Hybride Metall-Halogen Perowskit basierte Solarzellen haben im letzten Jahrzehnt eine noch nie dagewesene Entwicklung hinsichtlich ihrer Effizienzsteigerung erzielt. Dies ging mit einem rapiden Anstieg des Interesses der Forschungsgemeinschaft einher. Ein wichtiger Faktor für die Realisierung von Forschungsergebnissen ist der Übergang von Laborskalen zu industriellen Dimensionen, was grundlegende Anpassungen im Herstellungsprozess notwenig macht. Hier hat sich die physikalische Gasphasenabscheidung für andere Materialklassen bereits als gute Lösung bei der Herstellung von qualitativ hochwertigen Dünnschichten erwiesen. In dieser Arbeit wird die Vakuumabscheidung von FA₁ ₋ ₓCsₓPbI₃ ₋ ₓBrₓ für die Anwendung in Solarzellen durch Dreiquellenkoverdampfung erforscht. Durch eine Kombination aus optischen und Röntgen-basierten Messverfahren konnte eine Veränderung der Aufnahme des organischen Halogensalzes, Formamidiniumiodid (FAI), in die Perowkitverbindung in Abhängigkeit vom Kammerdruck festgestellt werden. Dadurch tritt eine Stöchiometrieänderung auf, welche sich in einer Bandlückenverschiebung niederschlägt. Außerdem wurde eine Veränderung der Kristallitorientierung beobachtet. Diese Ergebnisse motivieren eine genauere Untersuchung des Verdampfungsverhaltens des organischen Halogensalzes. Mit Hilfe von Massenspektrometriemessungen und einer detaillierten Erfassung der Prozessparameter konnte eine Zersetzung von FAI während der Verdampfung festgestellt werden. Desweiteren wurden weitere Besonderheiten im Abscheideverhalten, wie zum Beispiel Verdampfunsgrenzen und Veränderungen des Toolingfaktors beobachtet. Die Ergebnisse leisten einen wesentlichen Beitrag zum tieferen Verständnis der Vakuumabscheidung von organischinorganischen Metall-Halogen Perowskiten.:Kurzfassung iv Abstract v List of publications vi 1. Introduction 1 2. Theoretical background 5 2.1. Basics of thin-_lm solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2. Status of current thin-_lm solar cell technologies . . . . . . . . . . . . 7 2.3. The Perovskite system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4. Organic-inorganic mixed-halide metal perovskites . . . . . . . . . . . 14 2.5. Deposition methods of metal halide perovskite . . . . . . . . . . . . . 18 2.6. Vacuum deposition of perovskite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3. Experimental methods 27 3.1. Physical vapor deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2. Vacuum deposition of perovskite layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3. Analytical techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4. Pressure dependent triple-source co-evaporation of methylammoniumfree perovskite 39 4.1. Precursor puri_cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2. Film deposition procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3. Crystallographic characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.4. Optical characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.5. Incorporation of FAI into thin-_lms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.6. Photovoltaic devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.7. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5. Evaporation properties of formamidinium iodide 57 5.1. Degradation reactions of formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . 57 5.2. Evaporation behaviour of formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . 58 5.3. Theoretical considerations during the deposition process . . . . . . 61 5.4. Tooling behaviour of Formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.5. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6. Summary & Outlook 71 A. Appendix 75 List of Figures 81 List of Tables 82 List of Abbreviations 86 Bibliography 86 / In the last decade, hybrid metal halide perovskite-based solar cells have enjoyed an unprecedented surge in development within the research community. The next steps to further improve this technology will involve the transition from the laboratory to commercial-scale production, which will require adjustments in their fabrication processes. Here, physical vapour deposition has proven to be a good option for the fabrication of high-quality thin films for perovskites and other