Light-harvesting devices made from lead sulfide quantum dot (QD) absorbers are one of the many promising technologies of third-generation photovoltaics. Their simple, solution-based fabrication, together with a highly tunable and broad light absorption makes their application in newly developed solar cells, particularly promising. In order to yield devices with reduced voltage and current losses, PbS QDs need to have strategically passivated surfaces, most commonly achieved through lead iodide and bromide passivation. The interdot spacing is then predominantly filled with residual amorphous lead halide species that remain from the ligand exchange, thus hindering efficient charge transport and reducing device stability. Herein, it is demonstrated that a post-treatment by iodide-based 2-phenylethlyammonium salts and intermediate 2D perovskite formation can be used to manage the lead halide excess in the PbS QD active layer. This treatment results in improved device performance and increased shelf-life stability, demonstrating the importance of interdot spacing management in PbS QD photovoltaics.

Das wesentliche Ziel dieser Doktorarbeit ist es, die Zusammenhänge zwischen der Struktur von kleinen organischen Molekülen, deren Anordnung in der Dünnschicht und der Effizienz organischer Solarzellen zu beleuchten. Die Kombination der komplementären Methoden spektroskopischer Ellipsometrie (VASE) und Röntgenstreuung, vor allem der unter streifendem Einfall (GIXRD), hat sich als sehr effiient für die Strukturuntersuchungen organischer Dünnschichten erwiesen. Zusammen geben sie einen detailreichen Einblick in die intermolekulare Anordnung, die Kristallinität, die molekulare Orientierung, die optischen Konstanten n und k und die Phasenseparation von organischen Schichten. Zusätzlich wird die Topografie der organischen Dünnschicht mit Rasterkraftmikroskopie untersucht. Der erste Fokus liegt auf der Analyse des Dünnschichtwachstums von Zink-Phthalocyanin (ZnPc) Einzelschichten. Für alle untersuchten Schichtdicken (5, 10, 25, 50 nm) und Substrattemperaturen (Tsub=30°C, 60°C, 90°C) zeigt ZnPc ein kristallines Schichtwachstum mit aufrecht stehenden ZnPc Molekülen. Um effiziente organische Solarzellen herzustellen, werden Donor- und Akzeptormoleküle üblicherweise koverdampft. Bei der Mischung von Donor- und Akzeptormolekülen bildet sich eine gewisse Phasenseparation aus, deren Form wesentlich für die Ladungsträgerextraktion entlang der Perkolationpfade ist. Der Ursprung dieser Phasenseparation wird innerhalb dieser Arbeit experimentell für ZnPc:C60 Absorber-Mischschichten untersucht. Um die Ausprägung der Phasenseparation zu variieren, werden verschiedene Tsub (30°C, 100°C, 140°C) und Mischverhältnisse (6:1, 3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3, 1:6) bei der Koverdampfung von ZnPc und C60 angewendet. GIXRD Messungen zeigen, dass hier der bevorzugte Kristallisationsprozess von C60 Molekülen die treibende Kraft für eine effiziente Phasenseparation ist. Solarzellen, die ZnPc:C60 Mischschichten mit verbesserter Phasenseparation enthalten (Tsub=140°C, 1:1), zeigen eine verbesserte Ladungsträgerextraktion und somit eine höhere Effizienz von 3,0% im Vergleich zu 2,5% für die entsprechende Referenzsolarzelle (Tsub=30°C, 1:1). Im zweiten Teil der Arbeit wird der Einfluss der Molekülorientierung auf die Dünnschichtabsorption beispielhaft an ZnPc und Diindenoperylen (DIP) untersucht. DIP und ZnPc Moleküle, die auf schwach wechselwirkenden Substraten wie Glas, SiO2, amorphen organischen Transportschichten oder C60 aufgedampft sind, zeigen eine eher stehende Orientierung innerhalb der Dünnschicht in Bezug zur Substratoberfläche. Im Gegensatz dazu führt die Abscheidung auf stark wechselwirkenden Substraten, wie z.B. einer Gold- oder Silberschicht oder 0.5 nm bis 2 nm dünnen PTCDA (3,4,9,10-Perylentetracarbonsäuredianhydrid) Templatschichten laut GIXRD und VASE Messungen dazu, dass sich die ZnPc und DIP Moleküle eher flach liegend orientieren. Dies führt zu einer wesentlich besseren Dünnschichtabsorption da das molekulare Übergangsdipolmoment jeweils innerhalb der Ebene des ZnPc und des DIP Moleküls liegt. Ein Einbetten von Gold- oder Silberzwischenschichten in organischen Solarzellen führt leider zu keinen klaren Abhängigkeiten, da die verbesserte Absorption durch die flach liegenden Moleküle von Mikrokavitäts- und plasmonischen Effekten überlagert wird. Ebenso wenig führte das Einfügen einer PTCDA-Zwischenschicht in organischen Solarzellen zum Erfolg, da hier Transportbarrieren den Effekt der verbesserten Absorption überlagern. Das letzte Kapitel konzentriert sich auf den Einfluss der Molekülstruktur auf das Dünnschichtwachstum am Beispiel von DIP und dessen Derivaten Ph4-DIP und P4-Ph4-DIP, Isoviolanthron und Bis-nFl-NTCDI (N,N-Bis(fluorene-2-yl)-naphthalenetetra-carboxylic Diimid) Derivaten. GIXRD Messungen belegen deutlich, dass die sterischen Behinderungen, hervorgerufen durch die Phenylringe (für Ph4-DIP und P4-Ph4-DIP) und Seitenketten (für Bis-nFl-NTCDI), ein amorphes Schichtwachstum induzieren. Im Vergleich sind die Dünnschichten von DIP und Bis-HFl-NTCDI kristallin. Bezüglich der Molekülorientierung und folglich der Absorption von DIP und dessen Derivaten kann ein starker Einfluss des Schichtwachstums beobachtet werden. In Solarzellen verhindert die Präsenz der Phenylringe eine effiziente Phasenseparation der Mischschichten aus (P4-)Ph4-DIP:C60, was zu einer verschlechterten Ladungsträgerextraktion und damit zu einem reduzierten Füllfaktor (FF) von 52% im Vergleich zu dem entsprechender DIP:C60 Solarzellen mit FF=62% führt Die Untersuchungen an der Bis-nFl-NTICDI Serie zeigen ein ähnliches Ergebnis: Auch hier zeichnen sich die amorphen Schichten aus Bis-nFl-NTCDI Molekülen mit Seitenketten durch schlechtere Transporteigenschaften aus als nanokristalline Bis-HFl-NTCDI Schichten. / The aim of this thesis is to demonstrate correlations between the molecular structure of small organic molecules, their arrangement in thin films, and the solar cell performance. For structure analysis of the organic thin films, the combination of variable angle spectroscopic ellipsometry (VASE) and grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD) as complementary methods turned out to be a powerful combination. Using both methods, it is possible to obtain information about the crystallinity, crystallite size, intermolecular arrangement, mean molecular orientation, optical constants n and k, and phase separation within thin films. In addition, the topography of thin films is analyzed by atomic force microscopy. First, the thin film morphology of pristine zinc-phthalocyanine (ZnPc) films deposited at different substrate temperatures (Tsub=30°C, 60°C, 90°C) and for varying film thicknesses (5, 10, 25, 50 nm) is investigated. The ZnPc films grow highly crystalline with an upright standing molecular orientation with respect to the substrate surface for all investigated Tsub and all film thicknesses. In effcient organic solar cells, donor and acceptor molecules are commonly co-deposited to form a blend absorber film. This is usually accompanied by a certain phase separation between donor and acceptor molecules leads to a formation of percolation paths necessary to extract electrons and holes towards the electrodes. For ZnPc:C60 blends the origin of this phase separation process is analyzed by investigating different degrees of phase separation induced by film deposition at different Tsub (30°C, 100°C, 140°C) and for different blend ratios (6:1, ... , 1:6 (vol%)). GIXRD measurements indicate that the preferred crystallization of C60 is the driving force for good phase separation. Solar cells with improved phase separation of ZnPc:C60 blends (Tsub=140°C, 1:1) reveal a better charge carrier extraction and thus enhanced effciencies of 3.0% in comparison to 2.5% for the reference device (Tsub=30°C, 1:1). In the second part, the impact of molecular orientation within the absorber thin films on light harvesting is examined for pristine ZnPc and diindenoperylene (DIP) films. For film deposition on weakly interacting substrates like glass, SiO2, amorphous organic transport films, or C60, the orientation of DIP and ZnPc molecules is found to be upright standing. In contrast, GIXRD and VASE measurements show that films deposited onto strongly interacting substrates like Au and Ag, as well as on thin PTCDA templating layers lead to nearly flat-lying ZnPc and DIP molecules. Since the molecular transition dipole moment is oriented in the plane of the DIP and ZnPc molecules, the light absorption in films with flat-lying molecules is strongly improved. Unfortunately, an implementation of Au or Ag sublayers in organic solar cells does not result in reliable dependencies since the enhanced absorption by an improved molecular orientation is superimposed by different effects like microcavity and plasmonic effects. The implementation of PTCDA interlayers leads to transport barriers making the solar cell data interpretation difficult. In the last part, the influence of molecular structure on thin film growth is studied for DIP and its derivatives Ph4-DIP and P4-Ph4-DIP, isoviolanthrone, and Bis-nFl-NTCDI derivatives. GIXRD measurements reveal that steric hindrance is induced by the addition of side chains (for Bis-nFl-NTCDI) and phenyl rings (for Ph4-DIP and P4-Ph4-DIP) (N,N-Bis(fluorene-2-yl)-naphthalenetetra-carboxylic diimide) leading to an amorphous thin film growth. In contrast, DIP films and Bis-HFl-NTCDI films are found to be crystalline. The mean molecular orientation and hence the absorption is strongly affected by the different growth modes of DIP and its derivatives. In OSC, the presence of the phenyl rings prevents an effcient phase separation for (P4-)Ph4-DIP:C60 blends which causes diminished charge extraction in comparison to the crystalline DIP:C60 blends. For the Bis-nFl-NTCDI series, the transport properties are significantly worse in the amorphous films composed of Bis-nFl-NTCDI derivatives with alkyl chains in comparison to the nanocrystalline films made of the bare Bis-HFl-NTCDI.

