The submitted work deals with the methods for manufacturing and analysis of contacts on crystalline silicon solar cells. It is focused on selective processes for the production of solar cells metal contacts. The masking feature of silicon nitride is used for selective silicon etching, selective phosphorus diffusion and selective electro-less nickel deposition. Properties of metal contacts precursors are investigated using optical microscopy and their electrical properties using methods based on a four-point probe method. Results are used for the manufacturing of silicon, solar cell with an innovative type of the structure of the front side metallization: chemical nickel, conductive adhesive and copper wire. This approach allows to reduce shading of the front area of PV cells with the ability to avoid usage of busbars. The another advantage of this approach is in replacement of costly silver in at least 2/3 cross section of the front side metallization. Selective ablation of silicon nitride layer was conducted by means of IR laser beam.

In this thesis I present a study of nanowires, and, in particular, I apply EBIC microscopy for investigation of their electro-optical properties. First, I describe details of the EBIC analytical technique together with a brief historical overview of the electron microscopy, the physical principles of the EBIC, its space resolution, parameters defining the signal amplitude, and the information we can acquire concerning defects, electric fields, etc. Then I focus on the characterization of LEDs based on GaN nanowires, which were analyzed in a cross-section and in a top view configurations. The EBIC measurements were correlated with micro-electroluminescence mapping. Further, I address the fabrication and measurement of nanowire-based InGaN/GaN LEDs detached from their original substrate. I present the EBIC measurements of individual nanowires either cut from their substrate and contacted in a planar geometry or kept standing on supphire substrate and cleaved to reveal the horizontal cross-section.The next part of this thesis is dedicated to an EBIC study of irregular Si nanowire array-based solar cells, and then of the regular nanowire array devices. The current generation was analyzed on a submicrometer scale. Finally, I discuss the fabrication and EBIC measurements of GaN nanowires grown on Si substrate. In particular, I show that the p-n junction was induced in the Si substrate by Al atom diffusion during the nanowire growth. / Dans cette thèse je me propose d’étudier des nano-fils, et en particulier d’utiliser la technique EBIC pour explorer leurs propriétés électro-optiques. Je décris d’abord les détails de la technique d’analyse EBIC avec un bref retour historique sur la microscopie électronique, le principe physique de l’EBIC, sa résolution spatiale, les paramètres conditionnant l’amplitude du signal, et les informations que l’on peut en tirer sur le matériau en termes de défauts, champ électrique, etc. Je m’intéresse ensuite à la caractérisation de LEDs à nano-fils à base de GaN, qui ont été observés par EBIC, soit en coupe soit en vue plane (depuis le haut des fils). Les mesures EBIC sont comparées à celles de micro-électroluminescence. Plus loin j’adresse la fabrication et la mesure de nano-fils à base de GaN séparés de leur substrat d’origine. Je présente les mesures EBIC de nano-fils uniques entiers, puis de nano-fils en coupe horizontale.La partie suivante de la thèse traite d’étude EBIC des cellules solaires à base de nano-fils Si ayant d’abord une géométrie aléatoire, puis une géométrie régulière. La génération de courant dans ces cellules solaires est analysée à l’échelle submicronique. A la fin du manuscrit je discute la fabrication et les mesures EBIC de fils GaN épitaxiés sur Si. Je montre en particulier qu’une jonction p-n est enduite dans le substrat Si par la diffusion d’Al lors de la croissance de nanofils.

