeigt sich, dass die Aktoren bei dynamischen Anwendungen linear beschrieben werden können, während das Gesamtmodell besonders in den Resonanzbereichen aufgrund montagebedingter Einflüsse Schwächen aufweist. Abschließend wird der Einfluss der Schwingungsanregung beim Drahtsägen untersucht. Aus den Versuchen geht hervor, dass im getesteten Frequenz- und Amplitudenbereich sowohl hohe Erregerfrequenzen als auch –amplituden geringere Schnittkräfte zur Folge haben.

Broadening the spectrum available to solar cells towards infrared wavelengths is one way to increase efficiency of organic solar devices. This thesis explores the possibilities of these organic heterojunction devices and two different material classes in thin films and organic solar devices: tin phthalocyanines (SnPcs) and aza-bodipys. To estimate the efficiency reachable under sunlight, model calculations are done for single and tandem cells. These calculations include a distinction between the optical gap and the electrical gap and the splitting of the quasi-Fermi levels. With a number of assumptions, e.g. a fill factor (FF) and an external quantum efficiency (EQE) within the absorption range of 65%, the resulting efficiencies are 15% in a single cell and of 21% in a tandem cell. Halogenation is known to lower the energy levels of molecules without chang-ing the optical band gap. Three different fluorinated and chlorinated SnPcs are investigated and compared to the neat SnPc. While chlorination of SnPc worsens the transport properties of the active layer leading to a lowered FF, the fluorina-tion of SnPc results in the intended increase in VOC and, consequently, efficiency for planar heterojunctions. In bulk heterojunction, however, fluorination does not change the efficiency probably due to the unstably bound fluorine. One method to modify the ionization potential (IP) and the absorption of the second material class, the aza-bodipys, is the annulation of the benzene ring. The energy levels determined by CV and UPS measurement and DFT-calculation show very good agreement and can be linked to a decrease in VOC: The Ph4-bodipy (not benzannulated) device has an efficiency of 1.2% with an EQE reaching up to 800nm and a VOC of almost 1V. The Ph2-benz-bodipy device shows a Voc of 0.65V and an efficiency of 1.1%, the EQE reaching up to 860nm. The variation of the molecule’s end groups to vary their IP is successfully employed for three different benz-bodipys: The variation results in a decrease of the optical gap from 1.5eV for the phenyl group, to 1.4eV for the MeO group, and 1.3eV for the thiophene group with the effective gap and the VOC following this trend. Efficiencies of 1.1% and 0.6% in combination with C60 can be reached in mip-type devices. Ph2-benz-bodipy is then optimized into a single cell with an efficiency of 2.9%. In a tandem cell with DCV6T-Bu4:C60, a Voc of 1.7V, a FF of 57% and an efficiency of 5% is reached. / Die Erweiterung des verfügbaren Spektrums in den Infrarotbereich ist eine Möglichkeit, die Effizienz organischer Solarzellen zu erhöhen. Diese Arbeit erkundet das Potential dieser Heteroübergänge und zwei Materialklassen in dünnen Schichten und Bauelementen: Zinnphthalozyanine (SnPc) und aza-Bodipys. Um die potentielle Effizienz abzuschäötzen, werden Modellberechnungen für Einzel- und Tandemzellen durchgeführt, unter Berücksichtigung des Unterschieds von optischer und elektrischer Bandlücke und der Quasiferminiveauaufspaltung. Mithilfe einiger Annahmen (z.B. Füllfaktor (FF) und externe Quanteneffizienz (EQE) gleich 65%) lässt sich die Einzelzelleffizienz auf 15%, die Tandemzelleffizienz auf 21% abschätzen. Halogenierung kann die Energieniveaus organischer Moleküle herabsetzen, ohne die optische Bandlücke zu verändern. Drei verschiedene chlorierte und fluorierte SnPcs werden mit dem reinen SnPc verglichen. Während die Chlorierung die Transporteigenschaften der aktiven Schicht und den FF verschlechtern, erhöht die Fluorierung wie erwartet Leerlaufspannung (VOC) und Effizienz im flachen Übergang, nicht jedoch in der Mischschicht, vermutlich aufgrund des nicht stabil gebundenen Fluors. Ein Weg, Ionisationspotential (IP) und Absorption der aza-Bodipy zu verändern, ist die Anelierung des Benzenrings. Die durch CV und UPS ermittelten und mittels DFT errechneten Energieniveaus stimmen gut überein und führen zu einer Verringerung der VOC: Die Zelle mit nichtaniliertem Ph4-bodipy zeigt eine Effizienz von 1.2%; das EQE reicht bis 800nm, die VOC beträgt fast 1V. Die Ph2-benz-bodipy-Zelle zeigt eine VOC von 0.65V und eine Effizienz von 1.1%, das EQE reicht bis 860nm. Der Austausch der Endgruppen zur Vergrößerung des IP, erfolgreich angewandt auf drei Benz-Bodipy-Verbindungen, führt zu einer Verringerung der optischen Bandlücke: von 1.5eV (Phenyl) über 1.4eV (MeO) zu 1.3eV (Thiophen); effektive Bandlücke und Voc folgen diesem Trend. Effizienzen von 1.1% und 0.6% in Kombination mit C60 werden in mip-Zellen erreicht. Ph2-benz-bodipy zeigt in einer optimierten nip-Zelle sogar eine Effizienz von 2.9%. Eine Tandemzelle mit DCV6T-Bu4:C60 zeigt eine Voc von 1.7V, einen FF von 57% und eine Effizienz von 5%.