materials, like organic semiconductors. In this work, triple-source co-evaporation deposition of FA₁ ₋ ₓCsₓPbI₃ ₋ ₓBrₓ for the production of thin films for solar cell applications is investigated. With a combination of optical and X-ray-based measurement methods, a decrease in the incorporation of the organic halide salt formamidinium iodide (FAI) was found with increasing background pressure. This decrease results in a change in stoichiometry of the compound and, with it, a shift of the band gap. Furthermore, a change in crystallite orientation was observed. These findings motivate the examination of the evaporation behaviour of formamidinium iodide in more detail. With mass spectrometry measurements and detailed tracking of the process parameters, a degradation of FAI during evaporation was found. Furthermore, several effects of the deposition behaviour, evaporation limits, and tooling shifts were observed. These findings will be substantial for the deeper understanding of vacuum deposition of organic-inorganic metal halide perovskites, and will be significant in the expansion of perovskite-based solar technology.:Kurzfassung iv Abstract v List of publications vi 1. Introduction 1 2. Theoretical background 5 2.1. Basics of thin-_lm solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2. Status of current thin-_lm solar cell technologies . . . . . . . . . . . . 7 2.3. The Perovskite system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4. Organic-inorganic mixed-halide metal perovskites . . . . . . . . . . . 14 2.5. Deposition methods of metal halide perovskite . . . . . . . . . . . . . 18 2.6. Vacuum deposition of perovskite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3. Experimental methods 27 3.1. Physical vapor deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2. Vacuum deposition of perovskite layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3. Analytical techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4. Pressure dependent triple-source co-evaporation of methylammoniumfree perovskite 39 4.1. Precursor puri_cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.2. Film deposition procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.3. Crystallographic characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.4. Optical characterisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.5. Incorporation of FAI into thin-_lms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.6. Photovoltaic devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.7. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5. Evaporation properties of formamidinium iodide 57 5.1. Degradation reactions of formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . 57 5.2. Evaporation behaviour of formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . 58 5.3. Theoretical considerations during the deposition process . . . . . . 61 5.4. Tooling behaviour of Formamidinium iodide . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.5. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6. Summary & Outlook 71 A. Appendix 75 List of Figures 81 List of Tables 82 List of Abbreviations 86 Bibliography 86

Fe und Cu wurden als Schlüsselspezies für die Betrachtung von Oberflächenkontamination in der Prozessierung von c-Si-Solarzellen identifiziert. Studien mit gezielt aufgebrachten Metallkonzentrationen vor verschiedenen Passivierungs- und Diffusionsprozessschritten ergaben relativ hohe kritische Werte für Cu, außer bei thermischer Oxidation. Niedrige Werte wurden für beide Elemente vor Hochtemperaturschritten im n-Typ-Hocheffizienzprozess beobachtet, wobei sich die B-Diffusion als etwas weniger empfindlich darstellte. Temporäre Gettereffekte für Fe (in p-Typ-Si) und Cu (in n-Typ-Si) wurden beobachtet. Es zeigte sich, dass As-Cut-Wafer, unabhängig von der Sägeart (SiC-slurry oder Diamantdraht) sehr hohe Metallverunreinigungen (im Bereich 1*1011 – 5*1014 cm-2) in den Prozess einbringen. Das alkalische Ätzen verringert diese Menge kaum, was hohe Anforderungen an die anschließende Reinigung ergibt. Die Optimierung von HF/O3-Reinigungslösung für diese Flächen ergab beste Reinigungsergebnisse bei niedrigen HF-Konzentrationen, abhängig vom alkalischen Ätzschritt und anschließendem HCl/HF-Dip.