The rapidly increasing power conversion efficiencies (PCEs) of organic solar cells (OSCs) above 10% were made possible by concerted international research activities in the last few years, aiming to understand the processes that lead to the generation of free charge carriers following photon absorption. Despite these efforts, many details are still unknown, especially how these processes can be improved already at the drawing board of molecular design. To unveil this information, dicyanovinyl end-capped oligothiophene derivatives (DCVnTs) are used as a model system in this thesis, allowing to investigate the impact of small structural changes on the molecular properties and the final solar cells. On thin films of a methylated DCV4T derivative, the influence of the measurement temperature on the charge carrier generation process is investigated. The observed temperature activation in photoinduced absorption (PIA) measurements is attributed to an increased charge carrier mobility, increasing the distance between the charges at the donor/acceptor (D/A) interface and, thus, facilitating their final dissociation. The correlation between the activation energy and the mobility is confirmed using a DCV6T derivative with lower mobility , exhibiting a higher activation energy for charge carrier generation. Another parameter to influence the charge carrier generation process is the molecular structure. Here, alkyl side chains with varying length are introduced and their influence on the intramolecular energy levels as well as the absorption and emission properties in pristine and blend films with the acceptor C60 are examined. The observed differences in intermolecular order (higher order for shorter side chains) and phase separation in blend layers (larger phase separation for shorter side chains) are confirmed in PIA measurements upon comparing the temperature dependence of the triplet exciton lifetimes. A proposed correlation between the side chain length and the coupling between D and A, which is crucial for efficient charge transfer, is not confirmed. The presented flat heterojunction solar cells underline this conclusion, giving similar photocurrent densities for all compounds. Differences in PCE are related to shifts of the energy levels and the morphology of the blend layer in bulk heterojunction devices. Furthermore, the impact of the electric field on the charge carrier generation yield is investigated in a proof-of-principle study, introducing PIA measurements in transmission geometry realized using semitransparent solar cells. The recombination analysis of the photogenerated charge carriers reveals two recombination components. Trapped charge carriers or bound charge pairs at the D/A interface are proposed as an explanation for this result. The miscibility of D and A, which can be influenced by heating the substrate during layer deposition, is of crucial importance to obtain high PCEs. In this work, the unusual negative influence of the substrate temperature on DCV4T:C60 blend layers in solar cells is investigated. By using optical measurements and structure determination tools, a rearrangement of the DCV4T crystallites is found to be responsible for the reduced absorption and, therefore, photocurrent at higher substrate temperature. The proposed blend morphology at a substrate temperature of 90° C is characterized by a nearly complete demixing of the D and A phases. This investigation is of particular relevance, because it shows the microscopic origins of a behavior that is contrary to the increase of the PCE upon substrate heating usually reported in literature. Finally, the optimization steps to achieve a record PCE of 7.7% using a DCV5T derivative as donor material are presented, including the optimization of the substrate temperature, the active layer thickness, and the transport layers. / Der rasante Anstieg des Wirkungsgrads von organischen Solarzellen über die Marke von 10% war nur durch länderübergreifende Forschungsaktivitäten während der letzten Jahre möglich. Trotz der gemeinsamen Anstrengungen, die Prozesse, die zwischen der Absorption der Photonen und der Ladungsträgererzeugung liegen, genauer zu verstehen, sind einige Fragen jedoch immer noch ungelöst, z.B. wie diese Prozesse schon auf dem Reißbrett durch die gezielte Änderung bestimmter Molekülstrukturen optimiert werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, werden in dieser Arbeit Dicyanovinyl-substituierte Oligothiophene (DCVnTs) verwendet. Diese Materialien bieten die Möglichkeit, kleine strukturelle Änderungen vorzunehmen, deren Einfluss auf die molekularen und auf die Solarzelleneigenschaften untersucht werden soll. Der Einfluss der Messtemperatur auf den Prozess der Ladungsträgertrennung wird hier an einer methylierten DCV4T-Verbindung in einer dünnen Schicht untersucht. Die bei photoinduzierter Absorptionsspektroskopie (PIA) beobachtete Aktivierung dieses Prozesses mit zunehmender Temperatur wird auf eine erhöhte Ladungsträgerbeweglichkeit zurückgeführt. Der dadurch erhöhte effektive Abstand der Ladungen an der Grenzfläche zwischen Donator (D) und Akzeptor (A) erleichtert die endgültige Trennung der Ladungsträger. Durch den Vergleich mit einer DCV6T-Verbindung wird der Zusammenhang zwischen der Aktivierungsenergie und der Beweglichkeit bekräftigt. Die kleinere Beweglichkeit äußert sich dabei in einer größeren Aktivierungsenergie. Darüber hinaus kann der Ladungsträgergenerationsprozess auch von der Molekülstruktur abhängen. In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich die Länge von Alkylseitenketten auf die Energieniveaus der Moleküle, aber auch auf die Absorptions- und Lumineszenzeigenschaften der Materialien in reinen und in Mischschichten mit dem Akzeptor C60 äußert. Die ermittelten Unterschiede bezüglich der Molekülordnung (geordneter für kürzere Seitenketten) und der Phasengrößen in Mischschichten (größere Phasen bei kürzerer Kettenlänge) werden in der Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Lebensdauer von Triplettexzitonen mittels PIA-Messungen bestätigt. Für Solarzellen ist von Bedeutung, ob sich die Seitenkettenlänge auf die Wechselwirkung zwischen D und A auswirkt. Der vermutete Zusammenhang wird hier nicht bestätigt. Ein ähnlicher Photostrom für alle untersuchten Verbindungen in Solarzellen mit planaren Heteroübergängen unterstreicht diese Schlussfolgerung. Unterschiede im Wirkungsgrad werden auf Änderungen der Energieniveaus und die Morphologie in Mischschichtsolarzellen zurückgeführt. Des Weiteren wird in einer Machbarkeitsstudie der Einfluss des elektrischen Felds auf die Generationsausbeute freier Ladungsträger untersucht. Dafür werden halbtransparente Solarzellen verwendet, die es ermöglichen, PIA-Messungen in Transmissionsgeometrie durchzuführen. Als mögliche Erklärung für das Auftreten zweier Rekombinationskomponenten in der Analyse des Rekombinationsverhaltens der durch Licht erzeugten Ladungsträger werden eingefangene Ladungsträger und gebundene Ladungsträgerpaare an der D/A-Grenzfläche genannt. Das Mischverhalten von D und A kann durch ein Heizen des Substrates während des Verdampfungsprozesses eingestellt werden, was von entscheidender Bedeutung für eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades ist. Für DCV4T:C60-Mischschichtsolarzellen wird jedoch eine Verschlechterung des Wirkungsgrads zu höheren Substrattemperaturen beobachtet. Durch optische Messungen und Methoden zur Schichtstrukturbestimmung wird dieser Effekt auf eine Umordnung der DCV4T-Kristallite für hohe Substrattemperaturen und die damit verbundene Verringerung der Absorption und damit auch des Photostroms zurückgeführt. Bei einer Substrattemperatur von 90° C sind die D- und A-Komponenten fast vollständig entmischt. Dieses Beispiel ist von besonderer Bedeutung, weil hier die Ursachen für ein Verhalten aufgezeigt werden, das entgegen den Beispielen aus der Literatur eine Abnahme des Wirkungsgrads beim Aufdampfen der aktiven Schicht auf ein geheiztes Substrat zeigt. Schließlich werden die Optimierungsschritte dargelegt, mit denen Solarzellen mit einer DCV5T-Verbindung als Donatormaterial auf einen Rekordwirkungsgrad von 7,7% gebracht werden. Dabei wird die Substrattemperatur, die Dicke der aktiven Schicht und die Transportschichten angepasst.