Der derzeitige technische Fortschritt stützt sich maßgeblich auf die Nutzung von elektrischem Strom. Der Anteil der Stromerzeugung aus Sonnenlicht hat mittlerweile in Deutschland den der Wasserkraft überschritten, der 1990 noch der größte regenerative Energielieferant war. Die Technologie der Photovoltaik (PV) wandelt die hochenergetische Strahlung der Sonne in elektrischen Strom um und nutzt dabei häufig Glasplatten als tragende Struktur. Der Hauptanspruch dieser Arbeit liegt in der Entwicklung und Untersuchung eines Befestigungssystems mit einer höher- oder hochmoduligen Klebverbindung zum gläsernen PV-Modul sowie einer möglichst universell einsetzbaren Fügeverbindung zur Unterkonstrukion. Die systematische Enwicklung der Fügeverbindung zum PV-Modul basiert auf dem Ansatz eines flexiblen, stützenden \\hbox{Ringes} für das Fügeelement (Halter), um die durch eine mechanische Belastung der Module induzierten Zugspannungen im Glas über der Fügeelementkante zu reduzieren. Eine neuartige, kombinierte Klammer-Keil-Verbindung sichert die Befestigung auf einer von ihr unabhängigen Unterkonstruktion sowohl quer als auch längs zur Schienenrichtung. Experimentelle Arbeiten charakterisieren die eingesetzte Klebverbindung unter verschiedenen Beanspruchungsszenarien, um sowohl konstruktions- als auch klebstoffbedingte Möglichkeiten und Grenzen der Fügeverbindung für die vorliegende Anwendung zu identifizieren. Die Untersuchungen weisen zudem geeignete Vorbehandlungsmaßnahmen der Aluminiumoberflächen aus. Sowohl numerische Simulationen als auch die neuartig eingesetzte Nahbereichsphotogrammetrie bestätigen in Bauteiluntersuchungen die vorteilige Wirkung des flexiblen, höhermodulig geklebten Ringes. Die vorliegende Arbeit setzt sich hierbei auch kritisch mit unterschiedlichen Einflüssen auf die Ergebnisse auseinander, die einerseits durch verschiedene Prüfstände hervorgerufen werden können und andererseits auch den verwendeten Methoden zugrunde liegen. / Today much of technical advances are due to the usage of electricity. The contribution of solar power to the production of electricity in Germany currently surpasses water powered electricity which was in 1990 the almost exclusive renewable energy source. The technology of photovoltaic systems based on high-powered sun radiation, often utilizes glass plates as a supporting structure. This dissertation primarily focuses on the research and development of a mounting system with a higher or high modulus adhesively bonded joint to the PV-module as well as an all-purpose connection to the substructure. The systematical development process of the connection to the PV-module is based on the approach of a flexible supporting ring-shaped mounting element. This reduces the tension within the glass surface at the edge of the mounting element when mechanically loading the PV-module. A novel connection using a clamp-wedge combination ensures the ability to mount the PV-module horizontally or vertically to the rail substructure. Through the development process, the bonded joint is exposed to various scenarios where the construction as well as the adhesive possibilities and limitations under each scenario are analyzed. Research outcomes yield recommendations for appropriate pre-treatment of the aluminum surfaces. Numerical simulations as well as the novel use of the near-field photogrammetry method confirmed beneficial action of the flexible ring-shaped mounting element within assembly testing of large glass specimens. This dissertation discusses how different variables can have a considerable effect on results when introduced through the testing device and through monitoring methods.