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) unterstützt vielfältig die Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft. Eine ihrer Kernkompetenzen als das nationale Metrologie-Institut der Bundesrepublik Deutschland ist die Messtechnik. In diesem Sinne kalibriert die Arbeitsgruppe „Solarzellen“ der PTB i. d. R. den Kurzschlussstrom unter Standardtestbedingungen (I_STC) von Referenzsolarzellen. Der I_STC von Referenzsolarzellen ist in Photovoltaik-Kalibrierketten bei der Bestimmung der Bestrahlungsstärke von zentraler Bedeutung und fließt signifikant in die Berechnung der Wirkungsgrad von Solarzellen und Solarmodulen ein. Um den I_STC einer Solarzelle mit geringster Messunsicherheit zu bestimmen, wurde die Differential Spectral Responsivity (DSR)-Methode verwendet. Sie basiert auf der Messung der differentiellen spektralen Empfindlichkeit bei unterschiedlichen Bestrahlungsstärken. Anhand dieser kann die absolute spektrale Empfindlichkeit s(λ) unter Standardtestbedingungen sowie der I_STC berechnet werden. Da jedoch die Umgebungsbedingungen meistens von den STC abweichen, reichen letztere nicht zum umfassenden Vergleich der Wirkungsgrade in der Praxis aus. Um Einflussfaktoren (Temperatur, Bestrahlungsstärke, Winkelabhängigkeit,...) genauer untersuchen zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit an der PTB ein neuer Laser-basierter DSR-Messplatz aufgebaut und charakterisiert. Mit dem neuen Messplatz wurden c-Si Referenzsolarzellen, organische Solarzellen auf Basis kleiner Moleküle sowie Farbstoffsolarzellen umfassend untersucht. Unter anderem wurden die elektrischen Leistungsparameter einer organischen Solarzelle (aktive Schicht: DCV5T-Me:C60) mit denen einer c-Si Solarzelle verglichen. Es zeigt sich, dass der Wirkungsgrad der organischen Solarzelle mit zunehmender Bestrahlungsstärke sinkt und mit zunehmender Temperatur steigt, während die c-Si Solarzelle ein gegensätzliches Verhalten aufweist. Darüber hinaus wurde u.a. die Winkelabhängigkeit der zweiten organischen Solarzelle (aktive Schicht: C60:DCV5T-Me(3,3)) untersucht und mit den Resultaten einer c-Si Solarzelle verglichen. Diese Untersuchungen haben ergeben, dass die Winkelabhängigkeit des Kurzschlussstroms der organischen Solarzelle im Vergleich zu einer c-Si Solarzelle insbesondere zwischen 20° < ϑ < 60° eine „Super-Kosinus-Anpassung“ aufweist. Ergänzend wurde an der PTB im Rahmen dieser Arbeit ein mobiler Messplatz für Outdoormessungen aufgebaut. Mit diesem konnten die mittels Indoor-Untersuchungen erhaltenen spektralen Empfindlichkeiten mit Outdoor-Messungen verglichen werden. Des Weiteren wurden spektrale Charakterisierungen der Himmelshalbkugel durchgeführt und Methoden für Korrekturen von Sekundärkalibrierungen untersucht.

The electronic and geometrical structure of single difluoro-bora-1,3,5,7-tetraphenyl-aza-dipyrromethene (aza-BODIPY) molecules adsorbed on the Au(111) surface is investigated by low temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy in conjunction with ab initio density functional theory simulations of the density of states and of the interaction with the substrate. Our DFT calculations indicate that the aza-BODIPY molecule forms a chemical bond with the Au(111) substrate, with distortion of the molecular geometry and significant charge transfer between the molecule and the substrate. Nevertheless, most likely due to the low corrugation of the Au(111) surface, diffusion of the molecule is observed for applied bias in excess of 1 V. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

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