Les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si atteignent un rendement record de 24.7% en laboratoire. La passivation de la surface du c-Si est la clé pour obtenir de hauts rendements. En effet, la brusque discontinuité de la structure cristalline à l'interface amorphe/cristal induit une forte densité de liaisons pendantes créant une grande densité de défauts dans la bande interdite. Ces défauts sont des centres de recombinaison pour les paires électron-trou photogénérées dans le c-Si. Différentes couches diélectriques peuvent être utilisées pour passiver les wafers dopés n et dopés p : (i) le SiO₂ réalisé par croissance thermique, (ii) l’Al₂O₃ déposé par ALD, (iii) le a-SiNₓ:H et l’a-Si:H déposés par PECVD. La couche de passivation la plus polyvalente est a Si:H puisqu’elle peut passiver aussi bien les wafers dopés n que ceux dopés p. De plus sa production est peu coûteuse en énergie car sa croissance est réalisée à une température d’environ 200°C. L’inconvénient de cette couche de passivation est que lorsqu’elle est dopée p elle ne supporte pas des températures supérieures à 200°C, en raison de l’exodiffusion des atomes d’hydrogène qu’elle contient. Cependant, afin d'avoir un bon contact électrique, TCO et électrodes métalliques, il est souhaitable de recuire à plus haute température (entre 300°C et 500°C). Nous avons implanté des ions Argon de façon contrôlée dans des précurseurs de cellules solaires à des énergies comprises entre 1 et 30 keV, pour contrôler la profondeur à laquelle nous créons les défauts. En variant la fluence entre 10¹² Ar.cm⁻² et 10¹⁵ Ar.cm⁻² nous contrôlons la concentration de défauts créés. Nous montrons qu’une implantation à une énergie de 5 keV avec une fluence de 10¹⁵ Ar.cm⁻² n’est pas suffisante pour endommager l’interface a-Si:H/c-Si. La durée de vie effective des porteurs minoritaires mesurée par photoconductance (temps de décroissance de la photoconductivité) passe de 3 ms à 2,9 ms après implantation. En revanche les implantations à 10 keV, 10¹⁴ Ar.cm⁻² ou à 17 keV, 10¹² Ar.cm⁻² sont suffisantes pour dégrader la durée de vie effective de plus de 85%. Suite aux implantations les cellules solaires ont subi des recuits sous atmosphère contrôlée à différentes températures et ce jusqu’à 420°C. Nous avons découvert que le recuit permet de guérir les défauts introduits par l’implantation. Mais surtout, dans certains cas, d’obtenir des durées de vie après implantation et recuit supérieures aux durées de vies initiales. En combinant l’implantation ionique et les recuits, nous conservons de bonnes durées de vies effectives des porteurs de charges (supérieures à 2 ms) même avec des recuits jusqu’à 380°C. Nous avons utilisé une grande variété de techniques telles que la photoconductance, la photoluminescence, l’ellipsométrie spectroscopique, la microscopie électronique en transmission, la Spectroscopie de Masse d’Ions Secondaires, la spectroscopie Raman et l’exodiffusion de l’hydrogène pour caractériser et analyser l’ensemble des résultats et phénomènes physico-chimique intervenant dans la modification des précurseur de cellules solaires. Nous discutons ici de plusieurs effets tels que l’augmentation de la durée de vie et la tenue en température par la conservation de l’hydrogène dans la couche de silicium amorphe et ceci même après les recuits. Cette conservation peut s’expliquer par l’augmentation du nombre de liaisons Si-H au sein du silicium amorphe et par la formation de cavités lors de l’implantation. Durant les recuits l’hydrogène qui diffuse est piégé puis libéré par les cavités et/ou les liaisons pendantes, ce qui limite son exo-diffusion et le rend de nouveau disponible pour la passivation des liaisons pendantes. / A-Si:H/c-Si heterojunction solar cells have reached record efficiencies of 24.7%. The passivation of c-Si is the key to achieve a high-efficiency. Indeed, the abrupt discontinuity in the crystal structure at the amorphous/crystal interface induces a high density of dangling bonds creating a high density of defects in the band gap. These defects act as recombination centers for electron-hole pairs photogenerated in c-Si. Several dielectric layers can be used to passivate n-type and p-type wafers: (i) SiO₂ produced by thermal growth, (ii) Al₂O₃ deposited by ALD, (iii) a-SiNₓ:H and a-Si:H deposited by PECVD. The most versatile passivation layer is a-Si: H because it is effective for both p-type and n-type wafers. In addition, this process has a low thermal budget since the deposition is made at 200°C. The drawback of this passivation layer, in particular when p-type doped, is that it does not withstand