Broadening the spectrum available to solar cells towards infrared wavelengths is one way to increase efficiency of organic solar devices. This thesis explores the possibilities of these organic heterojunction devices and two different material classes in thin films and organic solar devices: tin phthalocyanines (SnPcs) and aza-bodipys. To estimate the efficiency reachable under sunlight, model calculations are done for single and tandem cells. These calculations include a distinction between the optical gap and the electrical gap and the splitting of the quasi-Fermi levels. With a number of assumptions, e.g. a fill factor (FF) and an external quantum efficiency (EQE) within the absorption range of 65%, the resulting efficiencies are 15% in a single cell and of 21% in a tandem cell. Halogenation is known to lower the energy levels of molecules without chang-ing the optical band gap. Three different fluorinated and chlorinated SnPcs are investigated and compared to the neat SnPc. While chlorination of SnPc worsens the transport properties of the active layer leading to a lowered FF, the fluorina-tion of SnPc results in the intended increase in VOC and, consequently, efficiency for planar heterojunctions. In bulk heterojunction, however, fluorination does not change the efficiency probably due to the unstably bound fluorine. One method to modify the ionization potential (IP) and the absorption of the second material class, the aza-bodipys, is the annulation of the benzene ring. The energy levels determined by CV and UPS measurement and DFT-calculation show very good agreement and can be linked to a decrease in VOC: The Ph4-bodipy (not benzannulated) device has an efficiency of 1.2% with an EQE reaching up to 800nm and a VOC of almost 1V. The Ph2-benz-bodipy device shows a Voc of 0.65V and an efficiency of 1.1%, the EQE reaching up to 860nm. The variation of the molecule’s end groups to vary their IP is successfully employed for three different benz-bodipys: The variation results in a decrease of the optical gap from 1.5eV for the phenyl group, to 1.4eV for the MeO group, and 1.3eV for the thiophene group with the effective gap and the VOC following this trend. Efficiencies of 1.1% and 0.6% in combination with C60 can be reached in mip-type devices. Ph2-benz-bodipy is then optimized into a single cell with an efficiency of 2.9%. In a tandem cell with DCV6T-Bu4:C60, a Voc of 1.7V, a FF of 57% and an efficiency of 5% is reached.:1 Introduction 13 2 Physics of Organic Solids 15 2.1 Organic Molecular Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.1 Delocalization in Conjugated Systems . . . . . . . . . . . . 16 2.2 Energies and Excitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1 Organic Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.2 Organic Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.3 Excitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3 Charge Carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.1 Doping of Organic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . 26 3 Physics of Photovoltaics 29 3.1 Photovoltaics in General 29 3.1.1 pn-Junction 31 3.1.2 Quasi-Fermi Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.3 pin-Concept - Semipermeable Membranes . . . . . . . . . 40 3.1.4 Efficiency Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2 Organic Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2.1 Organic Heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.2 Recombination Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2.3 Transport Layers – pin-Concept in OSC . . . . . . . . . . 52 4 Materials and Experimental Setups 57 4.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.1 Buckminsterfullerene C60 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.2 Transport Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2 Sample Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.3 Experimental Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.1 Characterization of Thin Layers . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.2 Characterization of Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4 Contents 5 Efficiency of an Organic Solar Cell 75 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.2 Theoretical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2.1 The Power Conversion Efficiency . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2.2 Optical Gap and Short-Circuit Current Density . . . . . . 76 5.2.3 Open-Circuit Voltage and Splitting of Quasi-Fermi Levels . 77 5.3 Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3.1 Single Heterojunction Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3.2 Tandem Heterojunction Solar Cells . . . . . . . . . . . . . 80 5.3.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6 Tin Phthalocyanines in Organic Solar Cells 83 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.2 Material Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.3.1 Planar Heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.3.2 Bulk Heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.3.3 Photoelectron Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7 Benzannulation of Aza-Bodipy Dyes 97 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.2 Properties of Bodipys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.2.1 Chemical Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.2.2 Solution and Thin Film Properties . . . . . . . . . . . . . 