Der Schwerpunkt der vorgelegten Arbeit lag in der Bestimmung der Energieniveaus an allen Grenzflächen in bestimmten heterostrukturierten Polymer/Polymer- und Polymer/Molekül basierten Solarzellen. Die elektronische Charakterisierung erfolgte mittels Photoelektronenspektroskopie. Morphologie und Schichtdicke der aufgeschleuderten Filme wurden mit den komplementären Analysetechniken UV-vis Absorptionsspektroskopie, Rasterkraftmikroskopie sowie Röntgenphotoelektronenspektroskopie bestimmt. An der PEDT:PSS-Anode/Polymer-Grenzschicht wurden Änderungen im Vakuumniveau von bis zu 0,65 eV gemessen. Die Polymerabscheidung führte zu einer Erniedrigung der Substrataustrittsarbeit, auch wenn die Polymerionisationsenergie mehrere 100 meV größer als die ursprüngliche PEDT:PSS-Austrittsarbeit war. Eine detailierte Analyse der PEDT:PSS/Polymer Grenzflächen ausgehend von Submonolagen zu Multilagen zeigte verschiedene Ursachen für die Änderungen des Vakuumniveaus als verantwortlich. Zweitens: an Donator/Akzeptor-Grenzflächen wurden Änderungen im Vakuumniveau von bis zu 0,35 eV festgestellt, welche die solare Bandlücke (PVG) und folglich die Höchstgrenze der Leerlaufspannung (VOC) beeinflusst. Ein Vergleich aller Resultate der Grenzflächenanalyse mit den Solarzellen Parametern bestätigte PVG als obere Schranke von VOC. Der Energieunterschied zwischen PVG und VOC, der ein Maß für die Verluste in der Solarzelle darstellt, war für reine Polymerheteroübergänge größer als für Polymer/Molekül-Heterostrukturen mit einem Minimum bei 0,5 eV. Drittens: parallel zum Aufbau der Akzeptor/Kathoden-Grenzfläche veränderte sich das Vakuumniveau um ca. 1 eV, bedingt durch das Pinning des Kathoden-Ferminiveaus (EF) an unbesetzte Grenzflächenzuständen. Die energetische Lage dieser Zustände bezüglich EF entschied dabei über die Stärke der Diffusionsspannung in der Solarzelle, welche bei Beleuchtung der entstandenen Solarzellenstruktur durch eine lichtinduzierte Photospannung ausgeglichen wurde. / The main focus of this work was to provide a comprehensive picture of the energy level alignment at the multitude of interfaces that occur in selected polymer/polymer and polymer/small molecule heterojunction photovoltaic cells. The electronic characterization was performed using photoelectron spectroscopy. Morphology and thickness of spin coated thin films was investigated using a complementary technique approach employing UV-vis absorption spectroscopy, atomic force microscopy, and X ray photoelectron spectroscopy. At the PEDT:PSS anode/polymer interface vacuum level shifts up to 0.65 eV were observed. Polymer deposition decreased the substrate work function (WF even though the polymer ionization energy was several 100 meV higher as the initial PEDT:PSS WF. An in depth analysis of the PEDT:PSS/polymer interface from sub-monolayer to multilayer coverage revealed highly diverse origins for the observed vacuum level shifts. Secondly, investigations of the donor/acceptor interfaces revealed vacuum level shifts up to 0.35 eV that influence the photovoltaic gap (PVG) at the heterojunction and, therefore, the upper limit of the open circuit voltage (VOC) in the device. Correlating device data and all results of the interface analysis, PVG was finally confirmed as an upper limit for VOC. The energy difference (eV) between PVG and experimentally determined VOC, which was assigned to losses in the device, was found to be higher for all polymer heterojunctions compared to polymer/small molecule cells with a minimum at eV = 0.5 eV. Third, cathode/acceptor interface formation was accompanied by interfacial vacuum level shifts of ca. 1 eV caused by Fermi level (EF) pinning at interfacial gap states. The exact position of the acceptor pinning level with respect to EF of the anode determines the strength of the built in field in the device that was found to be fully counterbalanced by a photovoltage induced by in situ illumination of the resulting OPVC-like sample structures.