temperatures above 200°C. However, in order to have a good electrical contact, TCO and metal electrodes require high temperature annealing (between 300°C and 500°C).We implanted Argon ions in solar cell precursors with energies between 1 and 30 keV, which allows to control the depth to which we are creating defects. By varying the fluence between 10¹² Ar.cm⁻² and 10¹⁵ Ar.cm⁻² we control the concentration of defects. We show that implantation with an energy of 5 keV and a fluence of 10¹⁵ Ar.cm⁻² is not sufficient to damage the a-Si:H/c-Si interface. The effective lifetime of the minority charge carriers, measured using a photoconductance technique (decay time of photoconductivity), decreases only from 3 ms to 2.9 ms after implantation. On the other hand the implantations at 10 keV, 10¹⁴ Ar.cm⁻² or at 17 keV, 10¹² Ar.cm⁻² are sufficient to degrade the effective lifetime by more than 85%.Following implantation the solar cells have been annealed in a controlled atmosphere at different temperatures and this up to 420°C. We show that annealing can heal the implantation defects. Moreover, under certain conditions, we obtain lifetimes after implantation and annealing greater than the initial effective lifetime. Combining ion implantation and annealing leads to robust passivation with effective carrier lifetimes above 2 ms even after annealing our solar cell precursors at 380°C. We used a large variety of techniques such as photoconductance, photoluminescence, spectroscopic ellipsometry, Transmission Electron Microscopy, Secondary Ion Mass Spectrometry, Raman spectroscopy and hydrogen exodiffusion to characterize and analyze the physico-chemical phenomena involved in the modification of solar cells precursors. We discuss here several effects such as the increase of the effective lifetime and the temperature robustness by the preservation of hydrogen in amorphous silicon layer and this even after annealing. This hydrogen preservation can be explained by the increase of the number of Si–H bonds in amorphous silicon and the formation of cavities during implantation. In the course of annealing the hydrogen which diffuses is trapped and then released by cavities and dangling bonds, which limits its exodiffusion and makes it available for dangling bonds passivation.

Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit ist die Degradation flexibler Dünnschichtsolarzellen auf Basis von Cu(In,Ga)Se2 Absorbern. Zur beschleunigten Alterung unter Laborbedingungen wurden unverkapselte Solarzellen in Klimaschränken Wärme und Feuchte ausgesetzt. Die Auswirkungen von Wärme und Feuchte auf die Solarzellen wurden zunächst durch Messung von Strom–Spannungs–Kennlinien (IV) und Kapazitäts–Spannungs–Charakteristiken (CV) erschlossen. Mittels in–situ Messungen der IV–Kennlinien der Solarzellen unter Wärme und Feuchte konnte die Degradationskinetik untersucht werden. Es gelang zwei Phasen der Alterung, eine anfängliche Verbesserung und die eigentliche Degradation, zu unterscheiden. Außerdem war es dadurch möglich Degradationsraten zu bestimmen. Die Untersuchung der Stabilität der Flächenkontakte erfolgte im Schichtverbund der Solarzelle und separat. Dann wurde der Einfluss von Natrium, einem Bestandteil der Cu(In,Ga)Se2 Solarzellen, untersucht. Schichtzusammensetzung, Elementprofile und Oberflächenbeschaffenheit wurden mittels Laser–induzierter Plasmaspektroskopie (LIBS), Sekundärionen–Massenspektrometrie (SIMS), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und 3D–Lasermikroskopie gemessen. Die Rolle von Natrium für den Degradationsprozess konnte für zwei unterschiedliche Methoden der Natriumeinbringung in den Absorber (Ko–Verdampfung, Nachbehandlung) beschrieben werden. Schließlich wurde mittels Elektrolumineszenz (EL), Thermographie (DLIT) und der Messung Lichtstrahl–induzierter Ströme (LBIC) die Degradation ortsaufgelöst untersucht und Inhomogenitäten detektiert. Aus spannungsabhängigen Elektrolumineszenzaufnahmen gelang es Serienwiderstandskarten zu errechnen. Die Kombination der genannten Messmethoden erlaubte eine Identifizierung dominanter Degradationsprozesse in den flexiblen Cu(In,Ga)Se2 Solarzellen unter Wärme und Feuchte. Unter anderen wurde die Degradation der Grenzfläche zwischen Absorber und Rückkontakt diskutiert. Die Degradationskinetik konnte beschrieben, Solarzelllebensdauern abgeschätzt, die für die Wärme–Feuchte–Stabilität nachteilige Wirkung von Natrium identifiziert und laterale Inhomogenitäten des Degradationsprozesses aufgezeigt werden. Aus der Diskussion der Ergebnisse wurden Vorschläge zur Verbesserung der Wärme–Feuchte–Stabilität abgeleitet.

