Für derzeitige, industriell hergestellte Solarmodule werden Leistungsgarantien von 20 bis 25 Jahren gegeben. Das hat hohen Ansprüchen bezüglich ihrer Zuverlässigkeit, welche sich über ihre Effizienzabnahme pro Jahr definiert, zur Folge. Die Einführung neuer Technologien, wie z.B. die der PERC- (passivated emitter and rear cell) als Ersatz für die bislang dominierende BSF-Technologie (back surface field) hat eine umfangreiche Änderung der Metallisierung der Solarzellen nach sich gezogen, wodurch neue Degradationseffekte auftreten können. In der vorliegenden Arbeit werden die einzelnen Komponenten der Solarzellenmetallisierung und –verschaltung in Bezug auf ihren Beitrag zur Degradation untersucht. Die dafür notwendige beschleunigte Alterung erfolgte mittels Temperaturwechselbelastung zwischen -40 °C und +85 °C. Unterstützt durch die numerische Simulation konnte die Degradation der Rückseitenmetallisierung und Zellverschaltung im Detail charakterisiert und Lösungen zur Reduktion der Leistungsabnahme abgeleitet werden. Erstmals wurde dabei der Einfluss der AgAl-Legierung und des Druckkontaktwiderstandes auf den Serienwiderstand der Solarmodule untersucht.

Hocheffiziente Solarzellen beruhen auf der exzellenten Oberflächenpassivierung, die minimale Rekombinationsverluste gewährleistet. Innerhalb des letzten Jahrzehnts wurde Al2O3 in der Photovoltaikindustrie zum bevorzugten Material für p-leitendes Si. Unterschiedliche Abscheidetechnologien erreichten Passivierungen mit effektiven Minoritätsladungsträgerlebensdauern nahe der AUGER–Grenze. Die ausgezeichnete Passivierungswirkung von Al2O3wird zwei Effekten zugeschrieben: Einerseits werden Si−SiO2-grenzflächennahe Rekombinationszentren passiviert, wenn Wasserstoff, beispielsweise aus der Al2O3-Schicht, offene Bindungen absättigt. Bedingt durch die hohe Konzentration intrinsischer negativer Ladungen an der SiO2-Grenzfläche weist Al2O3 andererseits einen charakteristischen Feldeffekt auf. Das resultierende elektrische Feld hält Elektronen von Oberflächenrekombinationszentren fern. Negative Ladungen im Al2O3 werden generell als fest bezeichnet. Allerdings hat Al2O3 zusätzlich eine hohe Dichte an Haftstellen, die von Elektronen besetzt werden können. Die Dichte negativer Ladungen im Al2O3-Passivierungsschichten hängt vom elektrischen Feld und der Bestrahlungsintensität ab. Ziel dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung dielektrischer Passivierungsschichtstapel für die Anwendung auf Si-Solarzellen. Der Qualität und Dicke der SiO2-Grenzschicht kommt in diesem Kontext eine besondere Rolle zu, da sie Ladungsträgertunneln ermöglicht. Der Elektronentransport ist eine Funktion der Oxiddicke und das Optimum zwischen Ladungseinfang und -haltung liegt bei etwa 2 nm SiO2. Vier relevante Al2O3-Abscheidetechnologien werden untersucht: Atomlagenabscheidung, Kathodenzerstäubung, Sprühpyrolyse und Rotationsbeschichtung, wobei die erstgenannte dominiert. Es werden Nanolaminate verglichen, die aus Al2O3 und TiO2, HfO2 oder SiO2 mit subnanometerdicken Zwischenschichten bestehen. Während letztgenannte die Oberflächenrekombination nicht vermindern, beeinflussen TiO2- und HfO2-Nanolaminate die Passivierungswirkung. Ein dynamisches Wachstumsmodell, das initiale und stationäre Wachstumsraten der beteiligten Metalloxide berücksichtigt, beschreibt die physikalischen Parameter. Schichtsysteme mit 0,2 % TiO2 oder 7 % HfO2 sind konventionellen Al2O3-Schichten überlegen. In beiden Fällen überwiegt die veränderte Feldeffekt- der chemischen Passivierung, die mit einer Grenzflächenzustandsdichte von maximal 5·1010 eV−1·cm−2 unverändert auf hohem Niveau verbleibt. Die Ladungsdichte beider Schichtsysteme wird entweder über die Änderung ihrer Polarität der festen Ladungen oder der Fähigkeit zum Ladungseinfang bestimmt. Das Tunneln von Elektronen wird durch ein mathematisches Modell erklärt, dass eine bewegliche Ladungsfront innerhalb der Oxidschicht beschreibt. / High-efficiency solar cells rely on excellent passivation of the surface to ensure minimal recombination losses. In the last decade, Al2O3 became the material of choice for p-type Si in the photovoltaic industry. A remarkable surface passivation with effective minority carrier lifetimes close to the AUGER–limit was demonstrated with different deposition techniques. The excellent passivation effect of Al2O3 is attributed to two effects: Firstly, recombination centers at the Si−SiO2 interface get chemically passivated when hydrogen, for instance from the Al2O3 layer, saturates dangling bonds. Secondly, Al2O3 presents an outstanding level of field effect passivation due to its high concentration of intrinsic negative charges close to the SiO2 interface. The generated electrical field effectively repels electrons from surface recombination centers. Negative charges in Al2O3 are generally termed fixed charges. However, Al2O3 incorporates a high density of trap sites, too, that can be occupied by electrons. It was shown that the negative charge density in Al2O3 passivation layers depends on the