Key issues in improving small molecule organic solar cells (SMOSC) are the need for new absorber materials and optimized active layer morphology. This thesis deals with the improvement of SMOSC on the donor material side. Promising donor materials (D) are provided by dicyanovinyl endcapped oligothiophenes DCV2-nT (n = 3, . . . , 6) synthesized in the group of Prof. Bäuerle at the University of Ulm. Here, DCV2-nT (n = 3, 5) with different alkyl side chains are characterized. Side chain variations mainly influence the aggregation of molecules in pristine films as well as in blend films with the commonly used acceptor (A) fullerene C60. With changes in the layer morphology, important physical properties in thin film like absorption spectra, energy levels, as well as excited state properties are changed. The focus of this work are excited state properties accessed by photoinduced absorption spectroscopy (PIA). PIA probes the long living excited states in pristine and blend films, i. e. triplet excitons, anions, and cations. For a series of four dicyanovinyl-terthiophenes DCV2-3T (without side chains, with two methyl, two butyl, and four butyl side chains) a systematic study of the effect of alkyl side chains on the aggregation in neat and blend film is discussed. In consequence the efficiency of the energy transfer mechanism between DCV2-3T and C60 is affected. It turns out that in solution spectra and cyclic voltammetry (CV) measurements, the variation of alkyl side chains has almost no influence. However, in thin film there is strong impact on the molecular arrangement confirmed by strongly varying absorption spectra, ionization potentials, and surface roughnesses. Furthermore, PIA measurements reveal that the energy transfer efficiency between D and A in general decreases with increasing side chain length, but is most efficient for a compound with methyl side chains. For blends of dicyanovinyl-quinquethiophenes (DCV2-5T) with C60, the layer morphology is influenced by two different methods. On one hand substrate heating is applied while deposition of the active layer, on the other hand DCV2-5Ts with different alkyl side chains (four methyl and four butyl side chains) are used. Deposition on a heated substrate (80°C) results in an improved solar cell performance, assigned to the formation of a sufficient phase separation of D and A phase in the active layer. This leads to reduced recombination losses and closed percolation paths. The morphological change can be correlated to an increased lifetime of cations. In blends deposited on a heated substrate, the donor cation lifetime increases by almost one order of magnitude from around 10 μs to ≈ 80 μs. This increase of carrier lifetime is both detected optically by PIA as well as electrically by impedance spectroscopy. The increase in lifetime is consequently assigned to a better spatial separation of positive and negative charges induced by the phase separation. Comparing DCV2-5T with methyl and butyl side chains results in a similar effect: The dicyanovinyl-quinquethiophene with methyl side chains leads to an improved solar cell device performance compared to devices comprising the compound with butyl side chains as donor. The improved device performance is again accompanied by an increase in cation lifetime detected by PIA.:Contents Publications 1. Introduction 2. Organic semiconductors 2.1. Introduction 2.2. Optical excitations in organic semiconductors 2.2.1. Energy levels: single molecules to molecular solids 2.2.2. Absorption and emission spectra 2.3. Transport in organic semiconductors 2.3.1. Exciton motion 2.3.2. Charge transport 2.3.3. Amorphous organic semiconductors 3. Organic photovoltaics 3.1. Introduction 3.2. Solarenergyconversion 3.2.1. Quasi Fermi levels 3.2.2. p-n junction 3.3. Organic solar cells 3.3.1. Charge generation mechanisms 4. Experimental methods 4.1. Sample preparation 4.2. Photoinduced absorption spectroscopy 4.2.1. PIA setup 4.2.2. Recombination dynamics 4.3. Solar cell characterization 4.3.1. External quantum efficiency 4.3.2. J-V characteristics 4.4. Absorption and emission spectroscopy 4.5. Determination of energy levels 4.5.1. Ultraviolet photo electron emission spectroscopy 4.5.2. Cyclic voltammetry 4.6. Atomic force microscopy 4.7. Density functional theory calculations 4.8. Impedance spectroscopy 5. Dicyanovinyl-oligothiophenes 5.1. Introduction 5.2. The DCV2-nT:C60 interface 5.3. Processability 6. Side chain variations on DCV2-3T 6.1. Introduction 6.2. Density functional theory calculations 6.2.1. Excited state transitions 6.3. Absorption and Emission in solution and thin film 6.3.1. Blend layer absorption spectra 6.3.2. Photoluminescence spectra of neat and blend films 6.4. Energy levels of the DCV2-3T series 6.5. Atomic force microscopy 6.6. Photoinduced absorption spectroscopy 6.6.1. PIA signatures of charged states 6.6.2. Recombination dynamics 6.6.3. Efficiency of the ping pong effect 6.7. Conclusion 7. Influencing the morphology of DCV2-5T:C60 blend layers 7.1. Introduction 7.2. Properties of the DCV2-5T:C60 interface 7.2.1. Analysis of the DCV2-5T triplet transition 7.2.2. Analysis of the DCV2-5T cation transitions 7.2.3. Suggested energy level scheme for neat and blend layer 7.3. Temperature evolution of excited state properties 7.4. Effect of substrate heating on excited state lifetime and generation rate 7.4.1. Solar cell devices 7.4.2. Photoinduced absorption 7.4.3. Impedance spectroscopy 7.5. Conclusion 8. Side chain variations on DCV2-5T 8.1. Introduction 8.2. Atomic force microscopy 8.3. Energy levels 8.4. Mip solar cells 8.4.1. Flat heterojunctions 8.4.2. Bulk heterojunctions 8.4.3. Discussion of Voc 8.5. Photoinduced absorption 8.5.1. Comparison at room temperature 8.6. Conclusion 9. Conclusion and Outlook 9.1. Conclusion 9.2. Outlook A. Appendix Bibliography / Die Entwicklung neuer Absorber-Materialien sowie die Morphologie der photo- aktiven Schicht sind zentrale Themen hinsichtlich der Optimierung organischer Solarzellen aus kleinen Molekülen. In der vorliegenden Arbeit werden diese beiden Aspekte von Seiten des Donor-Materials (D) her behandelt. Die Material- klasse der Dicyanovinyl-Oligothiophene DCV2-nT(n=3,...,6) (synthetisiert in der Arbeitsgruppe von Prof. Bäuerle an der Universität Ulm) dient dabei als Ausgangspunkt. Insbesondere werden DCV2-nT-Moleküle (n = 3, 5) mit verschiedenen Alkyl-Seitenketten charakterisiert. Die Variation der Seitenketten beeinflusst in erster Linie die Anordnung der Moleküle in Einzel- sowie in Mischschichten mit dem typischerweise verwendeten Akzeptor-Material Fulleren C60 (A). Als Folge der Schichtmorphologie ändern sich physikalische Eigenschaften wie u. a. Absorptions- spektren, Energieniveaus sowie die Eigenschaften angeregter Zustände. Angeregte Zustände, wie Triplett-Exzitonen, Anionen und Kationen werden in dieser Arbeit mittels photoinduzierter Absorptionsspektroskopie (PIA) charakterisiert. Anhand einer Serie von vier Dicyanovinyl-Tertiophenen DCV2-3T (ohne Seiten- ketten, mit zwei Methyl-, zwei Butyl-, und vier Butyl-Seitenketten) werden systematisch Einflüsse der Seitenketten auf die Aggregation der Moleküle in Einzel- und Mischschichten untersucht. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Effekt der Seitenketten auf den Energie-Transfer-Mechanismus zwischen D und A. In Lösungsmittelspektren und Cyclovoltammetrie-Messungen ist fast keine Änderung durch die Seitenketten erkennbar. Im Dünnfilm hingegen besteht ein starker Einfluss auf die molekulare Anordnung, erkennbar in einer starken Variation der Absorptionsspektren, Ionisationspotentiale und Oberflächen-Topographie. PIA- Messungen zeigen weiterhin, dass im Allgemeinen die Effizienz des Energie-Transfer- Mechanismus mit zunehmender Länge der Alkyl-Ketten abnimmt. Der effizienteste Transfer besteht jedoch für die Verbindung mit Methyl-Seitenketten. In Mischschichten aus Dicyanovinyl-Quinquethiophenen (DCV2-5T) und C60 werden hier zwei Methoden zur Beeinflussung der Schichtmorphologie verfolgt. Zum einen wird die aktive Schicht auf einem geheizten Substrat abgeschieden, zum anderen werden DCV2-5T-Moleküle mit Methyl- und Butyl-Seitenketten als Donor verwendet. Das Abscheiden der aktiven Schicht auf einem geheizten Substrat (80 °C) führt zu einer verbesserten Solarzellenleistung, was auf die Bildung einer hin- reichenden Phasenseparation von D- und A-Phasen in der aktiven Schicht zurückzuführen ist. Die Phasenseparation bewirkt eine Reduktion von Rekombinationsverlusten und die Bildung geschlossener Perkolationspfade. Die morphologische Änderung korreliert mit einem Anstieg der Ladungsträger-Lebensdauer um fast eine Größenordnung von etwa 10 μs auf ≈ 80 μs. Der Anstieg kann sowohl optisch durch PIA, als auch elektrisch mittels Impedanz-Spektroskopie detektiert werden. Eine höhere Lebensdauer der Ladungsträger kann letztlich auf eine größere räumlichen Separation der positiven und negativen Ladungsträger zurückgeführt werden, induziert durch die Phasenseparation. Ein Vergleich von DCV2-5T-Molekülen mit Methyl- und Butyl-Seitenketten führt zu ähnlichen Resultaten: Solarzellen mit DCV2-5T substituiert mit Methyl- Seitenketten sind effizienter als die der butyl-substituierten Moleküle. Dies korreliert wiederum mit einer signifikant erhöhten Lebensdauer der Ladungsträger in Mischschichten der methyl-substituierten Verbindung.:Contents Publications 1. Introduction 2. Organic semiconductors 2.1. Introduction 2.2. Optical excitations in organic semiconductors 2.2.1. Energy levels: single molecules to molecular solids 2.2.2. Absorption and emission spectra 2.3. Transport in organic semiconductors 2.3.1. Exciton motion 2.3.2. Charge transport 2.3.3. Amorphous organic semiconductors 3. Organic photovoltaics 3.1. Introduction 3.2. Solarenergyconversion 3.2.1. Quasi Fermi levels 3.2.2. p-n junction 3.3. Organic solar cells 3.3.1. Charge generation mechanisms 4. Experimental methods 4.1. Sample preparation 4.2. Photoinduced absorption spectroscopy 4.2.1. PIA setup 4.2.2. Recombination dynamics 4.3. Solar cell characterization 4.3.1. External quantum efficiency 4.3.2. J-V characteristics 4.4. Absorption and emission spectroscopy 4.5. Determination of energy levels 4.5.1. Ultraviolet photo electron emission spectroscopy 4.5.2. Cyclic voltammetry 4.6. Atomic force