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

A direct “green” aqueous synthesis of mercapto acetate-stabilized copper indium sulfide (CIS) nanoparticles (NPs) and core/shell CIS@ZnS NPs of a varied composition under ambient conditions and a temperature lower than 100 °C is reported. The CIS@ZnS NPs can be anchored to the surface of nanocrystalline FTO/TiO2 films without additional purification or ligand exchange steps yielding visible-light-sensitive heterostructures ready for using as photoanodes in the liquid-junction solar cells. The highest photoelectrochemical activity in a three-electrode cell was demonstrated by a TiO2/CIS@ZnS heterostructure with atomic Cu : In : S and Zn : Cu ratios of 1 : 5 : 10 and 1 : 1. The optimized TiO2/CIS@ZnS photoanodes were tested in two-electrode solar cells with aqueous polysulfide electrolyte and TiO2/Cu2S heterostructures produced by a photo-assisted method as counter-electrodes. Under illumination by a 30 mW cm−2 xenon lamp, the optimized cells showed the average light conversion efficiency of 8.15%, the average open-circuit voltage of −0.6 V and the average fill factor of 0.42. The cells revealed excellent stability and reproducibility of photoelectrochemical parameters with around one percent variation of the light conversion efficiency around an average value for six identical solar cells. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Organic solar cells have the potential to become a low-cost photovoltaic technology. One approach to further increase the device efficiency aimsvto cover the near-infrared region of the sunvspectrum. However, suitable absorber materials are rare. This thesis focuses on the material class of aza-bodipy and dibenzo-aza-bodipy as near-infrared absorber materials for organic solar cells. Besides the synthesis of novel thiophene-substituted aza-bodipys, azadiisoindomethenes were prepared by the addition of Grignard reagents to phthalodinitrile an subsequent reduction with formamide. Starting from these azadiisoindomethenes as precursors, complexes with borondifluoride, boroncatechole and transition metals were synthesized. The optical and electrochemical properties of all compounds prepared were investigated by experimental and theoretical methods. The (dibenzo-)aza-bodipys are characterized by their electronic structure, comprising a central electron acceptor core and peripheral electron donor units. The substituents at the donor units offer a stronger impact on the HOMO energy than on the LUMO energy. Electron donating substituents at the donor units result in an overall decreased HOMO-LUMO gap. This allows to redshift the absorption maximum up to 800 nm. The corresponding dibenzo-analogues already demonstrate a bathochromic shift of the absorption compared to the (non-annulated) aza-bodipys. Yet, the central acceptor is weakened and a further redshift by substituents is less distinct. The compounds can be thermally evaporated in high vacuum. The required thermal stability is increased in some cases by boroncatechol compared to borondifluoride complexes, without significant influence on the optical and electrochemical properties. Besides the characterization of the molecular properties, promising materials were evaluated in thin fifilms and solar cell devices. The charge carrier mobility in the measured compounds were found to be between 10E-6 and 10E-4 cm2V-1s-1. The charge transport parameters were calculated on the basis of obtained single crystal structures. It was found that a high charge carrier mobility may be attributed to a better molecular overlap and a short intermolecular distance in the corresponding solid state structure. Selected materials were characterized in organic solar cells. In solution processed devices, the