electrical field and on the illumination intensity. The goal of this work is to systematically investigate dielectric passivation layer stacks for application on Si solar cells. The SiO2 interface quality and thickness plays a major role in this context, enabling or inhibiting carrier tunneling. Since the electron transport is a function of the oxide thickness, the balance between charge trapping and retention is achieved with approximately 2 nm of SiO2. Additionally, four relevant Al2O3 deposition techniques are compared: atomic layer deposition, sputtering, spray pyrolysis and spin–on coating, whereas the former is predominant. Using its flexibility, laminates comprising of Al2O3 and TiO2, HfO2 or SiO2 with subnanometer layers are compared. Although the latter do not show decreased surface recombination, nanolaminates with TiO2 and HfO2 contribute to the passivation. Their physical properties are described with a dynamic growth model that considers initial and steady–state growth rates for the involved metal oxides. Thin films with 0.2 % TiO2 or 7 % HfO2 are superior to conventional Al2O3 layers. In both cases, the modification of the field effect prevails the chemical effect, that is, however, virtually unchanged on a very high level with a density of interface traps of 5·1010 eV−1·cm−2 and below. The density of charges in both systems is changed via modifying either the polarity of intrinsic fixed charges or the ability of trapping charges within the layers. The observations of electron tunneling are explained by means of a mathematical model, describing a charging front, which moves through the dielectric layer.

Es werden die Ergebnisse der Untersuchungen von Stromverteilungen an Solarzellen und Solarmaterial durch magnetische, elektrische und optische Messmethoden gezeigt. Die neue magnetfeldtopographische Messmethode CAIC wird hierbei erläutert und deren Stromverteilungen mit Ergebnissen der IR-Durchlichtmikroskopie, der LBIC- und der LIT-Methode verglichen und ausgewertet. Auf Basis der durchgeführten Untersuchungen und der Annahme des Vorhandenseins einer Korngrenzendekoration werden die Stromverlaufsmodelle einer elektrisch aktiven Korngrenze für eine Probe mit pn-Übergang sowie für eine Probe ohne pn-Übergang gezeigt. Anhand von CAIC-Messungen können die Position und die Orientierung leitfähiger und oberflächennaher SiC- und Si₃N₄-Ausscheidungen in mc-Silizium ohne pn-Übergang ermittelt werden. Hierfür wird ein Stromverlaufsmodell gezeigt. Weiterhin werden Zellmikrobrüche, Fehler in der Kontaktstruktur und Layoutunterschiede der Kontaktstruktur durch CAIC-Messungen an Solarzellen eindeutig nachgewiesen.

Higher conversion efficiencies while reducing costs at the same time is the ultimate goal driving the development of solar cells. Multi-crystalline silicon has attracted considerable attention because of its high stability against light soaking. In case of solar grade multi-crystalline silicon the rigorous control of metal impurities is desirable for solar cell fabrication. It is the aim of this thesis to develop a new manufacturing process optimized for solar-grade multi-crystalline silicon solar cells. In this work the goal is to form solar cell emitters in silicon substrates by plasma immersion ion implantation of phosphine and posterior millisecond-range flash lamp annealing. These techniques were chosen as a new approach in order to decrease the production cost by reducing the amount of energy needed during fabrication. Therefore, this approach is called “Low Thermal Budget” process. After ion implantation the silicon surface is strongly disordered or amorphous up to the depth of the projected ion range. Therefore, subsequent annealing is required to remove the implantation damage and activate the doping element. Flash lamp annealing in the millisecond-range is demonstrated here as a very promising technique for the emitter formation at an overall low thermal budget. During flash lamp annealing, only the wafer surface is heated homogeneously to high temperatures at a time scales of ms. Thereby, implantation damages are annealed and phosphorous is electrically activated. The variation of pulse time allows to modify the degree of annealing of the bulk region to some extent as well. This can have an influence on the gettering behavior of metallic impurities. Ion implantation doping got in distinct consideration for doping of single-crystalline solar cells very recently. The efficient doping of multi-crystalline silicon remains the main challenge to reduce costs. The influence of different annealing techniques on the optical and electrical properties of multi-crystalline silicon solar cells was investigated. The Raman spectroscopy showed that the silicon surface is amorphous after ion implantation. It could be demonstrated that flash lamp annealing at 1000 °C for 3 ms even without preheating is sufficient to recrystallize implanted silicon. The sheet resistance of flash lamp annealed samples is in the range of about 60 Ω/□. Without surface passivation the