microscopy 4.7. Density functional theory calculations 4.8. Impedance spectroscopy 5. Dicyanovinyl-oligothiophenes 5.1. Introduction 5.2. The DCV2-nT:C60 interface 5.3. Processability 6. Side chain variations on DCV2-3T 6.1. Introduction 6.2. Density functional theory calculations 6.2.1. Excited state transitions 6.3. Absorption and Emission in solution and thin film 6.3.1. Blend layer absorption spectra 6.3.2. Photoluminescence spectra of neat and blend films 6.4. Energy levels of the DCV2-3T series 6.5. Atomic force microscopy 6.6. Photoinduced absorption spectroscopy 6.6.1. PIA signatures of charged states 6.6.2. Recombination dynamics 6.6.3. Efficiency of the ping pong effect 6.7. Conclusion 7. Influencing the morphology of DCV2-5T:C60 blend layers 7.1. Introduction 7.2. Properties of the DCV2-5T:C60 interface 7.2.1. Analysis of the DCV2-5T triplet transition 7.2.2. Analysis of the DCV2-5T cation transitions 7.2.3. Suggested energy level scheme for neat and blend layer 7.3. Temperature evolution of excited state properties 7.4. Effect of substrate heating on excited state lifetime and generation rate 7.4.1. Solar cell devices 7.4.2. Photoinduced absorption 7.4.3. Impedance spectroscopy 7.5. Conclusion 8. Side chain variations on DCV2-5T 8.1. Introduction 8.2. Atomic force microscopy 8.3. Energy levels 8.4. Mip solar cells 8.4.1. Flat heterojunctions 8.4.2. Bulk heterojunctions 8.4.3. Discussion of Voc 8.5. Photoinduced absorption 8.5.1. Comparison at room temperature 8.6. Conclusion 9. Conclusion and Outlook 9.1. Conclusion 9.2. Outlook A. Appendix Bibliography

This thesis deals with the device physics of organic solar cells. Organic photovoltaics (OPV) is a field of applied research which has been growing rapidly in the last decade leading to a current record value of power-conversion efficiency of 10 percent. One major reason for this boom is a potentially low-cost production of solar modules on flexible (polymer) substrate. Furthermore, new application are expected by flexible or semitransparent organic solar cells. That is why several OPV startup companies were launched in the last decade. Organic solar cells consist of hydrocarbon compounds, deposited as ultrathin layers (some tens of nm) on a substrate. Absorption of light leads to molecular excited states (excitons) which are strongly bound due to the weak interactions and low dielectric constant in a molecular solid. The excitons have to be split into positive and negative charges, which are subsequently collected at different electrodes. An effective dissociation of excitons is provided by a heterojunction of two molecules with different frontier orbital energies, such that the electron is transfered to the (electron) acceptor and the positive charge (hole) remains on the donor molecule. This junction can be realized by two distinct layers forming a planar heterojunction or by an intermixed film of donor and acceptor, resulting in a bulk heterojunction. Electrodes are attached to the absorber to collect the charges by providing an ohmic contact in the optimum case. This work focuses on the electrical processes in organic solar cells developing and employing a one-dimensional drift-diffusion model. The electrical model developed here is combined with an optical model and covers the diffusion of excitons, their separation, and the subsequent transport of charges. In contrast to inorganics, charge-carrier mobilities are low in the investigated materials and charge transport is strongly affected by energy barriers at the electrodes. The current-voltage characteristics (J-V curve) of a solar cell reflect the electrical processes in the device. Therefore, the J-V curve is selected as means of comparison between systematic series of simulation and experimental data. This mainly qualitative approach allows for an identification of dominating processes and provides microscopic explanations. One crucial issue, as already mentioned, is the contact between absorber layer and electrode. Energy barriers lead to a reduction of the power-conversion efficiency due to a decrease in the open-circuit voltage or the fill factor by S-shaped J-V curve (S-kink), which are often observed for organic solar cells. It is shown by a systematic study that the introduction of deliberate barriers for charge-carrier extraction and injection can cause such S-kinks. It is explained by simulated electrical-field profiles why also injection barriers lead to a reduction of the probability for charge-carrier extraction. A pile-up of charge carriers at an extraction barrier is confirmed by measurements of transient photocurrents. In flat heterojunction solar cells an additional reason for S-kinks is found in an imbalance of electron and hole mobilities. Due to the variety of reasons for S-kinks, methods and criteria for a distinction are proposed. These include J-V measurements at different temperatures and of samples with varied layer thicknesses. Most of the studies of this this work are based on experimental data of solar cells comprisiing the donor dye zinc phthalocyanine and the acceptor fullerene C60. It is observed that the open-circuit voltage of these devices depends on the mixing ratio of ZnPc:C60. A comparison of experimental and simulation data indicates that the reason is a changed donor-acceptor energy gap caused by a shift of the ionization potential of ZnPc. A spatial gradient in the mixing ratio of a bulk heterojunction is also investigated as a donor(acceptor)-rich mixture at the hole(electron)-collecting contact is supposed to assist charge extraction. This effect is not observed, but a reduction of charge-carrier losses at the “wrong” electrode which is seen at an increase in the open-circuit voltage. The most important intrinsic loss mechanism of a solar cell is bulk recombination which is treated at the example of ZnPc:C60 devices in the last part of this work. An examination of the dependence of the open-circuit voltage on illumination intensity shows that the dominating recombination mechanism shifts from trap-assisted to direct recombination for higher intensities. A variation of the absorption profile within the blend layer shows that the probability of charge-carrier extraction depends on the locus of charge-carrier generation. This results in a fill factor dependent on the absorption profile. The reason is an imbalance in charge-carrier mobilities which can be influenced by the mixing ratio. The work is completed by a simulation study of the influence of charge-carrier mobilities and different recombination processes on the J-V curve and an identification of a photoshunt dominating the experimental linear photocurrent-voltage characteristics in reverse bias.:Abstract - Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v 1 Introduction 1.1 Energy supply and climate change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Development of (organic) photovoltaics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Structure and scope of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 I Basics 2 Photovoltaic Energy Conversion 2.1 Fundamentals of solar thermal energy conversion . . . . . . . . . . .11 2.1.1 The solar spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.2 Black-body irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 2.1.3 Maximum power-conversion efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2 Basics of semiconductor physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1 Band structure, electrons and holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2 Quasi-Fermi levels and electrochemical potentials . . . . . . . . . .22 2.3 Transformation of thermal radiation into chemical energy . . . . . 28 2.4 From chemical energy to electrical energy . . . . . . . . . . . .. . . . . 29 2.5 Possible solar-cell realizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.5.1 The p-n junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.5.2 Heterojunction and dye solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.5.3 The p-i-n concept with wide-gap transport layers . . . . . . . . . 37 2.6 Maximum efficiency – Shockley-Queisser limit . . . . . . . . . . . . . .38 2.7 Novel concepts and classification of solar cells . . . . . . . . . . . . . 41 3 Organic Solar Cells 3.1 Energetics of organic molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1.1 From atoms to molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1.2 From single molecules to a molecular solid . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2 Energy and charge transport in organic semiconductors . . . . . . 52 3.2.1 Exciton transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.2 Charge transport - Gaussian disorder model . . . . . . . . . . . . .53 3.3 Working principle of donor-acceptor heterojunction solar cells . .57 3.3.1 Particle losses, quantum efficiency, and photocurrent . . . . . . .57 3.3.2 Energy losses, potential energy, and photovoltage . . . . . . . . 62 3.3.3 Maximum power-conversion efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.4 Understanding the J-V curve in the MIM picture . . . . . . . . . . .68 3.3.5 Introduction to analytical models describing the photocurrent 70 3.4 Metal-organic interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4.1 Conventional metal-semiconductor interfaces: Barriers and Schottky contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4.2 Metal-organic interfaces: Disorder and ICT . . . . . . . . . . . . . . 79 3.5 Experimental realization of small-molecule solar cells . . . . . . . . 80 3.5.1 Stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 3.5.3 Fabrication details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.6 Basic characterization methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.6.1 Current-voltage characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.6.2 Spectrally resolved measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.6.3 Transient measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4 Modeling 4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2 The drift-diffusion model in general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.2.1 Derivation and conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.2.2 The Einstein Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103 4.2.3 Poisson’s equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.2.4 Differential equation system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 4.3 Implementation of the algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.3.1 Basics of the algorithm and discretization . . . . . . . . . . . . . . 