99 7.3 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7.3.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 8 Effect of End Group Variation on Aza-Bodipy Dyes 111 8.1 Thin Film Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 8.1.1 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 8.1.2 Energetic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.1.3 Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 8.2 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 8.2.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 9 Optimization of Infrared Absorbing Organic Solar Cells 123 9.1 Optimization of the Single Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 9.1.1 Optimized Single Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 9.1.2 Device Lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 9.2 Tandem Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 9.2.1 Summary and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 10 Summary and Outlook 139 Bibliography 145 List of Abbreviations 165 Acknowledgments 167 / Die Erweiterung des verfügbaren Spektrums in den Infrarotbereich ist eine Möglichkeit, die Effizienz organischer Solarzellen zu erhöhen. Diese Arbeit erkundet das Potential dieser Heteroübergänge und zwei Materialklassen in dünnen Schichten und Bauelementen: Zinnphthalozyanine (SnPc) und aza-Bodipys. Um die potentielle Effizienz abzuschäötzen, werden Modellberechnungen für Einzel- und Tandemzellen durchgeführt, unter Berücksichtigung des Unterschieds von optischer und elektrischer Bandlücke und der Quasiferminiveauaufspaltung. Mithilfe einiger Annahmen (z.B. Füllfaktor (FF) und externe Quanteneffizienz (EQE) gleich 65%) lässt sich die Einzelzelleffizienz auf 15%, die Tandemzelleffizienz auf 21% abschätzen. Halogenierung kann die Energieniveaus organischer Moleküle herabsetzen, ohne die optische Bandlücke zu verändern. Drei verschiedene chlorierte und fluorierte SnPcs werden mit dem reinen SnPc verglichen. Während die Chlorierung die Transporteigenschaften der aktiven Schicht und den FF verschlechtern, erhöht die Fluorierung wie erwartet Leerlaufspannung (VOC) und Effizienz im flachen Übergang, nicht jedoch in der Mischschicht, vermutlich aufgrund des nicht stabil gebundenen Fluors. Ein Weg, Ionisationspotential (IP) und Absorption der aza-Bodipy zu verändern, ist die Anelierung des Benzenrings. Die durch CV und UPS ermittelten und mittels DFT errechneten Energieniveaus stimmen gut überein und führen zu einer Verringerung der VOC: Die Zelle mit nichtaniliertem Ph4-bodipy zeigt eine Effizienz von 1.2%; das EQE reicht bis 800nm, die VOC beträgt fast 1V. Die Ph2-benz-bodipy-Zelle zeigt eine VOC von 0.65V und eine Effizienz von 1.1%, das EQE reicht bis 860nm. Der Austausch der Endgruppen zur Vergrößerung des IP, erfolgreich angewandt auf drei Benz-Bodipy-Verbindungen, führt zu einer Verringerung der optischen Bandlücke: von 1.5eV (Phenyl) über 1.4eV (MeO) zu 1.3eV (Thiophen); effektive Bandlücke und Voc folgen diesem Trend. Effizienzen von 1.1% und 0.6% in Kombination mit C60 werden in mip-Zellen erreicht. Ph2-benz-bodipy zeigt in einer optimierten nip-Zelle sogar eine Effizienz von 2.9%. Eine Tandemzelle mit DCV6T-Bu4:C60 zeigt eine Voc von 1.7V, einen FF von 57% und eine Effizienz von 5%.:1 Introduction 13 2 Physics of Organic Solids 15 2.1 Organic Molecular Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.1 Delocalization in Conjugated Systems . . . . . . . . . . . . 16 2.2 Energies and Excitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1 Organic Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.2 Organic Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.3 Excitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3 Charge Carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.1 Doping of Organic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . 26 3 Physics of Photovoltaics 29 3.1 Photovoltaics in General 29 3.1.1 pn-Junction 31 3.1.2 Quasi-Fermi Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.3 pin-Concept - Semipermeable Membranes . . . . . . . . . 40 3.1.4 Efficiency Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2 Organic Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2.1 Organic Heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.2 Recombination Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2.3 Transport Layers – pin-Concept in OSC . . . . . . . . . . 52 4 Materials and Experimental Setups 57 4.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.1 Buckminsterfullerene C60 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.2 Transport Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2 Sample Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.3 Experimental Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.1 Characterization of Thin Layers . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.2 Characterization of Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4 Contents 5 Efficiency of an Organic Solar Cell 75 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.2 Theoretical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2.1 The Power Conversion Efficiency . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2.2 Optical Gap and Short-Circuit Current Density . . . . . . 76 5.2.3 Open-Circuit Voltage and Splitting of Quasi-Fermi Levels . 77 5.3 Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3.1 Single Heterojunction Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3.2 Tandem Heterojunction Solar Cells . . . . . . . . . . . . . 80 5.3.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6 Tin Phthalocyanines in Organic Solar Cells 83 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.2 Material Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.3.1 Planar Heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.3.2 Bulk Heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.3.3 Photoelectron Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7 Benzannulation of Aza-Bodipy Dyes 97 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.2 Properties of Bodipys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.2.1 Chemical Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.2.2 Solution and Thin Film Properties . . . . . . . . . . . . . 99 7.3 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7.3.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 8 Effect of End Group Variation on Aza-Bodipy Dyes 111 8.1 Thin Film Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 8.1.1 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 8.1.2 Energetic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.1.3 Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 8.2 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 8.2.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 9 Optimization of Infrared Absorbing Organic Solar Cells 123 9.1 Optimization of the Single Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 9.1.1 Optimized Single Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 9.1.2 Device Lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 9.2 Tandem Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 9.2.1 Summary and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 10 Summary and Outlook 139 Bibliography 145 List of Abbreviations 165 Acknowledgments 167

Bei der Fertigung von Siliziumwafern durch Zerteilen eines Siliziumblockes kommt das Drahttrennläppverfahren zur Anwendung. Es wird eine Erregereinheit entwickelt, die den Siliziumblock während des Schneidprozesses zu Schwingungen anregt. Die Verwendung von Piezoaktoren ermöglicht mehrachsige Schwingungen mit variabler Frequenz und Amplitude. Wesentliche Bestandteile der Arbeit sind experimentelle Untersuchungen an den Aktoren und der gesamten Erregereinheit sowie die Modellierung des Gesamtsystems mit Hilfe linearer Einzelmodelle. Es zeigt sich, dass die Aktoren bei dynamischen Anwendungen linear beschrieben werden können, während das Gesamtmodell besonders in den Resonanzbereichen aufgrund montagebedingter Einflüsse Schwächen aufweist. Abschließend wird der Einfluss der Schwingungsanregung beim Drahtsägen untersucht. Aus den Versuchen geht hervor, dass im getesteten Frequenz- und Amplitudenbereich sowohl hohe Erregerfrequenzen als auch –amplituden geringere Schnittkräfte zur Folge haben.

Im Rahmen dieser Arbeit werden Schichten und Schichtsyteme untersucht, die mittels D.C. gepulstem Magnetronzerstäuben abgeschieden wurden. Die Untersuchungen der Schichten erfolgen unter dem Gesichtspunkt der Eignung dieser Schichten als Kontaktschichten für photovoltaische Anwendungen. Eine detaillierte Studie der Schichteigenschaften wurde mit Hilfe von optischen Spektroskopiemethoden sowie elektrischen Messungen erstellt. Diese stellt die Zusammenhänge der Abscheideparameter, insbesondere der Substrattemperatur und der Wasserstoffflussrate bei der Abscheidung mit den Schichteigenschaften her. Des Weiteren werden die wechselseitigen Abhängigkeiten der Schichteigenschaften dargelegt. Hierbei wurde unter anderem gezeigt, dass der allgemein in der Literatur akzeptierte lineare Zusammenhang zwischen der Tauc-Lorentz Bandlücke und dem Wasserstoffgehalt nicht für alle Proben bestätigt werden konnte. Stattdessen wurde die Abhängigkeit der Bandlücke im Wesentlichen dem Anteil der polyhydrierten Siliziumatome innerhalb der Schicht zugeordnet. Für Teilmengen der Proben ergibt sich hieraus wieder eine nahezu lineare Abhängigkeit zwischen dem Wasserstoffgehalt und der Bandlücke. Im zweiten Teil der Arbeit werden Heterostruktur-Dioden untersucht, die sich an der Grenzfläche zwischen amorphem und kristallinem Silizium ausbilden. Dabei werden vordergründig die elektrischen Eigenschaften untersucht. Dies umfasst die Untersuchung der Abscheideparameter auf grenzflächennahe Defektzustände, die mittels Ladungstransientenspektroskopie (QTS) gefunden wurden. Zudem wird der begünstigende Einfluss des kristallinen Siliziumsubstrats auf die Ausbildung von mikrokristallinen Strukturen der aufwachsenden Schichten mittels ramanspektroskopischen Untersuchungen dargelegt.