In dieser Arbeit wurde eine Tandemsolarzelle aus III-V-Halbleitern auf der Gitterkonstanten von InP mit einem neuartigen Tunnelkontakt entwickelt. Für die Entwicklung der monolithischen Präparation wurden insbesondere kritische Hetero-Grenzflächen im Bereich des Tunnelkontaktes mit oberflächensensitiven Messmethoden untersucht. Die Tandemsolarzelle bestand aus Einzelsolarzellen mit Absorberschichten aus InGaAs (E_g=0,73eV) und InGaAsP (E_g=1,03eV), deren Serienverschaltung mit einem Tunnelkontakt erfolgte, der aus einer n-InGaAs- und einer p-GaAsSb-Schicht bestand. Die Halbleiterschichten wurden mit metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOCVD) einkristallin auf einem InP(100)-Substrat gitterangepasst präpariert. Insbesondere wurde der Einfluss der Präparation von InGaAs-Oberflächen auf die Schärfe der InGaAs/GaAsSb-Grenzfläche in-situ mit RAS und nach einem kontaminationsfreien Transfer ins UHV mit UPS, XPS und LEED untersucht. Dabei konnten erstmals drei verschiedene Rekonstruktionen der MOCVD-präparierten InGaAs-Oberfläche beobachtet werden, die von der Heiztemperatur abhängig waren: eine As-reiche (4x3)-, eine InGa-reiche (2x4)- und eine ebenfalls InGa-reiche (4x2)/c(8x2)-Rekonstruktion. Danach erfolgte die Untersuchung des Wachstums von dünnen GaAsSb-Schichten auf diesen drei InGaAs-Oberflächen. Anhand des Sb/As-Verhältnisses im GaAsSb konnte die Präparation auf der (4x3)-rekonstruierten Oberfläche als die schlechteste beurteilt werden. Abschließend wurden Tandemsolarzellen mit verschieden dicken Absorberschichten der InGaAsP-Topzelle gefertigt. Der höchste Wirkungsgrad einer hier hergestellten Tandemsolarzelle betrug 7,3% unter einem gefilterten Sonnenspektrum, das eine GaAs-basierte Tandemsolarzelle mit großen Bandlücken (E_g>1,4eV) simulierte. Die Kombination einer solchen Tandemsolarzelle mit der hier entwickelten InGaAs/InGaAsP-Tandemsolarzelle hat das Potential, für konzentriertes Sonnenlicht eine Konversionseffizienz von deutlich über 40% zu erreichen. / A monolithic low band gap tandem solar cell made up of III-V semiconductors lattice matched to InP and including a novel tunnel junction was developed. Critical hetero interfaces were investigated in detail, in particular the ones related to the tunnel diode. The tandem solar cell was composed of single junction cells with InGaAs (E_g=0.73eV) and InGaAsP (E_g=1.03eV) absorber layers. The serial connection of the subcells was realized by using a tunnel junction including n-InGaAs and p-GaAsSb layers. Metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) was used to prepare the III-V layers lattice matched on InP(100) substrates. In particular, the influence of the preparation of the InGaAs surface on the sharpness of the InGaAs/GaAsSb interface was investigated in-situ by Reflection Anisotropy Spectroscopy (RAS). After a contamination free transfer to UHV the samples were analyzed by UPS, XPS and LEED. Three different surface reconstructions of MOVPE-prepared InGaAs were determined for the first time: an As-rich (4x3)-, an InGa-rich (2x4) and an also InGa-rich (4x2)/c(8x2)-reconstructed surface. In a second step, the growth of thin GaAsSb layers on the three different InGaAs surfaces was studied. The Sb/As-ratio in the GaAsSb layer indicated that the preparations on the InGa-rich surfaces result in a sharper interface. Finally, tandem solar cells with different thicknesses for the absorber layer of the top cell were produced. The highest efficiency obtained for the tandem solar cell was 7.3%, when measured under a filtered solar spectrum to simulate the operation below a GaAs-based tandem solar cell (E_g>1.4eV). The combination of a high band gap tandem solar cell with the InGaAs/InGaAsP tandem solar cell developed here is estimated to reach under a concentrated solar spectrum a total efficiency of more than 40% after further optimization steps.