107 4.3.2 Calculation of the electric field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.3.3 Calculation of rates of change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.3.4 Calculation of the time step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.3.5 Detection of steady state and transient currents . . . . . . . . . 111 4.4 Implemented models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.4.1 Charge carrier mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.4.2 Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.4.3 Traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.4.4 Gaussian density of states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.5 Contacts as boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.6 Organic-organic interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.6.1 Charge transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.6.2 Generation and recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.7 The simulation tool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.8 Verification with analytical solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.8.1 Single-carrier devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.8.2 The p-n junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.9 Experimental determination of material properties . . . . . . . . . 136 4.10 Summary and main input parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 II Results and Discussion 5 Simulation Study on Single-Layer Bulk-Heterojunction Solar Cells 5.1 Investigated device structure and definitions . . . . . . . . . . . . . 144 5.2 On the optimum mobility, contact properties, and the open-circuit voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 5.2.2 Investigated mobility and recombination models . . . . . . . . . .147 5.2.3 Recombination only in the BHJ (selective contacts) . . . . . . . . 149 5.2.4 Recombination (also) at electrodes (non-selective contacts) . .155 5.2.5 Injection barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158 5.2.6 Effect of energy-level bending on the open-circuit voltage . . . 161 5.3 Photocurrent and characteristic points in simulated J-V curves . .163 5.3.1 Negligible bulk recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164 5.3.2 Bulk-recombination-limited photocurrent . . . . . . . . . . . . . . . 167 5.4 The effect of disorder on the open-circuit voltage . . . . . . . . . . .169 5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172 6 Influence of Injection and Extraction Barriers on Open-Circuit Voltage and J-V Curve Shape studied at a Variation of Hole Transport Layer and Donor Materials 6.1 Methodological approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174 6.2 Current-voltage data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6.2.1 Fingerprints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6.2.2 Current-voltage characteristics under illumination . . . . . . . . . 181 6.3 Detailed microscopic explanations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181 6.3.1 Injection barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184 6.3.2 Extraction barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 6.3.3 Comparison between flat and bulk heterojunction . . . . . . . . . 188 6.4 Current-voltage curves in a logarithmic plot . . . . . . . . . . . . . . .188 6.5 Detailed analysis of the material combination MeO-TPD and BPAPF as donor and hole transport layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 6.5.1 The interfaces BPAPF/MeO-TPD and MeO-TPD/BPAPF measured by photoelectron spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 6.5.2 Dependence of the J-V curve shape on layer thicknesses . . . . 195 6.5.3 Dependence of the S-kink on temperature . . . . . . . . . . . . . . 198 6.5.4 Transient measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 6.6 Summary and final remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 7 Imbalanced Mobilities causing S-shaped J-V Curves in Planar Heterojunction Solar Cells 7.1 Imbalanced mobilities in simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 7.2 Experimental verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 7.2.1 Current-voltage characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 7.2.2 Transient photocurrents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 7.3 Field-dependent exciton dissociation as an additional source of S-kinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221 7.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 8 Open-Circuit Voltage and J-V Curve Shape of ZnPc:C60 Solar Cells with Varied Mixing Ratio and Hole Transport Layer 8.1 Experimental approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223 8.2 The open-circuit voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225 8.3 The role of the hole transport layer and of doping . . . . . . . . . .228 8.4 Explaining the open-circuit voltage as a function of mixing ratio 230 8.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 9 Effect of Concentration Gradients in ZnPc:C60 Bulk Heterojunction Solar Cells 9.1 Investigated devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 9.2 Current-voltage results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 9.2.1 Fill factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 9.2.2 Short-circuit current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.2.3 Open-circuit voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.3 Voltage dependent external quantum efficiency data . . . . . . . . 245 9.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247 10 Role of the Generation Profile and Recombination in ZnPc:C60 Solar Cells 10.1 Idea and solar-cell design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 10.1.1 Absorption data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 10.1.2 Simulated generation profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 10.2 Correlation of fill factor with generation profile and imbalance in mobilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 10.2.1 Current-voltage data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 10.2.2 Monochromatic J-V curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 10.2.3 Voltage dependent external quantum efficiency . . . . . . . . . 259 10.3 Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 10.3.1 Exponential region of dark J-V curves . . . . . . . . . . . . . . . . 261 10.3.2 J-V data dependent on illumination intensity . . . . . . . . . . . 265 10.3.3 Lifetime of charge carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 10.4 Comparison with simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 10.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 11 Linear Saturation Behavior 11.1 Definition of the photoshunt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 11.2 Quasi-linear photocurrent in simulation . . . . . . . . . . . . . . . . 280 11.3 Experimental approach and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 11.3.1 Identification of the main source of the photoshunt . . . . . . 283 11.3.2 Investigation of the thickness dependence of the saturation 285 11.3.3 Photoshunt in flat heterojunction ZnPc/C60 solar cells . . . . 289 11.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 III Summary and Outlook 12 Main Results 12.1 Interpretation of current-voltage curves . . . . . . . . . . . . . . . . 295 12.2 Stack design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 12.3 Main conclusions on the applicability of the developed drift-diffusion simulation to organic solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 13 Further Analyses and Possible Extensions of the Simulation 13.1 Frequency response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 13.2 Reverse tunneling currents and tandem cells . . . . . . . . . . . . . 307 13.2.1 Reverse current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 13.2.2 J-V curves of tandem cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 13.3 Further points to examine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Appendix A Lists A.1 List of symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 A.2 List of abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 A.3 List of constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 B Simulation data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 C Experimental data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 Acknowledgments - Danksagung 361 / Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Physik organischer Solarzellen. Die organische Photovoltaik ist ein Forschungsgebiet, dem in den letzten zehn Jahren enorme Aufmerksamkeit zu Teil wurde. Der Grund liegt darin, dass diese neuartigen Solarzellen, deren aktueller Rekordwirkungsgrad bei 10 Prozent liegt, ein Potential für eine kostengünstige Produktion auf flexiblem (Polymer)substrat aufweisen und aufgrund ihrer Vielfältigkeit neue Anwendungsbereiche für die Photovoltaik erschließen. Organische Solarzellen bestehen aus ultradünnen (einige 10 nm) Schichten aus Kohlenwasserstoffverbindungen. Damit der photovoltaische Effekt genutzt werden kann, müssen die durch Licht angeregten Molekülzustände zu freien Ladungsträgern führen, wobei positive und negative Ladung an unterschiedlichen Kontakten extrahiert werden. Für eine effektive Trennung dieser stark gebundenden lokalisierten angeregten Zustände (Exzitonen) ist eine Grenzfläche zwischen Molekülen mit unterschiedlichen Energieniveaus der Grenzorbitale erforderlich, sodass ein Elektron auf einem Akzeptor- und eine positive Ladung auf einem Donatormolekül entstehen. Diese Grenzschicht kann als planarer Heteroübergang durch zwei getrennte Schichten oder als Volumen-Heteroübergang in einer Mischschicht realisiert werden. Die Absorberschichten werden durch Elektroden kontaktiert, wobei es für effiziente Solarzellen erforderlich ist, dass diese einen ohmschen Kontakt ausbilden, da ansonsten