Silber-Glas-Dispersionen werden in der Herstellung von Solarzellen zur Ausbildung des Vorderseitenkontaktes großtechnisch seit vielen Jahren eingesetzt. Nichtsdestotrotz ist der Kontaktbildungsmechanismus bis jetzt nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit wurden Lösungs-, Transport- und Ausscheidungsprozesse von silberhaltigen Glasschmelzen in Silber-Glas-Dispersionen während der thermischen Kontaktierung von multikristallinem Silicium untersucht. Hierfür wurden systematisch Änderungen in der Zusammensetzung der Silber-Glas-Dispersionen sowie der hierfür verwendeten Gläser durch geführt, um Einzeleffekte zu separieren. Die Gläser wurden mit Silber zu Modelldispersionen verarbeitet und auf Siliciumwafer zu Herstellung von Solarzellen mittels Siebdruck abgeschieden und eingebrannt. Sowohl die Einzelkomponenten als auch die hergestellten Dispersionen wurden hinsichtlich ihrer thermisch aktivierten, linearen Schwindung untersucht. Die hergestellten Solarzellen wurden elektrisch sowie mittels FESEM in ihrer Mikrostruktur charakterisiert. Es konnten Zusammenhänge zwischen diesen Untersuchungen hinsichtlich der Silberlösung im Glas unter Oxidation, dem Silbertransport im Glas mittels Diffusion oder Konvektion sowie der Silberausscheidung unter Reduktion an der Waferoberfläche hergestellt und Einzeleffekte für den Silbertransport während des Einbrandes von Solarzellen identifiziert werden.

Vor dem Hintergrund der zukünftigen Notwendigkeit einer nachhaltigen Energieversorgung beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit Technologien der regenerativen Energiequelle Solarenergie, insbesondere Photovoltaik (PV). Systeme zur Nutzung der unerschöpflich verfügbaren, sauberen und im Prinzip “frei Haus” gelieferten Energie der Sonne können eine bedeutsame Rolle in einer umweltverträglicheren Zukunft spielen. Allerdings ist die Herstellung der erforderlichen Komponenten heute i.d.R. noch energie- und kostenintensiv, weshalb für eine korrekte Bewertung dieser Technologien der gesamte Lebenszyklus betrachtet werden muss. Zur tieferen Analyse der PV wird die Methodik des Environmental Life Cycle Costing (ELCC) auf der Grundlage von drei Grundideen eingeführt. Konkret sind dies die Ausgangspunkte: Nachhaltigkeit, Lebenszyklusdenken und die Drei-Dimensionalität dieses Instrumentes durch die gemeinsame Betrachtung ökologischer, ökonomischer und technischer Aspekte in ihrem Zusammenspiel. Ausgehend von theoretischen Elementen der Ökobilanzierung (Life Cycle Assessment) und des Life Cycle Costings, verbunden mit den technischen Eigenschaften der Photovoltaik werden wichtigste Anforderungen und Schritte für die Durchführung eines ELCC für PV beschrieben. Mittels einer softwaregestützten Inhaltsanalyse wird im Anschluss der definierte Rahmen für ein ELCC für PV getestet (und modifiziert) gegen eine Auswahl von 135 bereits existierender Studien, die sich mit dem Lebenszyklus von PV-Technologien aus ökologischer und ökonomischer Sicht beschäftigen. Im Ergebnis hieraus können die wichtigsten Elemente eines ELCC für PV, wie beispielsweise ökologische Wirkungskategorien oder ökonomische Indikatoren, identifiziert werden (methodisches Feedback). In einem nächsten Schritt werden die Studien hinsichtlich ihrer “Qualität” bezogen auf ökologische, ökonomische und übergreifende Inhalte eines ELCC für PV bewertet. Auf diese Weise kann ein Inventar von Lebenszyklusanalysen für PV erstellt werden, das nach den Technologien und der inhaltlichen Qualität bezüglich eines ELCC strukturiert ist und für weitere Analysen als Grundlage dienen kann. Aus den bisherigen Ergebissen kann eine erste Einschätzung zum aktuellen Stand des ELCC für PV in der Literatur vorgenommen werden: Es existiert bereits ein großer Pool von Studien, die sich mit dem Lebenszyklus der PV beschäftigen. Mit Blick auf die Anforderungen eines ELCC für PV besteht jedoch Nachholbedarf in der Verbindung und gemeinsamen Betrachtung von hot spots und trade offs aus ökologischer und ökonomischer Perspektive. Der definierte theoretische Rahmen für ein ELCC für PV, die kodierten Studien sowie das erstellte Inventar von Lebenszyklusanalysen der PV können nun als Grundlage für weitere Analysen dienen. Insbesondere eine inhaltliche Auswertung der konkreten Ergebnisse von Studien kann so einen Benchmark und Orientierung für neue Lebenszyklusanalysen für PV-Technologien liefern. / The special need of a sustainable energy supply in mind the technologies of the renewable source solar energy, especially photovoltaics (PV) is main subject of the present thesis. Using the inexhaustible, clean and “freely delievered” power from the sun solar devices may play a major role in a cleaner future, but, on the other hand, they are still energy consuming and expensive in their production which consequently demands a whole life cycle perspective when assessing this technology. For a closer look at PV the methodology of Environmental Life Cycle Costing (ELCC) is introduced by following three theoretical