Das Ziel der Arbeit ist die Herstellung und die Charakterisierung von Heterostrukturen des organischen Halbleiters Pentazen (PEN) mit diversen konjugierten organischen Materialien im Hinblick auf das Anwendungspotenzial im Bereich der organischen Elektronik. Für die Untersuchung von PEN-Heterostrukturen mit (i) Fulleren (C60), (ii) Perfluoropentazen (PFP) und (iii) 6,13-Pentazenchinon (PQ) wurden mehrere komplementäre experimentelle Techniken angewendet: Röntgenbeugung, Schwingungsspektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Photoelektronenspektroskopie. (i) Für PEN - Heterostrukturen mit C60 wurden die elektronischen, strukturellen und morphologischen Eigenschaften mit der Leistung von organischen Solarzellen (OSZ) für geschichtete und gemischte Systeme korreliert. Dabei wurde gezeigt, dass morphologische anstatt struktureller oder energetischer Ursachen die Leistungsunterschiede der beiden untersuchten Zelltypen erklären. (ii) Strukturuntersuchungen wurden an reinen PFP-Filmen, sowie an geschichteten und gemischten Heterostrukturen mit PEN durchgeführt. Es wurde die Struktur der PFP-Dünnfilmphase gelöst und das Wachstum von PEN+PFP Mischkristallen gezeigt, welche erfolgreich angewandt wurden, um die Ionisationsenergie (IE) des Films mit dem Mischungsverhältnis durchzustimmen. Dies wurde durch die Existenz von innermolekularen polaren Bindungen (C-H und C-F für PEN und PFP) erklärt. (iii) Für reine PQ-Filme wurde die Struktur der PQ-Dünnfilmphase gelöst (ein Molekül pro Einheitszelle). Es wurde eine stark orientierungsabhängige IE von PQ und PEN gefunden und gezeigt, dass die Energieniveaulagen für die Anwendung in OSZ geeignet sind. Die Untersuchung von Mischsystemen zeigte phasensepariertes Wachstum ohne Hinweise auf Interkalation, selbst bei PQ Konzentrationen von nur 2%. Weiters wurde gezeigt, dass O2 und Wasser keine nachhaltigen Auswirkungen auf PEN-Filme zeigen, wohingegen Singlett-Sauerstoff und Ozon diese angreifen und flüchtige Reaktionsprodukte liefern. / The scope of this work is the combination of the organic semiconductor pentacene (PEN) with different conjugated organic molecules to form application relevant heterostructures in vacuum sublimed films. Using x-ray diffraction (XRD), vibrational spectroscopy, atomic force microscopy and photoelectron spectroscopy, PEN heterostructures with (i) fullerene (C60), (ii) perfluoropentacene (PFP) and (iii) 6,13-pentacenequinone (PQ) were thoroughly characterized to judge on the respective application potential in organic electronics. (i) PEN heterostructures with C60 were investigated regarding the correlation of energetic, structural and morphological properties with the performance of organic photovoltaic cells (OPVCs) for both layered and mixed structures. Morphological rather than energetic or structural issues account for performance differences of bulk-heterojunction OPVCs compared to layered devices. (ii) XRD investigations were carried out on pure PFP films, on layered and mixed heterostructures with PEN. The thin-film polymorph of PFP was solved and it is shown that blended films form a mixed crystal structure, which led to the finding that the ionization energy (IE) of organic films composed of molecules with intramolecular polar bonds (like C-H and C-F for PEN and PFP, respectively) can be tuned through the mixing ratio. (iii) A so far unknown thin-film polymorph of PQ on SiO2 substrates was solved using XRD reciprocal space mapping evidencing a loss of the herringbone arrangement known from the PQ bulk structure. For PEN heterostructures with PQ a highly molecular-orientation dependent IE and energy level offsets interesting for the use in OPVCs were found. Mixed films of PEN and PQ exhibit phase separation and no intercalation was found even at PQ concentrations as low as 2%. Finally, it is shown that O2 and water do not react noticeably with PEN, whereas singlet oxygen and ozone readily oxidize PEN films producing volatile reaction products instead of PQ.