Verluste zu erwarten sind. Diese Arbeit behandelt im Besonderen die elektrischen Prozesse einer organischen Solarzelle. Dafür wird ein eindimensionales Drift-Diffusionsmodell entwickelt, das den Transport von Exzitonen, deren Trennung an einer Grenzfläche und die Ladungsträgerdynamik beschreibt. Abgesehen von den Exzitonen gilt als weitere Besonderheit einer organischen Solarzelle, dass sie aus amorphen, intrinsischen und sehr schlecht leitfähigen Absorberschichten besteht. Elektrische Effekte sind an der Strom-Spannungskennlinie (I-U ) sichtbar, die in dieser Arbeit als Hauptvergleichspunkt zwischen experimentellen Solarzellendaten und den Simulationsergebnissen dient. Durch einen weitgehend qualitativen Vergleich können dominierende Prozesse bestimmt und mikroskopische Erklärungen gefunden werden. Ein wichtiger Punkt ist der schon erwähnte Kontakt zwischen Absorberschicht und Elektrode. Dort auftretende Energiebarrieren führen zu einem Einbruch im Solarzellenwirkungsgrad, der sich durch eine Verringerung der Leerlaufspanung und/oder S-förmigen Kennlinien (S-Knick) bemerkbar macht. Anhand einer systematischen Studie der Grenzfläche Lochleiter/Donator wird gezeigt, dass Energiebarrieren sowohl für die Ladungsträgerextraktion als auch für die -injektion zu S-Knicken führen können. Insbesondere die Tatsache, dass Injektionsbarrieren sich auch negativ auf den Photostrom auswirken, wird anhand von simulierten Ladungsträger- und elektrischen Feldprofilen erklärt. Das Aufstauen von Ladungsträgern an Extraktionsbarrieren wird durch Messungen transienter Photoströme bestätigt. Da S-Knicke in organischen Solarzellen im Allgemeinen häufig beobachtet werden, werden weitere Methoden vorgeschlagen, die die Identifikation der Ursachen ermöglichen. Dazu zählen I-U Messungen in Abhängigkeit von Temperatur und Schichtdicken. Als eine weitere Ursache von S-Knicken werden unausgeglichene Ladungsträgerbeweglichkeiten in einer Solarzelle mit flachem Übergang identifiziert und von den Barrierefällen unterschieden. Weiterer Forschungsgegenstand dieser Arbeit sind Mischschichtsolarzellen aus dem Donator-Farbstoff Zink-Phthalozyanin ZnPc und dem Akzeptor Fulleren C60. Dort wird beobachtet, dass die Leerlaufspannung vom Mischverhältnis abhängt. Ein Vergleich von Experiment und Simulation zeigt, dass sich das Ionisationspotenzial von ZnPc und dadurch die effektive Energielücke des Mischsystems ändern. Zusätzlich zu homogenen Mischschichten werden Solarzellen untersucht, die einen Gradienten im Mischungsverhältnis aufweisen. Die Vermutung liegt nahe, dass ein hoher Donatorgehalt am Löcherkontakt und ein hoher Akzeptorgehalt nahe des Elektronenkontakts die Ladungsträgerextraktion begünstigen. Dieser Effekt ist in dem hier untersuchten System allerdings vergleichsweise irrelevant gegenüber der Tatsache, dass der Gradient das Abfließen bzw. die Rekombination von Ladungsträgern am “falschen” Kontakt reduziert und somit die Leerlaufspannung erhöht. Der wichtigste intrinsische Verlustmechanismus einer Solarzelle ist die Rekombination von Ladungsträgern. Diese wird im letzten Teil der Arbeit anhand der ZnPc:C60 Solarzelle behandelt. Messungen der Leerlaufspannung in Abhängigkeit von der Beleuchtungsintensität zeigen, dass sich der dominierende Rekombinationsprozess mit zunehmender Intensität von Störstellenrekombination zu direkter Rekombination von freien Ladungsträgern verschiebt. Eine gezielte Variation des Absorptionsprofils in der Absorberschicht zeigt, dass die Ladungsträgerextraktionswahrscheinlickeit vom Ort der Ladungsträgergeneration abhängt. Dieser Effekt wird hervorgerufen durch unausgeglichene Elektronen- und Löcherbeweglichkeiten und äußert sich im Füllfaktor. Weitere Simulationsergebnisse bezüglich des Einflusses von Ladungsträgerbeweglichkeiten und verschiedener Rekombinationsmechanismen auf die I-U Kennlinie und die experimentelle Identifikation eines Photoshunts, der den Photostrom in Rückwärtsrichtung unter Beleuchtung dominiert, runden die Arbeit ab.:Abstract - Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v 1 Introduction 1.1 Energy supply and climate change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Development of (organic) photovoltaics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Structure and scope of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 I Basics 2 Photovoltaic Energy Conversion 2.1 Fundamentals of solar thermal energy conversion . . . . . . . . . . .11 2.1.1 The solar spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.2 Black-body irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 2.1.3 Maximum power-conversion efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2 Basics of semiconductor physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1 Band structure, electrons and holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2 Quasi-Fermi levels and electrochemical potentials . . . . . . . . . .22 2.3 Transformation of thermal radiation into chemical energy . . . . . 28 2.4 From chemical energy to electrical energy . . . . . . . . . . . .. . . . . 29 2.5 Possible solar-cell realizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.5.1 The p-n junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.5.2 Heterojunction and dye solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.5.3 The p-i-n concept with wide-gap transport layers . . . . . . . . . 37 2.6 Maximum efficiency – Shockley-Queisser limit . . . . . . . . . . . . . .38 2.7 Novel concepts and classification of solar cells . . . . . . . . . . . . . 41 3 Organic Solar Cells 3.1 Energetics of organic molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1.1 From atoms to molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1.2 From single molecules to a molecular solid . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2 Energy and charge transport in organic semiconductors . . . . . . 52 3.2.1 Exciton transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.2 Charge transport - Gaussian disorder model . . . . . . . . . . . . .53 3.3 Working principle of donor-acceptor heterojunction solar cells . .57 3.3.1 Particle losses, quantum efficiency, and photocurrent . . . . . . .57 3.3.2 Energy losses, potential energy, and photovoltage . . . . . . . . 62 3.3.3 Maximum power-conversion efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.4 Understanding the J-V curve in the MIM picture . . . . . . . . . . .68 3.3.5 Introduction to analytical models describing the photocurrent 70 3.4 Metal-organic interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4.1 Conventional metal-semiconductor interfaces: Barriers and Schottky contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4.2 Metal-organic interfaces: Disorder and ICT . . . . . . . . . . . . . . 79 3.5 Experimental realization of small-molecule solar cells . . . . . . . . 80 3.5.1 Stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 3.5.3 Fabrication details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.6 Basic characterization methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.6.1 Current-voltage characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.6.2 Spectrally resolved measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.6.3 Transient measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4 Modeling 4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2 The drift-diffusion model in general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.2.1 Derivation and conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.2.2 The Einstein Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103 4.2.3 Poisson’s equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.2.4 Differential equation system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 4.3 Implementation of the algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.3.1 Basics of the algorithm and discretization . . . . . . . . . . . . . . 107 4.3.2 Calculation of the electric field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.3.3 Calculation of rates of change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.3.4 Calculation of the time step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.3.5 Detection of steady state and transient currents . . . . . . . . . 111 4.4 Implemented models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.4.1 Charge carrier mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.4.2 Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.4.3 Traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.4.4 Gaussian density of states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.5 Contacts as boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.6 Organic-organic interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.6.1 Charge transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.6.2 Generation and recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.7 The simulation tool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.8 Verification with analytical solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.8.1 Single-carrier devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.8.2 The p-n junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.9 Experimental determination of material properties . . . . . . . . . 136 4.10 Summary and main input parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 II Results and Discussion 5 Simulation Study on Single-Layer Bulk-Heterojunction Solar Cells 5.1 Investigated device structure and definitions . . . . . . . . . . . . . 144 5.2 On the optimum mobility, contact properties, and the open-circuit voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 5.2.2 Investigated mobility and recombination models . . . . . . . . . .147 5.2.3 Recombination only in the BHJ (selective contacts) . . . . . . . . 149 5.2.4 Recombination (also) at electrodes (non-selective contacts) . .155 5.2.5 Injection barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158 5.2.6 Effect of energy-level bending on the open-circuit voltage . . . 161 5.3 Photocurrent and characteristic points in simulated J-V curves . .163 5.3.1 Negligible bulk recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164 5.3.2 Bulk-recombination-limited photocurrent . . . . . . . . . . . . . . . 