dibenzo-aza-bodipys reached efficiencies of 1.6 % and 2.1 %, as donor materials in combination with PC61BM and PC71BM as acceptor. The main limiting factor in these devices turned out to be the low fill factor of 30 %. From a series of vacuum processed devices with aza-bodipys and dibenzo-aza-bodipys, increased voltages were obtained with decreasing HOMO energy of the bodipy derivatives. A suitable near-infrared absorbing dibenzo-aza-bodipy exhibited a contribution to the photocurrent from 750 - 950 nm. / Die organische Photovoltaik hat das Potential eine kostengünstige Solarzellentechnologie zu werden. Ein Ansatz die Effizienz weiter zu steigern besteht darin den aktiven Spektralbereich in den nahen Infrarotbereich zu erweitern. Bisher gibt es jedoch nur wenige geeignete Materialien. In dieser Arbeit werden Verbindungen aus der Materialklasse der Aza-Bodipy und Dibenzo-Aza-Bodipy als Absorbermaterialien für den nahen Infrarotbereich zur Verwendung in organischen Solarzellen untersucht. Neben der Synthese von neuen Thiophen-substituierten Aza-Bodipys wurden Azadiisoindomethine durch die Addition von Grignardverbindungen an Phthalodinitril und anschließender Reduktion mit Formamid dargestellt. Ausgehend von den Azadiisoindomethinen sind neue Bordifluorid, Borbrenzcatechin und Übergangsmetallkomplexe synthetisiert worden. Alle Substanzen sind mit experimentellen und theoretischen Methoden auf ihre optischen und elektrochemischen Eigenschaften hin untersucht worden. Die elektronische Struktur der (Dibenzo-)Aza-Bodipys ist charakterisiert durch periphere Elektronendonoreinheiten um einen zentralen Elektronenakzeptor. Die langwelligste Absorptionsbande kann in beiden Systemen durch Elektronen schiebende Gruppen an den Donoreinheiten bathochrom, auf über 800 nm verschoben werden. Die Ursache liegt in einem stärkeren Einfluss der Substituenten auf das HOMO als auf das LUMO und einem damit einhergehenden stärkeren Anstieg der HOMO-Energie woraus eine verkleinerte HOMO-LUMO Lücke resultiert. Die Dibenzo-Aza-Bodipys zeichnen sich durch eine rotverschobene Absorption gegenüber den (nicht benzannulierten) Aza-Bodipys aus. Jedoch ist der Akzeptor in den Dibenzo-Aza-Bodipys abgeschwächt, so dass die Rotverschiebung durch die selben Substituenten weniger stark ausgeprägt ist und die Energieniveaus tendenziell höher liegen. Die Verbindungen lassen sich thermisch im Vakuum verdampfen. Die für das Verdampfen wichtige thermische Stabilität, kann durch Austausch von Bordifluorid mit Borbrenzcatechol erhöht werden, ohne die optischen und elektronischen Eigenschaften wesentlich zu beeinflussen. Neben der Charakterisierung der molekularen Eigenschaften, sind einige Verbindungen im Dünnfifilm auf ihre elektrischen Eigenschaften und in Solarzellen untersucht worden. Die Ladungsträgerbeweglichkeit liegt bei den gemessenen Verbindungen zwischen 10E-6 und 10E-4 cm2V-1s-1. Durch Berechnung der Ladungstransportparameter auf Basis erhaltener Kristallstrukturen ist eine höhere Beweglichkeit auf eine günstigere Packung und einen geringeren intermolekularen Abstand zurückgeführt worden. Ausgewählte Verbindungen sind als Donormaterialien in organischen Solarzellen charakterisiert worden. Aus Lösungsmittel prozessierte Solarzellen mit Dibenzo-Aza-Bodipys erreichen eine Effifizienz von 1.6 % mit PC61BM, und 2.1 % mit PC71BM als Akzeptor. Der Effizienz limitierende Faktor ist hierbei der niedrige Füllfaktor von ca. 30 %. In vakuumprozessierten Solarzellen mit planarem Dono-Akzeptor-Übergang von Aza-Bodipys und Dibenzo-Aza-Bodipys hat sich gezeigt, dass die erhaltene Spannung mit abnehmender HOMO Energie der Materialien gesteigert wird. Ein geeignetes Dibenzo-Aza-Bodipy Material ist mit einen Beitrag zum Photostrom im nahen Infrarotbereich, von 750 - 950 nm, gezeigt worden.