points of view. Namely these are sustainability, life cycle thinking and the three dimensional nature of this tool by regarding environmental, economic and technical aspects in their interaction. Based on theoretical elements of Life Cycle Assessment and Life Cycle Costing in combination with the technical background of photovoltaics main requirements and steps for performing an ELCC for PV are described. By executing software based content analysis the defined framework is checked (and modified) against a choice of 135 existing studies analyzing the life cycle of PV technologies from an environmental or economic perspective. As a result the main elements of an ELCC for PV, e.g. environmental impact categories and economic indicators, are identified (methodological feedback). Within the next step the existing studies are rated by their “quality” regarding the environmental, economic and more general parts of an ELCC for PV in order to create an inventory of life cycle studies for PV. This inventory is structured by technologies as well as quality of content respecting ELCC and might be used for further analyses. At this stage the results propose the possibility of a first estimate of the present status of ELCC for PV: until now there is a good pool of existing analyses of the life cycle of PV systems. But from an ELCC perspective the examination of common hot spots and trade offs between economic and environmental aspects should be expanded. The theoretical framework of ELCC for PV, the encoded studies and the inventory of life cycle analyses for PV are now the starting point for further analyses, especially of the individual outcome within studies, which will then pose a benchmark for new life cycle studies of PV technology.

Im Rahmen der Energiewende vollzieht sich die Abkehr von einer zentralisierten Energieversorgung mit weitgehend fossilen Kraftwerken hin zu einem dezentral organisierten System mit vorrangig erneuerbaren Energien. In diesem zukünftigen durch erneuerbare Energien dominierten Energiemarkt, nimmt die Photovoltaik (PV) aufgrund ihrer technologischen Eigenschaften eine besondere Stellung ein. Einer umfassenden Nutzung der Photovoltaik standen in der Vergangenheit hohe Investitionskosten entgegen. Der globale Auf- und Ausbau von Produktionskapazitäten zur Fertigung von PV-Anlagen und damit einhergehende Lernkurveneffekte haben im Zeitverlauf zu einer deutlichen Kostenreduktion für PV-Anlagen geführt. Die vormalige Kostenintensität von PV-Anlagen hat zur Entwicklung des klassischen Ansatzes zur Netzparität der Photovoltaik, als Maß deren Wettbewerbsfähigkeit, geführt. Der Ansatz stellt auf den Vergleich von Stromgestehungskosten einer neu installierten PV-Anlage eines Haushalts mit dessen Strombezugskosten aus dem öffentlichen Stromnetz ab. Sowohl die Gegenüberstellung von Kosten und Preisen als auch der Fokus lediglich auf private Haushalte schränken die Anwendbarkeit des Ansatzes ein und bilden den Hintergrund dieser Arbeit. Basierend auf einer umfassenden Literaturrecherche bestehender Paritätsbegriffe erfolgt eine Neudefinition des Ansatzes der Netzparität der Photovoltaik, die eine aussagekräftige Bewertung der Wettbewerbsfähigkeit dieser Technologie erlaubt. Wettbewerbsfähigkeit ist gegeben, wenn sich der Einsatz der Photovoltaik kostensenkend auf die Gesamtkosten der Stromproduktion des Energiemarkts auswirkt. Die allgemeine Anwendbarkeit des Ansatzes auf weitere Energieerzeugungstechnologien, regional und zeitlich unabhängig, gilt als wesentliche Bedingung der Entwicklung des Paritätsansatzes. Hierfür werden die Kriterien reine Kostenorientierung, Betrachtung des gesamten Lebenszyklus von Energieerzeugungsanlagen, Anlagenbetrieb im technologischen Optimum und Vergleichsbasis im Energiemix definiert. Unter Zuhilfenahme eines Energiemarktmodells erfolgt die theoretische Darstellung des novellierten Paritätsansatzes. Netzparität der Photovoltaik im Ansatz dieser Arbeit liegt vor, wenn PV-Anlagen im Rahmen ihrer Nutzungsdauer eine Kostensenkung im Energiemix bewirken. Das bedeutet, dass der Saldo aus Stromgestehungskosten von PV-Anlagen eines Installationsjahrs und dem Energiemix über deren Nutzungsdauer positiv ist. Im Ergebnis des novellierten Ansatzes wird festgestellt, dass der jeweils in einer Region vorliegende Energiemix die Wettbewerbsfähigkeit von Stromerzeugungstechnologien wie der Photovoltaik determiniert. Externe Eingriffe wie eine Begrenzung der Anlagennutzungsdauer, führen generell zu höheren Kosten im Energiemix. Weiterhin zeigt sich, dass für den Standort Deutschland PV-Anlagen ab 2035 die Bedingungen der Netzparität erfüllen und entsprechend im nationalen Energiemix kostenmindernd wirken. Die Neudefinition des Ansatzes zur Netzparität als kostenbasiertes, langfristorientiertes und technologieneutrales Modell stellt ein Planungsinstrument dar, das die Umsetzung politischer Ziele wie der verstärkte Ausbau erneuerbarer Energien oder die Reduktion von CO2-Emissionen kostenminimal ermöglicht.