minority carrier diffusion length in the flash lamp annealed samples is in the range of 85 µm. This is up to one order of magnitude higher than that observed for rapid thermal or furnace annealed samples. The highest carrier concentration and efficiency as well as the lowest resistivity were obtained after annealing at 1200 °C for 20 ms for both, single- and multi-crystalline silicon wafers. Photoluminescence results point towards phosphorous cluster formation at high annealing temperatures which affects metal impurity gettering within the emitter. Additionally, in silicon based solar cells, hydrogen plays a fundamental role due to its excellent passivation properties. The optical and electrical properties of the fabricated emitters were studied with particular interest in their dependence on the hydrogen content present in the samples. The influence of different flash lamp annealing parameters and a comparison with traditional thermal treatments such as rapid thermal and furnace annealing are presented. The samples treated by flash lamp annealing at 1200 °C for 20 ms in forming gas show sheet resistance values in the order of 60 Ω/□, and minority carrier diffusion lengths in the range of ~200 µm without the use of a capping layer for surface passivation. These results are significantly better than those obtained from rapid thermal or furnace annealed samples. The simultaneous implantation of hydrogen during the doping process, combined with optimal flash lamp annealing parameters, gave promising results for the application of this technology in replacing the conventional phosphoroxychlorid deposition and diffusion.:1 Motivation and objectives 1 2 Progress and prospects of silicon solar cells 5 3 Basics of a silicon solar cell 8 3.1 Specific characteristic of a standard silicon solar cell 12 3.2 Fundamental efficiency limits of standard silicon solar cells 14 4 Industrial process featuring low thermal budget process 17 4.1 Cleaning and etching steps 19 4.2 Emitter formation in p-type silicon 20 4.2.1 Thermal diffusion of phosphorous (industrial) 22 4.2.2 Ion beam implantation 24 4.2.3 Plasma immersion ion implantation as potential tool for the LTB process 26 4.2.4 Thermal processing of ion implanted solar cells - FLA as a novel method 28 4.3 Contact formation 30 4.3.1 Screen printing and sintering (industrial) 30 4.3.2 Gettering and BSF formation by aluminum diffusion (industrial) 32 4.3.3 Sputtering (LTB) 33 4.4 Surface passivation 33 5 Fabrication and characterization 35 5.1 Fabrication 35 5.2 Characterization of the p-n junction by ion implantation and FLA 39 5.2.1 Four-Point-Probe measurement (4-PPM) 39 5.2.2 Raman Spectroscopy (RS) 40 5.2.3 Photoluminescence Spectroscopy (PL) 41 5.2.4 Surface Photo-Voltage (SPV) 41 5.3 Analysis of hydrogen and metal impurities 46 5.3.1 Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) 46 5.3.2 Elastic Recoil Detection Analyses (ERDA) and 47 Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) 47 5.4 Solar cell characterization 49 5.4.1 Transmission Electron Microscopy (TEM) 49 5.4.2 Auger Electron Spectroscopy (AES) 50 5.4.3 Light Beam Induced Current (LBIC) 51 5.4.4 Sun Simulator 52 6 Solar cell performance 53 6.1 Processing of the p-n junction by IBI and FLA 54 6.1.1 Variation FLA parameters 54 6.1.2 Influence of the grain size on the LD 71 6.2 Influence of the hydrogen introduced by PIII 76 6.2.1 Hydrogen profile by SIMS 76 6.2.2 H content as function of the thermal treatments 78 6.2.3 Optical properties of the silicon substrate 80 6.3 Influence of PIII and FLA on implanted iron 82 6.4 Contact formation 88 6.4.1 Antireflection layer 89 6.4.2 Back surface formation 90 6.4.3 Electrical and optical characterization 93 7 Overview of the achieved results 98 I References VIII II Publications XVII III Symbols index XVIII IV Acronyms XXI

Solar cells convert sunlight into electrical energy using the photo effect. With a mar-ket share of 60%, multicrystalline silicon (mc-Si) is the most frequently used absorber material. Standard mc-Si ingots are directionally solidified in a fused silica (SiO2) crucible, which exhibits a silicon nitride (Si3N4) inner coating. After the entire raw material has been melted, the nucleation takes place on the Si3N4 inner coating at the bottom of the crucible. This results in an inhomogeneous initial grain structure and an increased fraction of dislocation clusters in the upper part of the ingot, which decrease the quality of standard mc-Si. Therefore, the global goal is the development of a cost-effective technology that reduces the formation of clusters and enhances the quality of mc-Si ingots. One way of achieving that goal is to produce the so-called \"high performance multi crystalline silicon\" (HPM-Si). During the directional solidification silicon raw material remains unmelted at the bottom of the SiO2 crucible, whereby crystallization does start on the silicon feedstock a few millimeters above the crucible bottom. Compared to standard mc-Si, a finer grained structure with many small grains is