167 5.4 The effect of disorder on the open-circuit voltage . . . . . . . . . . .169 5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172 6 Influence of Injection and Extraction Barriers on Open-Circuit Voltage and J-V Curve Shape studied at a Variation of Hole Transport Layer and Donor Materials 6.1 Methodological approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174 6.2 Current-voltage data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6.2.1 Fingerprints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6.2.2 Current-voltage characteristics under illumination . . . . . . . . . 181 6.3 Detailed microscopic explanations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181 6.3.1 Injection barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184 6.3.2 Extraction barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 6.3.3 Comparison between flat and bulk heterojunction . . . . . . . . . 188 6.4 Current-voltage curves in a logarithmic plot . . . . . . . . . . . . . . .188 6.5 Detailed analysis of the material combination MeO-TPD and BPAPF as donor and hole transport layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 6.5.1 The interfaces BPAPF/MeO-TPD and MeO-TPD/BPAPF measured by photoelectron spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 6.5.2 Dependence of the J-V curve shape on layer thicknesses . . . . 195 6.5.3 Dependence of the S-kink on temperature . . . . . . . . . . . . . . 198 6.5.4 Transient measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 6.6 Summary and final remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 7 Imbalanced Mobilities causing S-shaped J-V Curves in Planar Heterojunction Solar Cells 7.1 Imbalanced mobilities in simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 7.2 Experimental verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 7.2.1 Current-voltage characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 7.2.2 Transient photocurrents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 7.3 Field-dependent exciton dissociation as an additional source of S-kinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221 7.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 8 Open-Circuit Voltage and J-V Curve Shape of ZnPc:C60 Solar Cells with Varied Mixing Ratio and Hole Transport Layer 8.1 Experimental approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223 8.2 The open-circuit voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225 8.3 The role of the hole transport layer and of doping . . . . . . . . . .228 8.4 Explaining the open-circuit voltage as a function of mixing ratio 230 8.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 9 Effect of Concentration Gradients in ZnPc:C60 Bulk Heterojunction Solar Cells 9.1 Investigated devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 9.2 Current-voltage results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 9.2.1 Fill factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 9.2.2 Short-circuit current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.2.3 Open-circuit voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.3 Voltage dependent external quantum efficiency data . . . . . . . . 245 9.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247 10 Role of the Generation Profile and Recombination in ZnPc:C60 Solar Cells 10.1 Idea and solar-cell design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 10.1.1 Absorption data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 10.1.2 Simulated generation profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 10.2 Correlation of fill factor with generation profile and imbalance in mobilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 10.2.1 Current-voltage data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 10.2.2 Monochromatic J-V curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 10.2.3 Voltage dependent external quantum efficiency . . . . . . . . . 259 10.3 Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 10.3.1 Exponential region of dark J-V curves . . . . . . . . . . . . . . . . 261 10.3.2 J-V data dependent on illumination intensity . . . . . . . . . . . 265 10.3.3 Lifetime of charge carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 10.4 Comparison with simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 10.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 11 Linear Saturation Behavior 11.1 Definition of the photoshunt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 11.2 Quasi-linear photocurrent in simulation . . . . . . . . . . . . . . . . 280 11.3 Experimental approach and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 11.3.1 Identification of the main source of the photoshunt . . . . . . 283 11.3.2 Investigation of the thickness dependence of the saturation 285 11.3.3 Photoshunt in flat heterojunction ZnPc/C60 solar cells . . . . 289 11.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 III Summary and Outlook 12 Main Results 12.1 Interpretation of current-voltage curves . . . . . . . . . . . . . . . . 295 12.2 Stack design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 12.3 Main conclusions on the applicability of the developed drift-diffusion simulation to organic solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 13 Further Analyses and Possible Extensions of the Simulation 13.1 Frequency response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 13.2 Reverse tunneling currents and tandem cells . . . . . . . . . . . . . 307 13.2.1 Reverse current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 13.2.2 J-V curves of tandem cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 13.3 Further points to examine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Appendix A Lists A.1 List of symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 A.2 List of abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 A.3 List of constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 B Simulation data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 C Experimental data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 Acknowledgments - Danksagung 361

Das wesentliche Ziel dieser Doktorarbeit ist es, die Zusammenhänge zwischen der Struktur von kleinen organischen Molekülen, deren Anordnung in der Dünnschicht und der Effizienz organischer Solarzellen zu beleuchten. Die Kombination der komplementären Methoden spektroskopischer Ellipsometrie (VASE) und Röntgenstreuung, vor allem der unter streifendem Einfall (GIXRD), hat sich als sehr effiient für die Strukturuntersuchungen organischer Dünnschichten erwiesen. Zusammen geben sie einen detailreichen Einblick in die intermolekulare Anordnung, die Kristallinität, die molekulare Orientierung, die optischen Konstanten n und k und die Phasenseparation von organischen Schichten. Zusätzlich wird die Topografie der organischen Dünnschicht mit Rasterkraftmikroskopie untersucht. Der erste Fokus liegt auf der Analyse des Dünnschichtwachstums von Zink-Phthalocyanin (ZnPc) Einzelschichten. Für alle untersuchten Schichtdicken (5, 10, 25, 50 nm) und Substrattemperaturen (Tsub=30°C, 60°C, 90°C) zeigt ZnPc ein kristallines Schichtwachstum mit aufrecht stehenden ZnPc Molekülen. Um effiziente organische Solarzellen herzustellen, werden Donor- und Akzeptormoleküle üblicherweise koverdampft. Bei der Mischung von Donor- und Akzeptormolekülen bildet sich eine gewisse Phasenseparation aus, deren Form wesentlich für die Ladungsträgerextraktion entlang der Perkolationpfade ist. Der Ursprung dieser Phasenseparation wird innerhalb dieser Arbeit experimentell für ZnPc:C60 Absorber-Mischschichten untersucht. Um die Ausprägung der Phasenseparation zu variieren, werden verschiedene Tsub (30°C, 100°C, 140°C) und Mischverhältnisse (6:1, 3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3, 1:6) bei der Koverdampfung von ZnPc und C60 angewendet. GIXRD Messungen zeigen, dass hier der bevorzugte Kristallisationsprozess von C60 Molekülen die treibende Kraft für eine effiziente Phasenseparation ist. Solarzellen, die ZnPc:C60 Mischschichten mit verbesserter Phasenseparation enthalten (Tsub=140°C, 1:1), zeigen eine verbesserte Ladungsträgerextraktion und somit eine höhere Effizienz von 3,0% im Vergleich zu 2,5% für die entsprechende Referenzsolarzelle (Tsub=30°C, 1:1). Im zweiten Teil der Arbeit wird der Einfluss der Molekülorientierung auf die Dünnschichtabsorption beispielhaft an ZnPc und Diindenoperylen (DIP) untersucht. DIP und ZnPc Moleküle, die auf schwach wechselwirkenden Substraten wie Glas, SiO2, amorphen organischen Transportschichten oder C60 aufgedampft sind, zeigen eine eher stehende Orientierung innerhalb der Dünnschicht in Bezug zur Substratoberfläche. Im Gegensatz dazu führt die Abscheidung auf stark wechselwirkenden Substraten, wie z.B. einer Gold- oder Silberschicht oder 0.5 nm bis 2 nm dünnen PTCDA (3,4,9,10-Perylentetracarbonsäuredianhydrid) Templatschichten laut GIXRD und VASE Messungen dazu, dass sich die ZnPc und DIP Moleküle eher flach liegend orientieren. Dies führt zu einer wesentlich besseren Dünnschichtabsorption da das molekulare Übergangsdipolmoment jeweils innerhalb der Ebene des ZnPc und des DIP Moleküls liegt. Ein Einbetten von Gold- oder Silberzwischenschichten in organischen Solarzellen führt leider zu keinen klaren Abhängigkeiten, da die verbesserte Absorption durch die flach liegenden Moleküle von Mikrokavitäts- und plasmonischen Effekten überlagert wird. Ebenso wenig führte das Einfügen einer PTCDA-Zwischenschicht in organischen Solarzellen zum Erfolg, da hier Transportbarrieren den Effekt der verbesserten Absorption überlagern. Das letzte Kapitel konzentriert sich auf den Einfluss der Molekülstruktur auf das Dünnschichtwachstum am Beispiel von DIP und dessen Derivaten Ph4-DIP und P4-Ph4-DIP, Isoviolanthron und Bis-nFl-NTCDI (N,N-Bis(fluorene-2-yl)-naphthalenetetra-carboxylic Diimid) Derivaten. GIXRD Messungen belegen deutlich, dass die sterischen Behinderungen, hervorgerufen durch die Phenylringe (für Ph4-DIP und P4-Ph4-DIP) und Seitenketten (für Bis-nFl-NTCDI), ein amorphes Schichtwachstum induzieren. Im Vergleich sind die Dünnschichten von DIP und Bis-HFl-NTCDI kristallin. Bezüglich der Molekülorientierung und folglich der Absorption von DIP und dessen Derivaten kann ein starker Einfluss des Schichtwachstums beobachtet werden. In