Hybride Nanostrukturen verbinden die Vorzüge von individuellen Materialien, die neue Eigenschaften hervorrufen können. In dieser Arbeit wurden verschiedene Metal Nanostrukturen synthetisiert und deren optische Eigenschaften analysiert. Die Herstellung eines Spasers oder Lichteinfang in Solarzellen wurde untersucht. Der Einfluß von Größe, Form und Brechungsindex auf die Metal-Plasmonen wurde erforscht. Die gewonnen Erkenntnisse genutzt um Metal Nanopartikel mit gezielten Eigenschaften herzustellen. Hybride Gold Nanostrukturen (funktionalisiert mit Farbstoffen oder Quantenpunkten) wurden hergestellt und Energie-Transfereffekte untersucht. Diese hybriden Nanostrukturen wurden optisch gepumpt um Spasing zu erreichen. Allerdings wurde festgestellt, dass eine unrealistisch hohe Verstärkung benötigen wird, um die charakteristischen Verluste im Metal zu überwinden. Silber und Gold Nanopartikel wurden synthetisiert um diese in Dünnschichtsolarzellen einzusetzen. Es konnte gezeigt werden, dass Silber chemisch instabil ist und, wenn oxidiert, hohe Absorption auftritt. Durch hohe Temperaturen konnte die Oxidschicht auf den Silberpartikeln reduziert werden und damit auch die Verluste. Stabilere Gold Partikel wurden in Perovskit-Solarzellen eingebaut, wodurch die Effizienz einer solch modifizierten Solarzelle um ~40% gesteigert werden konnte. Dies wurde durch eine erhöhte Anzahl an generierten Ladungsträgern mittels metallischen Lichtfallen erreicht. Zusätzlich wurden anisotrope Janus Trägerpartikel synthetisiert und mit Metal Nano-partikeln funktionalisiert. Gold Nanopartikel wurden abgeschieden und zu einer Gold Hülle gewachsen. Dies erfolgte entweder gleichförmig über das gesamte Hantel-Trägerpartikel oder einseitig unter Ausnutzung der chemischen Anisotropie. Desweiteren wurden Platin Nano-partikel einseitig abgeschieden und in Wasserstoffperoxid Lösung gegeben. Die Partikel wurden daraufhin mittels dynamischer Lichtstreuung auf Selbstvortrieb untersucht. / Hybrid nanostructures combine the assets of the individual materials with a vast amount of new properties. In this work various metal nanoparticles have been synthesized and investigated on their optical properties. The synthesized metal nanoparticles have been implemented for potential applications, e.g. fabrication of a spaser or in solar cells. At first, the size, shape and refractive index effects of gold and silver nanoparticles have been investigated. The insight gained helps to optimize the synthesis of metal nanoparticles with specific optical properties needed for further applications. Optimized hybrid gold nanostructures have been synthesized and functionalized with dye molecules or quantum dots to investigate energy transfer effects. These hybrid structures have been optically pumped to achieve spasing. However, comparison with a theory showed that such metal nanostructures need unrealistic high gain to overcome the inherent losses and achieve spasing. Silver and gold nanoparticles have been synthesized for applications in thin film solar cells. It has been shown that silver lacks chemical stability and thus, if oxidized, the nanoparticles exhibit weak scattering and strong Ohmic losses. The oxide layer of silver nano-spheres could be via annealing. By contrast, gold nanoparticles, known for their higher stability, have been implemented in a perovskite solar cell. Such a modified solar cell showed an increase in efficiency by ~40% through increased generation of carriers. Anisotropic Janus carrier systems have been synthesized and functionalized with metal nanoparticles. Gold nanoparticles have been deposited either uniformly or on one lobe only of the dumbbell-shaped carrier system by using its chemical anisotropy. These gold nano¬particles have been grown to a gold shell. Platinum nanoparticles have been deposited on a single lobe and its self-propelling ability in a chemical fuel was investigated by means of dynamic light scattering.

Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung einer Hybridsolarzelle, in der der anorganische Halbleiter Silizium, das organische Polymer und das Kontaktsystem so aufeinander abgestimmt sind, dass ihre Kombination zu einem Bauelement mit hohem Wirkungsgrad führt. Um dieses Ziel zu erreichen wurden verschiedene Maßnahmen ergriffen. Neue Polymermaterialien, abgeleitet von dem prototypischen organischen Halbleiter poly(3-hexylthiophen 2,5 diyl) (P3HT), namentlich poly(3-[3,6-dioxaheptyl]-thiophen) (P3DOT) und poly(3-[2,5,8-trioxanonyl]-thiophen) (P3TOT), wurden umfassend hinsichtlich ihrer Struktur untersucht. Poly thiophen/c-Si hybride Solarzellen, hergestellt aus diesen neuen Polymeren, erreichten Effizienzen bis zu 11 %. Die vollständigen Banddiagramme dieser Poly thiophen/c-Si Hybridgrenzflächen wurden mittels Photoelektronenspektroskopie aufgenommen. Außerdem wurde der Einfluss des Kontaktsystems auf die darunter liegenden Schichten mittels Oberflächenspannungsspektroskopie untersucht. Das Resultat dieser Messungen weißt eine Inversionslage unter der Siliziumoberfläche nach, die sich aufgrund des verwendeten semitransparenten Metallkontaktes formt. Dadurch lassen sich diese Bauteile als MIS Inversionsschicht Solarzelle kategorisieren. Um die Hybridsolarzellen weiter zu verbessern, wurde versucht den semitransparenten Metallkontakt durch Graphen zu ersetzen. Das Graphen wurde durch einen CVD-Prozess gewachsen und erreichte eine laterale Ausdehnung von bis zu 1 cm2. Der Übertrag auf die Solarzelle erfolgte mittels eines Wasser und Zerstörungsfreiem Transferprozess. Trotz dem erfolgreichen Aufbringen des Graphen limitierte ein geringer Füllfaktor aufgrund der geringen Ladungsträgerdichte im Graphen den Wirkungsgrad der Solarzelle. In einem letzten Schritt wurde das Polymer P3HT zum ersten Mal mit polykristallinen Siliziumabsorbern kombiniert. Die invertierte Zellstruktur, die hierbei zu Anwendung kam, erhöhte die Lebensdauer der Solarzelle erheblich. / The scope of this thesis was the development of a hybrid solar cell based on silicon in which the inorganic semiconductor, the organic polymer and the contact system are combined in such a manner to result in a photovoltaic device with high power conversion efficiency. To reach this goal several measures were taken. New polymer materials derived from the prototypical organic semiconductor poly(3-hexylthiophene 2,5 diyl) (P3HT), namely poly(3-[3,6-dioxaheptyl]-thiophene) (P3DOT) and poly(3-[2,5,8-trioxanonyl]-thiophene) (P3TOT), were extensively characterized regarding its structural properties. Poly thiophene/c-Si hybrid solar cells fabricated from these new polymers exhibited power conversion efficiencies up to 11 %. The energy level alignment of these poly thiophene/c Si hybrid interfaces was studied using photoelectron spectroscopy. Furthermore, the influence of the contact system on the underlying wafer is investigated with surface photovoltage measurements. The measurements revealed the formation of an inversion layer beneath the silicon surface due to the semitransparent metal contact used in the devices. Therefore, these devices can be classified as MIS inversion layer solar cells. To further improve the hybrid poly thiophene/c-Si solar cells by substituting the semitransparent metal contact, graphene was implemented in the device design as a transparent front contact. The CVD grown graphene sheet had a lateral size of up to 1 cm2 and was applied onto the solar cell using a non-destructive and water-free transfer process. However, despite the successful transfer the power conversion efficiency was restricted by the low fill factor due to a low charge carrier density in the graphene. As a last step, hybrid solar cells in the combination P3HT/polycrystalline silicon absorbers on glass were fabricated for the first time. The inverted device structure used for these solar cells proved beneficial for the lifetime. These devices were stable for up to 3 months.