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.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die ortsaufgelöste Untersuchung der Schichtdicke und der elektrischen Eigenschaften von Funktionsschichten in gedruckten Polymersolarzellen. Die massendrucktechnische Realisierung der großflächigen Polymersolarzellen mit dem Schichtaufbau Zink/ZnO/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS erfolgt im Tief- und Siebdruckverfahren auf einem papierbasierten Bedruckstoff. Die gedruckten Funktionsschichten werden mit verschieden optischen und elektrischen Messverfahren charakterisiert und die Eignung der Verfahren wird diskutiert. Abschließend wird die gesamte Polymersolarzelle mit einer Kombination aus spektraler und elektrischer Messung positionsgenau untersucht. Dadurch kann ein Zusammenhang zwischen den Solarzelleneigenschaften und den ortsaufgelösten Messwerten aufgezeigt werden. / The aim of this work is the space-resolved investigation of the layer thickness and the electrical properties of functional layers in printed polymer solar cells. The realization of the large-area polymer solar cells with a layer structure of zinc/ZnO/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS occurs by gravure and screen printing on a paper-based substrate. The printed functional layers are characterized by different optical and electrical measurement methods and the suitability of these methods is discussed. Finally, the complete polymer solar cell is examined dependent on a position by using a combination of spectral and electrical measurement techniques. With this analysis a correlation between the solar cell characteristics and the space-resolved measurements can be shown.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / In this research thesis, copper indium gallium selenium (CIGS) nanoparticles were synthesized from metal chlorides, functionalized to disperse in water, and further used in layer by layer (LbL) nanoassembly of CIGS films. CIGS nanoparticles were synthesized through the colloidal precipitation in an organic solvent. The peak and average sizes of the synthesized particles were measured to be 68 nm and 75 nm in chloroform, and 30 nm and 115 nm in water, respectively. Two methods were used to disperse the particle in water. In the first method the stabilizing agent oleylamine (OLA) was removed through multiple cleaning processes, and in the second method ligand exchange was performed with polystyrene sulfonate (PSS). Zeta potential of CIGS nanoparticles dispersed in water was measured to be +61 mV. The surface charge of the nanoparticles was reversed by raising the pH of the solution, which was measured to be −43.3 mV at 10.5 pH. In a separate process, the CIGS nanoparticles dispersed in water were coated with PSS. The resulting dispersion was observed to be stable and the surface charge was measured to be −56.9 mV. The LbL deposition process of CIGS nanoparticles was characterized by depositing thin films on quartz crystal microbalance (QCM). LbL depositions was conducted using (i) oppositely charged CIGS nanoparticles, (ii) positively charged CIGS nanoparticles and PSS, and (iii) PSS-coated CIGS (CIGS-PSS) and polyethyleneimine (PEI). The average thickness of each bi-layer of the above mentioned depositions were measured to be 2.2 nm, 1.37 nm, and 10.12 nm, respectively. The results from the QCM have been observed to be consistent with the film thickness results obtained from atomic force microscopy (AFM). Various immersion times versus thickness of the film were also studied. For electrical characterization, the CIGS films were deposited on indium tindioxide (ITO)-coated glass substrates. Current versus voltage (I/V) measurements were carried out for each of the films using the Keithley semiconductor characterization instruments and micromanipulator probing station. It was observed that the conductivity of the films was increased with the deposition of each additional layer. The I/V characteristics were also measured under the light illumination and after annealing to study the photovoltaic and annealing effects. It was observed that under light illumination, the resistivity of a 12-layer CIGS film decreased by 93% to 0.54 MΩ.m, and that of the same number of layers of PSS-coated CIGS and PEI film decreased by 60% to 0.97 MΩ.m under illumination. The resistivity of an 8-layer CIGS and PSS film decreased by 76.4% to 0.1 MΩ.m, and that of the same layers of PSS-coated CIGS and PEI decreased by 87% to 0.07 MΩ.m after annealing. The functionalized nanoparticles and the LbL CIGS films were implemented in the solar cell devices. Several configurations of CIGS films (p-type), and ZnO and CdS films (n-type) were considered. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), molybdenum (Mo), and ITO were used as back contacts and ITO was used as front contact for all the devices. The devices were characterized the Keithley semiconductor characterization instruments and micromanipulator probing station. For a CIGS and n-ZnO films device with PEDOT as back contact and ITO as front contact, the current density at 0 V and under light illumination was measured to be 60 nA/cm2 and the power density was measured to be 0.018 nW/cm2. For a CIGS and CdS films device with ITO as both back and front contact, the current density at 0 V and under light illumination was measured to be 50 nA/cm2 and the power density was measured to be 0.01 nW/cm2. For a drop-casted CIGS and CdS films device with Mo as back contact and ITO as front contact, the current density of 50 nA/cm2 at 0 V and power density of 0.5 nW/cm2 under light illumination was measured. For the LbL CIGS and chemical bath deposited CdS films device with ITO as both back and front contact, the current density of 0.04 mA/cm2 at 0 V and power density of 1.6 μW/cm2 under light illumination was measured. Comparing to Device-III, an increase by 99% in the power density was observed by using the CIGS LbL film in the device structure. The novel aspects of this research include, (i) functionalization of the CIGS nanoparticles to disperse in water including coating with PSS, (ii) electrostatic LbL deposition of CIGS films using oppositely charged nanoparticles and polymers, and (iii) the utilization of the fabricated LbL CIGS films to develop solar cells. In addition, the n-type cadmium sulfide film (CdS) and zinc oxide (ZnO) buffer layer were also deposited through LbL process after the respective particles were functionalized with PSS coating in separate experiments.