formed, which are separated by so-called random grain boundaries. Since the movement of dislocations across this grain boundary type has rarely been observed, the risk of formation of dislocation clusters, which have a negative impact on the efficiency of solar cells, is greatly reduced for HPM-Si. However, the disadvantage of the HPM-Si compared to the mc-Si is the yield loss resulting from the unmelted raw material at the crucible bottom. Hence, the aim of the present work is to produce mc-Si with a fine-grained structure in combination with a high fraction of random grain boundaries without the disad-vantage of yield loss. In order to investigate the grain structure in dependence of the nucleation conditions G1 ingots having a mass of 14.5 kg and dimensions of 220x220x130 mm³ were directional solidified in a furnace. The analysis of the grain structure with respect to the grain size, grain orientation and the random grain boundary length fraction and the comparison with the HPM-Si reference crystal took place on horizontal wafers with a thickness of 3mm. One possibility to influence the grain structure of mc-Si could be the variation of the cooling conditions before the start of crystallization at the crucible bottom. In a first series of experiments, a gas-flowed cooling plate, positioned below the crucible, was used. An increased gas flow increases the axial heat flow downwards and the cooling rate below the crucible bottom in the same direction. The detected cooling rate, measured by a thermocouple in the silicon melt 5 mm above the crucible bottom, varied in a range between 0.06-1.5 K/min. An increased cooling rate increases the supercooling, with a maximum of 2K. The analysis of the grain structure shows that a reduction in the cooling rate in combination with the lowest supercooling minimizes the average grain size and increases the fraction of random grain boundaries. However, an HPM-Si like grain structure (grain size and fraction of random grain boundaries comparable to HPM-Si) could not completely produced. Furthermore, due to the extended process time, the wafer yield is reduced, whereby the reduction of the cooling rate is not a preferable method for the industrial process. In a second experimental series, which took place under constant cooling rates, the influence of an additional nucleation layer on the initial grain structure was investigated. For this purpose, the additional nucleation layer was applied on the already existing Si3N4 inner coating on the crucible bottom. In order to adjust a HPM-Si like grain structure, the contact angle of the silicon melt on the additional nucleation layer should be lower than on the Si3N4 inner coating. The theoretical basis for this hypothesis is the relationship between the contact angle and the nucleation energy, which states that a reduced contact angle lowers the nucleation energy and can ultimately lead to more nuclei. Furthermore, in order to avoid melting, the additional nucleation layer must have a higher melting point than silicon. Suitable materials for the application as a foreign seed sample are SiC, SiO2 and Al2O3, which are used in the form of particles with different sizes. The production of the additional nucleation layer was carried out by a spraying as well as by an embedding procedure. These layers exhibit different thermal conductivity as well as surface roughness. Embedded nucleation layers generate higher roughness values than sprayed nucleation layers. The analysis of the grain structure identified the surface roughness as the main influencing factor on the initial grain size. While an increased surface roughness (Rq>100μm) results in a fine-grained structure (average grain size: <2mm²) comparable to HPM-Si, the average grain size increases (>2 mm²) with a reduced surface roughness (Rq<100μm). However, the analysis of the grain boundary relationship shows that the fraction of random grain boundaries does not correlate with the average grain size. Only a ma-terial dependency was detected. All SiO2 nucleation layers generate an increased fraction of random grain boundaries, comparable to the HPM-Si material. In contrast, the fraction of random grain boundaries was reduced for all SiC nucleation layers. This result is probably established with the different thermal conductivities of the used materials. The increased thermal conductivity of the sample with the SiC nucleation layers increases the cooling rate, promoting dendritic growth. In contrast the lower thermal conductivity of the SiO2 nucleation layers reduces the cooling rate and dendritic growth is suppressed. Since dendrites exhibit a Σ3 grain boundary relationship in the center, the fraction of this grain boundary type increases for SiC nucleation layers and the fraction of random grain boundaries decreases. In this thesis, various possibilities for influencing the grain structure have been pre-sented. A SiO2 nucleation layer with a roughness value Rq> 200μm represents an industrially relevant solution for the production of mc-Si with comparable properties to the HPM-Si without the disadvantages of yield loss. Hence, it was possible to in-crease the yield with comparable material quality, whereby the production costs could be reduced. Some first crucible manufacturers have already transferred the use of the SiO2 nucleation layers on top of the already existing Si3N4 inner coating at the crucible bottom to production.