Organic electronic devices like organic solar cells and organic light-emitting diodes quickly degrade in ambient conditions if left unprotected. High susceptibility to moisture necessitates their encapsulation. The maximum water ingress acceptable to achieve reasonable lifetimes ranges several orders of magnitudes below industrial flexible barrier solutions. In this work, an electrical Ca-Test is used to optimize and investigate moisture barriers towards their application in device encapsulation. Aside from substantial improvement of the measurement system, atomic layer deposited, sputtered, and thermally evaporated barriers are screened and their water vapor transmission rates measured down to 2*10^(-5) g(H2O)/(m²*d) at 38 °C and 90% RH. Completely new encapsulation techniques are presented using novel molecular layer deposition interlayers or lamination of independently processed barriers. This way, simple Al layers become high-end moisture barriers. Furthermore, different single layer barriers are exposed to a wide variety of climates. An in-depth analysis of water permeation mechanics reveals sorption governed by Henry's law as well as dominance of interface diffusion below the barrier at late test stages. Investigated moisture barriers are applied to organic light-emitting diodes as well as solar cells and great improvements of lifetimes are observed. In addition, significant improvements in stability towards water ingress are witnessed upon the integration of adhesion layers at the cathode interface. Lastly, the great potential and applicability of this technology is showcased by the production and aging of fully flexible, highly efficient, stable organic solar cells. / Organische Elektronik-Bauteile wie organische Solarzellen und organische Leuchtdioden degradieren in kürzester Zeit, wenn sie ungeschützt feuchter Luft ausgesetzt sind. Ihre starke Anfälligkeit gegenüber Wasserdampf macht ihre Verkapselung notwendig. Der maximale Wassereintritt, der für sinnvolle Lebensdauern noch zulässig erscheint, liegt jedoch noch mehrere Größenordnungen unter dem, was mit existierenden Technologien erreicht werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird ein elektrischer Kalzium-Korrosionstest benutzt, um Barrieresysteme auf ihre Anwendbarkeit als Verkapselung organischer Bauelemente hin zu untersuchen und zu optimieren. Abgesehen von signifikanten Verbesserungen am Messsystem werden Wasserdampfbarrieren aus Atomlagenabscheidungs-, Kathodenzerstäubungs- und Verdampfungsprozessen vermessen. Dabei werden außerordentlich niedrige Wasserdampfdurchtrittsraten von nur 2*10^(-5) g(H2O)/(m²*d) in einem Alterungsklima von 38 °C und 90% relativer Feuchte verzeichnet. Vollkommen neue Verkapselungstechniken werden realisiert, wie etwa die Integration von Zwischenschichten durch Molekularlagenabscheidung oder die Lamination zweier Barrieren, die unabhängig voneinander prozessiert werden. Dieser Prozess verwandelt einfache Al Schichten in qualitativ hochwertige Wasserdampfbarrieren. Des Weiteren werden verschiedene Einzelschicht-Barrieren einer breiten Klimavariation ausgesetzt. Dies ermöglicht die genaue Analyse der Permeationsmechanismen des Wassers. Es wird gezeigt, dass Sorption hier dem Henry'sche Gesetz folgt. Diffusion entlang der Grenzfläche unterhalb der Barriere dominiert die Permeation zu späten Testzeiten. Die untersuchten Wasserdampfbarrieren werden an organischen Leuchtdioden und Solarzellen erprobt und zeigen große Verbesserungen bezüglich ihrer Lebensdauern. Darüber hinaus zeigt sich eine stark verbesserte Resistenz gegenüber Wassereintritt, wenn eine zusätzliche Adhäsionsschicht unter der Kathodengrenzfläche integriert wird. Letztendlich zeigt sich das große Potential und die Anwendbarkeit der Ergebnisse in der hohen Effizienz und langen Lebensdauer vollflexibler, verkapselter organischer Solarzellen.