This work investigates organic solar cells made of small molecules. Using the material system α,ω-bis(dicyanovinylene)-sexithiophene (DCV6T) - C60 as model, the correlation between the photovoltaic active layer morphology and performance of the solar cell is studied. The chosen method for controlling the layer morphology is applying different substrate temperatures (Tsub ) during the deposition of the layer. In neat DCV6T layers, substrate heating induces higher crystallinity as is shown by X-ray diffraction and atomic force microscopy (AFM). The absorption spectrum displays a more distinct fine structure, a redshift of the absorption peaks by up to 11 nm and a significant increase of the low energy absorption band at Tsub = 120°C compared to Tsub = 30°C. Contrary to general expectations, the hole mobility as measured in field effect transistors and with the method of charge extraction by linearly increasing voltage (CELIV) does not increase in samples with higher crystallinity. In mixed layers, investigations by AFM and UV-Vis spectroscopy reveal a stronger phase separation induced by substrate heating, leading to larger domains of DCV6T. This is indicated by an increased grain size and roughness of the topography, the increase of the DCV6T luminescence signal, and the more distinct fine structure of the DCV6T related absorption. Based on the results of the morphology analysis, the effect of different substrate temperatures on the performance of solar cells with flat and mixed DCV6T - C60 heterojunctions is investigated. In flat heterojunction solar cells, a slight increase of the photocurrent by about 10% is observed upon substrate heating, attributed to the increase of DCV6T absorption. In mixed DCV6T : C60 heterojunction solar cells, much more pronounced enhancements are achieved. By varying the substrate temperature from -7°C to 120°C, it is shown that the stronger phase separation upon substrate heating facilitates the charge transport, leading to a significant increase of the internal quantum efficiency (IQE), photocurrent, and fill factor. Consequently, the power conversion efficiency (PCE) increases from 0.5% at Tsub = -7°C to about 3.0 % at Tsub ≥ 77°C. Subsequent optimization of the DCV6T : C60 mixing ratio and the stack design of the solar cell lead to devices with PCE of 4.9±0.2 %. Using optical simulations, the IQE of these devices is studied in more detail to identify major remaining loss mechanisms. The evaluation of the absorption pattern in the wavelength range from 300 to 750 nm shows that only 77 % of the absorbed photons contribute to the exciton generation in photovoltaic active layers, while the rest is lost in passive layers. Furthermore, the IQE of the photovoltaic active layers, consisting of an intrinsic C60 layer and a mixed DCV6T : C60 layer, exhibits a lower exciton diffusion efficiency for C60 excitons compared to DCV6T excitons, attributed to exciton migration into the adjacent electron transport layer.:1 Introduction 2 Physical Properties of Organic Semiconductors 2.1 Organic Solids 2.2 Molecules with Conjugated π-Electron Systems 2.2.1 Energy Splitting in Molecular Orbital Theory 2.2.2 Extended π-Conjugated Systems 2.3 Optical Excitations in Organic Molecules 2.4 From Molecules to Solids 2.4.1 Self-Polarization in Organic Solids 2.4.2 Excitations in Organic Solids 2.4.3 Charge Carriers and Transport 3 Organic Photovoltaics 3.1 Solar Cell Physics 3.1.1 Conversion of Radiation into Chemical Energy 3.1.2 Conversion of Chemical Energy into Electrical Energy 3.1.3 Conventional pn-Junction as Photodiode 3.1.4 Simple Equivalent Circuit 3.2 Organic Solar Cells 3.2.1 Donor-Acceptor Heterojunction 3.2.2 Recombination Processes 3.2.3 Transport Layers – The p-i-n Concept 4 Experimental 4.1 Materials 4.1.1 C60 4.1.2 Transport Materials 4.2 Sample Preparation 4.3 Experimental Methods 4.3.1 X-Ray Diffraction 4.3.2 Optical Characterization 4.3.3 Topography Characterization 4.3.4 Mobility Measurements 4.3.5 Electrical Characterization of Solar Cells 4.3.6 Optical Simulation 4.3.7 Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy 4.4 Standard Reporting Conditions and Mismatch 5 The Material System DCV6T - C60 5.1 Oligothiophenes as Donors in Heterojunctions with C60 5.2 Basic Material Properties of DCV6T 5.2.1 Optical Properties 5.2.2 Electronic Properties 5.3 Effect of Substrate Heating on Layer Morphology 5.3.1 Neat DCV6T Layers 5.3.2 Mixed DCV6T : C60 Layers 5.4 Effect of Substrate Heating on Mobility 6 DCV6T - C60 Solar Cells 6.1 Effect of Substrate Heating in DCV6T - C60 Solar Cells 6.1.1 Flat Heterojunction Solar Cells 6.1.2 Mixed Heterojunction Solar Cells 6.2 Influence of the Mixing Ratio 6.3 Optimizing the Layer Stack 6.3.1 Influence of the Transport Layer Thickness 6.3.2 Influence of the Mixed Layer Thickness 6.3.3 Discussion of Quantum Efficiency and Loss Mechanisms 6.4 Thermal Annealing 7 Conclusions and Outlook 7.1 Conclusions 7.2 Outlook Appendix Bibliography Acknowledgements / Diese Arbeit befasst sich mit organischen Solarzellen aus kleinen Molekülen. Anhand des Materialsystems α,ω-bis(Dicyanovinylen)-Sexithiophen (DCV6T) - C60 wird der Zusammenhang zwischen Morphologie der photovoltaisch aktiven Schicht und dem Leistungverhalten der Solarzellen untersucht. Zur Beeinflussung der Morphologie werden verschiedene Substrattemperaturen (Tsub ) während des Schichtwachstums der aktiven Schicht eingestellt. Beim Heizen des Substrates weisen DCV6T Einzelschichten eine erhöhte Kristallinität auf, die mittels Röntgenbeugung und Rasterkraftmikroskopie (AFM) erkennbar ist. Zudem bewirkt die Erhöhung der Substrattemperatur von 30°C auf 120°C eine ausgeprägtere Feinstrukturierung des Absorptionsspektrums, eine Rotverschiebung um bis zu 11 nm und eine Verstärkung der niederenergetischen Absorptionsbande. Entgegen den Erwartungen wird weder in Feldeffekttransistoren noch mit der Methode der Ladungsextraktion bei linear steigenden Spannungspulsen (CELIV) eine Verbesserung der Löcherbeweglichkeit in Zusammenhang mit der erhöhten Kristallinität gemessen. Mischschichten mit C60 weisen bei erhöhten Substrattemperaturen eine stärkere Phasentrennung auf, die zu größeren DCV6T Domänen innerhalb der Schicht führt. Dieser Effekt wird zum Einen durch größere Körnung und Rauigkeit der Topographie, zum Anderen durch die Erhöhung des Lumineszenzsignals von DCV6T sowie der Ausprägung der Feinstruktur im Absorptionsspektrum nachgewiesen. Ausgehend von den Ergebnissen der Morphologieuntersuchung werden die Auswirkungen von verschiedenen Substrattemperaturen auf das Leistungsverhalten von DCV6T - C60 Solarzellen mit planarem und Volumen-Heteroübergang analysiert. Solarzellen mit planarem Heteroübergang weisen eine geringe Verbesserung des Photostromes von etwa 10 % beim Heizen des Substrates auf. Diese wird durch die Erhöhung der DCV6T Absorption verursacht. In Volumen-Heteroübergängen führt die stärkere Phasentrennung bei steigender Substrattemperatur im untersuchten Temperaturbereich von -7°C bis 120°C zu einer Verbesserung des Ladungsträgertransports. Dadurch verbessern sich die interne Quanteneffizienz (IQE), der Photostrom und der Füllfaktor. Der Wirkungsgrad der Solarzellen erhöht sich von 0.5 % bei Tsub = -7°C auf 3.0 % bei Tsub ≥ 77°C. Eine weitere Optimierung des DCV6T : C60 Mischverhältnisses und des Schichtaufbaus ermöglicht Solarzellen mit Wirkungsgraden von 4.9±0.2 %. Mittels optischer Simulationen wird die IQE dieser Solarzellen näher untersucht, um verbleibende Verlustmechanismen zu identifizieren. Es ergibt sich, dass innerhalb des Wellenlängenbereichs von 300 bis 750 nm nur 77 % der absorbierten Photonen tatsächlich in den photovoltaisch aktiven Schichten absorbiert werden, während der Rest in nicht aktiven Schichten verloren geht. Des Weiteren kann nachgewiesen werden, dass C60 Exzitonen aus der aktiven Schicht, bestehend as einer intrinsischen C60 Schicht und einer DCV6T : C60 Mischschicht, durch Diffusion in die angrenzende Elektronentransportschicht verloren gehen.:1 Introduction 2 Physical Properties of Organic Semiconductors 2.1 Organic Solids 2.2 Molecules with Conjugated π-Electron Systems 2.2.1 Energy Splitting in Molecular Orbital Theory 2.2.2 Extended π-Conjugated Systems 2.3 Optical Excitations in Organic Molecules 2.4 From Molecules to Solids 2.4.1 Self-Polarization in Organic Solids 2.4.2 Excitations in Organic Solids 2.4.3 Charge Carriers and Transport 3 Organic Photovoltaics 3.1 Solar Cell Physics 3.1.1 Conversion of Radiation into Chemical Energy 3.1.2 Conversion of Chemical Energy into Electrical Energy 3.1.3 Conventional pn-Junction as Photodiode 3.1.4 Simple Equivalent Circuit 3.2 Organic Solar Cells 3.2.1 Donor-Acceptor Heterojunction 3.2.2 Recombination Processes 3.2.3 Transport Layers – The p-i-n Concept 4 Experimental 4.1 Materials 4.1.1 C60 4.1.2 Transport Materials 4.2 Sample Preparation 4.3 Experimental Methods 4.3.1 X-Ray Diffraction 4.3.2 Optical Characterization 4.3.3 Topography Characterization 4.3.4 Mobility Measurements 4.3.5 Electrical Characterization of Solar Cells 4.3.6 Optical Simulation 4.3.7 Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy 4.4 Standard Reporting Conditions and Mismatch 5 The Material System DCV6T - C60 5.1 Oligothiophenes as Donors in Heterojunctions with C60 5.2 Basic Material Properties of DCV6T 5.2.1 Optical Properties 5.2.2 Electronic Properties 5.3 Effect of Substrate Heating on Layer Morphology 5.3.1 Neat DCV6T Layers 5.3.2 Mixed DCV6T : C60 Layers 5.4 Effect of Substrate Heating on Mobility 6 DCV6T - C60 Solar Cells 6.1 Effect of Substrate Heating in DCV6T - C60 Solar Cells 6.1.1 Flat Heterojunction Solar Cells 6.1.2 Mixed Heterojunction Solar Cells 6.2 Influence of the Mixing Ratio 6.3 Optimizing the Layer Stack 6.3.1 Influence of the Transport Layer Thickness 6.3.2 Influence of the Mixed Layer Thickness 6.3.3 Discussion of Quantum Efficiency and Loss Mechanisms 6.4 Thermal Annealing 7 Conclusions and Outlook 7.1 Conclusions 7.2 Outlook Appendix Bibliography Acknowledgements

Fullerenhaltige Bulk-Heterojunction-Solarzellen auf Polymerbasis zeigen derzeit eine geringe Langzeitstabilität, die unter anderem auf der Entmischung der Bulkphasen beruht. In dieser Arbeit wurden daher auf neuartige Weise Blockcopolymere entwickelt, die zur Stabilisierung der Phasen dienen können. Ausgehend von Poly-3-hexylthiophen-Makroinitiatoren wurde ein zweiter Block mit reaktivem Comonomer polymerisiert, das zur Anbindung von reinem Fullerens bzw. von Fullerenderivaten diente. Die fullerenfunktionalisierten Polymere wurden in Modell-Systeme eingemischt und zeigten erste Verbesserungen bezüglich der Phasenstabilisierung.:1 Einleitung und Zielstellung 2 Grundlagen 2.1 Polymere Solarzellen 2.1.1 Theoretische Grundlagen und Funktionsweise 2.1.2 Materialien und Materialoptimierung 2.1.3 Stabilisierung der Blendmorphologien 2.2 Blockcopolymere – Eigenschaften und Aufbau 2.2.1 Kontrolliert radikalische Polymerisationen 2.2.2 Kumada-Catalyst Transfer Polycondensation 2.3 Fullerene – Eigenschaften und Funktionalisierung 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Darstellung von Akzeptor-Polymeren 3.1.1 Synthese der Copolymere 3.1.2 Bingel-Reaktion 3.1.3 Polymeranaloge Reaktionen und Anbindung von Fullerenen an Copolymere 3.2 Synthesen von Donor-Akzeptor-Blockcopolymeren 3.2.1 Synthese und Charakterisierung des Makroinitiators und der Blockcopolymere 3.2.2 Polymeranaloge Reaktionen an Blockcopolymeren 3.3 Charakterisierung der Eigenschaften von Donor-Akzeptor-Blockcopolymeren in Blends 3.3.1 Blends mit fullerenhaltigen Blockcopolymeren 3.3.2 Blends mit azidfunktionalisiertem Blockcopolymer 3.3.3 Solarzellen-Tests 4 Zusammenfassung und Ausblick 5 Experimenteller Teil 5.1 Verwendete Chemikalien und Reagenzien 5.2 Geräte und Hilfsmittel 5.3 Synthesen niedermolekularer Verbindungen 5.4 Polymersynthesen 5.5 Polymeranaloge Reaktionen 6 Literaturverzeichnis Anhang

Organische Photovoltaik könnte zukünftig eine Möglichkeit zur Energiegewinnung aus erneuerbaren Energiequellen darstellen. Der Vorteil besteht hier vor allen Dingen in dem Potential einer sehr kostengünstigen Herstellung, zum Beispiel einer Produktion im Rolle-zu-Rolle-Verfahren, welche so auf flexiblen Substraten wie beispielsweise Folien erfolgen kann. Obwohl die Materialkosten gering sind, ist bis zu einer Kommerzialisierung Organischer Solarzellen unter anderem eine Erhöhung ihrer Leistungseffizienz notwendig. Vorzugsweise sollten in Organischen Solarzellen Donator- und Akzeptormaterialien verwendet werden, deren Absorptionsspektren und Energieniveaus ideal aufeinander abgestimmt sind, da so zum Beispiel hohe Leerlaufspannungen erreicht werden können. Zusätzlich können hohe Absorptionskoeffizienten der Materialien über einen großen spektralen Bereich zu hohen Stromdichten in diesen photovoltaischen Bauelementen führen. In dieser Arbeit werden neuartige Quinquethiophene als Donatormaterial in Organischen Solarzellen untersucht, welche als Grundeinheit aus fünf Thiophenringen sowie Dicyanovinylendgruppen und Alkylseitenketten bestehen. Die untersuchten Materialien besitzen einen hohen Absorptionskoeffizienten und erreichten auf Grund des hohen Ionisationspotentials hohe Leerlaufspannungen in Organischen Solarzellen unter Verwendung des Fullerens C60 als Akzeptor. Gleichzeitig tritt eine effiziente Trennung der Exzitonen an der Akzeptor-Donator-Grenzfläche auf. Jedoch stellt das hohe Ionisationspotential der Quinquethiophene spezielle Anforderungen an die weitere Solarzellenstruktur. Innerhalb dieser Arbeit wird gezeigt, dass ein Unterschied von eingebauter Spannung und Leerlaufspannung die Form der Solarzellen-Kennlinie entscheidend beeinflusst und eine S-Form in der Nähe der Leerlaufspannung erzeugen kann. Die eingebaute Spannung wird hierbei durch die Kontaktierung der photoaktiven Schichten bestimmt. Eine Erhöhung der eingebauten Spannung der Solarzelle kann durch eine entsprechende Materialwahl erreicht werden. So wird in dieser Arbeit gezeigt, dass Organische Solarzellen basierend auf diesen Quinquethiophenen ohne energetische Barrieren für freie Ladungsträger innerhalb des Bauelements keine S-Form der Kennlinie aufweisen. Ebenfalls wird der Einfluss der unterschiedlichen Quinquethiophenderivate auf die Solarzellen-Charakteristik untersucht. Hierbei wird gezeigt, dass die Länge der Alkylseitenketten einen Einfluss auf die Löcherinjektion sowie die Löcherbeweglichkeit auf dem Oligothiophen hat, welches unter anderem auch die Form der Strom-Spannungs-Kennlinie beeinflusst. Abschließend wird die Möglichkeit der Verwendung dieser Materialklasse in Tandemsolarzellen gezeigt sowie der Vergleich von zwei unterschiedlichen Anodenmaterialien, beides wichtige Aspekte für eine kommerzielle Umsetzung.

>Magister Scientiae - MSc / This thesis starts with the reviewing of studies on the loading of noble metals and nanostructured metal oxides into bulk heterojunction organic solar cell device architectures. The reviews focused on the innovative developments in the use of various fullerene derivatives as electron acceptors in organic solar cells. It additionally reflected on the effect of metallic nanoparticles (NPs), such as gold (Au) and silver (Ag), on the performance of organic solar cells. Besides the metallic NPs, the effect of metal oxide nanoparticle loading, e.g. CuO, ZnO and TiO2, on the organic solar cell performance, and the use of noble metals doped TiO2 on the gas sensing application were reviewed. / 2024

Denna rapport redovisar processen och resultatet av ett examensarbete som utgör en del av examinationen för högskoleingejörsexamen i innovationsteknik och design vid Karlstads universitet. Projektet är gjort på uppdrag av Glava Energy Center för Bowters räkning med uppdraget att ta fram lösningar som kan utöka laddningskapaciteten för elektriska fritidsbåtar. Examensarbetet utfördes vårterminen 2021 och omfattar 22.5 högskolepoäng. Projektet är uppbyggt kring fem faser, planering, discover, define, develop och deliver där syftet är att först identifiera rätt problem för att sedan kunna komma fram till rätt lösning. Det finns flera sätt att angripa detta projekt, speciellt om man väljer att fokusera på varför laddningskapaciteten behöver utökas från första början, vissa av dessa lösningar blir tyvärr också irrelevanta på grund av faktorer som berör kostnader eller tekniska aspekter. Detta arbete har därför identifierat och utvecklat lösningar som genom att installera fler solceller kan utöka laddningskapaciteten. På båten finns det flera ställen att installera solceller på, men det är svårt att bortse från att en av de bättre platserna ur effektsynpunkt är att placera solceller på något typ av tak där de inte blir skuggade, men vad tycker egentligen användarna om det? En användarintervju utfördes som gav svar på detta. Användarna kan tänka sig att ett tak är en bra sak att ha när det bli riktigt varmt eller man bara vill njuta av lite skugga som omväxling men att man förmodligen är ute med båten för att just få njuta av solen. Ett tak som går att fälla undan eller justera på något annat sätt skulle kunna vara en lösning på det problemet. En mängd olika taklösningar samt icke taklösningar har undersökts men efter användandet av olika kända sållningsmetoder stod det klart att arbetet skulle gå vidare med en taklösning som är delvis justerbar, alternativt helt fast. Detta har lett fram till att tre koncept tagits fram som alla bidrar med en utökad laddningskapacitet. Koncept Glidande stomme och Skjutbart tak bygger på en enkel konstruktion som tillåter en respektive två standard solpaneler att forma ett tak över båten. De olika koncepten kan justeras till olika positioner för att på det sättet kunna erbjuda användarna en variation av skugga och sol utefter tycke och smak. Koncept Origami flasher bygger som namnet hintar om på ett vikmönster från den traditionella konstformen origami. Detta koncept är lite mer experimentellt men ger i teorin ett väldigt stort skydd från solen i utfällt läge samt stor yta för montering av solceller, samtidigt som det i hopfällt läge täcker absolut minst yta av dessa tre koncept vilket är fördelaktigt för de användare som vill njuta av solen. / This thesis presents the process and it’s results from a concept development project. The thesis is part of the examination for a Bachelor of Science in Innovation Technology and Design at Karlstad University. The project was commissioned by Glava Energy Center on behalf of Bowter with the task of developing solutions that can increase the charging capacity for electric leisure boats. The thesis was written during spring 2021 and comprises 22.5 credits. The project is built around five phases, planning, discover, define, develop and deliver. The purpose is to first identify the right problem in order to be able to produce the right solution. There are several ways to approach this project, especially if you choose to focus on why the charging capacity needs to be increased in the first place, some of these solutions unfortunately also become irrelevant due to factors affecting costs or technical aspects. This work has therefore identified and developed solutions which, by installing more solar cells, can increase the charging capacity. There is several places on the boat that are suitable for install solar cells, but it is difficult to ignore that, from a power point of view, the best place to instal solar cells is on some sort of roof. But what does the user really think about it? A pre-study, including a intervju with users was conducted that provided answers to this question. The user can imagine that a roof is a good thing to have when it gets really hot or when you just want to enjoy a little shade for a change, but that the real objective with the usage of the boat probably is to enjoy the sun. A roof that can be folded away or adjusted in some other way could be a solution to that problem. A variety of roof solutions and non-roof solutions have been investigated. After the use of various known screening methods it was decided that the work would continue with a roof solution that is partially adjustable, or completely solid. The project have after that chosen to present three concepts that contribute to an increased charging capacity by help of a partially adjustable roof. Concept Glidande stomme and Skjutbart tak is based on a fairly simple construction that allows one respectively two standard solar panels to form a roof over the boat. The different concepts can be adjusted to different positions in order to offer users a variety of shade according to taste and needs. Concept Origami flasher, as the name suggests, is based on a folding pattern from the traditional art of origami. This concept is a bit more experimental but provides, in theory, second largest protection from the sun in unfolded  position. Meanwhile, in collapsed position, the Origami flasher concept covers the least area of ​​these three concepts, which is advantageous for those users who want enjoy the sun.