Solarzellen verhindert die Präsenz der Phenylringe eine effiziente Phasenseparation der Mischschichten aus (P4-)Ph4-DIP:C60, was zu einer verschlechterten Ladungsträgerextraktion und damit zu einem reduzierten Füllfaktor (FF) von 52% im Vergleich zu dem entsprechender DIP:C60 Solarzellen mit FF=62% führt Die Untersuchungen an der Bis-nFl-NTICDI Serie zeigen ein ähnliches Ergebnis: Auch hier zeichnen sich die amorphen Schichten aus Bis-nFl-NTCDI Molekülen mit Seitenketten durch schlechtere Transporteigenschaften aus als nanokristalline Bis-HFl-NTCDI Schichten. / The aim of this thesis is to demonstrate correlations between the molecular structure of small organic molecules, their arrangement in thin films, and the solar cell performance. For structure analysis of the organic thin films, the combination of variable angle spectroscopic ellipsometry (VASE) and grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD) as complementary methods turned out to be a powerful combination. Using both methods, it is possible to obtain information about the crystallinity, crystallite size, intermolecular arrangement, mean molecular orientation, optical constants n and k, and phase separation within thin films. In addition, the topography of thin films is analyzed by atomic force microscopy. First, the thin film morphology of pristine zinc-phthalocyanine (ZnPc) films deposited at different substrate temperatures (Tsub=30°C, 60°C, 90°C) and for varying film thicknesses (5, 10, 25, 50 nm) is investigated. The ZnPc films grow highly crystalline with an upright standing molecular orientation with respect to the substrate surface for all investigated Tsub and all film thicknesses. In effcient organic solar cells, donor and acceptor molecules are commonly co-deposited to form a blend absorber film. This is usually accompanied by a certain phase separation between donor and acceptor molecules leads to a formation of percolation paths necessary to extract electrons and holes towards the electrodes. For ZnPc:C60 blends the origin of this phase separation process is analyzed by investigating different degrees of phase separation induced by film deposition at different Tsub (30°C, 100°C, 140°C) and for different blend ratios (6:1, ... , 1:6 (vol%)). GIXRD measurements indicate that the preferred crystallization of C60 is the driving force for good phase separation. Solar cells with improved phase separation of ZnPc:C60 blends (Tsub=140°C, 1:1) reveal a better charge carrier extraction and thus enhanced effciencies of 3.0% in comparison to 2.5% for the reference device (Tsub=30°C, 1:1). In the second part, the impact of molecular orientation within the absorber thin films on light harvesting is examined for pristine ZnPc and diindenoperylene (DIP) films. For film deposition on weakly interacting substrates like glass, SiO2, amorphous organic transport films, or C60, the orientation of DIP and ZnPc molecules is found to be upright standing. In contrast, GIXRD and VASE measurements show that films deposited onto strongly interacting substrates like Au and Ag, as well as on thin PTCDA templating layers lead to nearly flat-lying ZnPc and DIP molecules. Since the molecular transition dipole moment is oriented in the plane of the DIP and ZnPc molecules, the light absorption in films with flat-lying molecules is strongly improved. Unfortunately, an implementation of Au or Ag sublayers in organic solar cells does not result in reliable dependencies since the enhanced absorption by an improved molecular orientation is superimposed by different effects like microcavity and plasmonic effects. The implementation of PTCDA interlayers leads to transport barriers making the solar cell data interpretation difficult. In the last part, the influence of molecular structure on thin film growth is studied for DIP and its derivatives Ph4-DIP and P4-Ph4-DIP, isoviolanthrone, and Bis-nFl-NTCDI derivatives. GIXRD measurements reveal that steric hindrance is induced by the addition of side chains (for Bis-nFl-NTCDI) and phenyl rings (for Ph4-DIP and P4-Ph4-DIP) (N,N-Bis(fluorene-2-yl)-naphthalenetetra-carboxylic diimide) leading to an amorphous thin film growth. In contrast, DIP films and Bis-HFl-NTCDI films are found to be crystalline. The mean molecular orientation and hence the absorption is strongly affected by the different growth modes of DIP and its derivatives. In OSC, the presence of the phenyl rings prevents an effcient phase separation for (P4-)Ph4-DIP:C60 blends which causes diminished charge extraction in comparison to the crystalline DIP:C60 blends. For the Bis-nFl-NTCDI series, the transport properties are significantly worse in the amorphous films composed of Bis-nFl-NTCDI derivatives with alkyl chains in comparison to the nanocrystalline films made of the bare Bis-HFl-NTCDI.

Solarzellen aus organisch-anorganischen hybriden Perowskithalbleitern gelten als mögliche Schlüsseltechnologie zur Erzeugung günstiger und umweltfreundlicher elektrischer Energie und somit als Meilenstein für die Energiewende. Um die weltweit stetig wachsende Nachfrage an elektrischer Energie zu decken, bedarf es Solarzellentechnologien, welche gleichzeitig eine hohe Effizienz nahe dem Shockley-Queisser-Limit als auch eine hinreichend gute Stabilität aufweisen. Während die Effizienz von Solarzellen auf Basis von Perowskithalbleitern in dem letzten Jahrzehnt eine bemerkenswerte Entwicklung erfahren hat, lassen sich die wesentlichen physikalischen Mechanismen dieser Technologie noch nicht vollständig erklären. Die elektronisch-ionische Mischleitfähigkeit ist eine dieser Eigenschaften, welche die Effizienz und besonders die Stabilität der Perowskit-Solarzelle beeinflusst. Zentrales Thema dieser Arbeit ist daher die Untersuchung von mobilen ionischen Defekten und deren Einfluss auf Solarzellenparametern. Es wird gezeigt, dass die Migrationsraten ionischer Defekte in Perowskit breiten Verteilungen unterliegen. Durch die Anwendung eines neu entwickelten Regularisationsalgorithmus für inverse Laplace-Transformationen und verschiedener Messmoden für transiente Störstellenspektroskopie kann somit geklärt werden, warum sich berichtete ionische Defektparameter aus der Literatur für gleiche Defekte stark unterscheiden können. Dieses grundlegende Verständnis kann angewendet werden, um den Einfluss von kleinen stöchiometrischen Variationen auf die Defektlandschaft zu untersuchen und das Zusammenspiel zwischen elektronischen und ionischen Eigenschaften besser zu verstehen. Der Einsatz der Meyer-Neldel Regel ermöglicht ferner eine Kategorisierung ionischer Defekte in Perowskithalbleitern. Im letzten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, dass elektrische und optische Methoden wie intensitätsmodulierte Spektroskopie geeignet sind, um Informationen über mobile Ionen in hybriden Perowskiten zu erhalten. Zusätzlich wird das elektronische Rekombinationsverhalten näher untersucht. / Solar cells made of organic–inorganic hybrid perovskite semiconductors are considered as a possible key technology for the conversion of cheap and environmentally friendly electrical energy and thus as a milestone for the turnaround in energy policy. In order to meet the steadily growing global demand for electrical energy, solar cell tech- nologies are required that are both highly efficient, i.e. close to the Shockley–Queisser limit, and sufficiently stable. While the efficiency of solar cells based on perovskite semi- conductors has undergone a remarkable development in the last decade, the essential physical mechanisms of this technology cannot yet be fully explained. The electronic- ionic mixed conductivity is one of these properties, which influences the efficiency and especially the stability of the perovskite solar cell. The central topic of this thesis is therefore the investigation of mobile ionic defects and their influence on solar cell parameters. It is shown that the migration rates of ionic defects in perovskites are attributed to wide distributions. By application of a newly developed regularisation algorithm for inverse Laplace transform and different measurement modes for deep-level transient spectroscopy, it can thus be clarified why reported ionic defect parameters from the literature for the same defects can differ significantly. This basic understanding can be used to study the influence of small stoichiometric variations on the defect landscape and to better understand the interaction between electronic and ionic properties. Us- ing the Meyer–Neldel rule also allows the characterisation of ionic defects in perovskite semiconductors. The last part of this thesis shows that electrical and optical methods such as intensity-modulated spectroscopy are suitable for obtaining information about mobile ions in hybrid perovskites. In addition, the electronic recombination behaviour is examined more closely.

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt in der Charakterisierung der elektronischen Eigenschaften von hybriden organisch-anorganischen Perowskit (HOIP)-Schichten während der Schichtbildung und in verschiedenen Umgebungen mittels Photoelektronenspektroskopie (PES). Insbesondere wird der Methylammonium-Blei-Iodid-Chlorid-Perowskit (MAPbI3-xClx) untersucht. Als erstes werden Änderungen in den elektronischen Eigenschaften, der Zusammensetzung, sowie der Kristallstruktur mittels PES, Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie, sowie Röntgendiffraktometrie mit streifendem Einfall analysiert. Die Resultate weisen auf die entscheidende Rolle von Chlor im texturierten Wachstum der Perowskitschicht hin. Die auskristallisierte Perowskitschicht weist eine stärkere n-Typ Eigenschaft auf, welche auf die Änderung der Zusammensetzung während der Schichtbildung zurückgeführt werden kann. Außerdem beweisen die Ergebnisse eindeutig die Ablagerung von Chlor an der Grenzfläche zwischen der Perowskitschicht und dem Substrat. Zweitens werden die separaten Einflüsse von Wasser, Sauerstoff, und Umgebungsluft auf die elektronischen Eigenschaften von MAPbI3-xClx-Schichtoberflächen untersucht. Bereits geringste Wassermengen ähnlich wie im Hochvakuum oder in inerter Umgebung können eine reversible Reduzierung der Austrittsarbeit hervorrufen. Höherer Wasserdampf-Partialdruck führt zu einer Verschiebung des Valenzbandmaximums (VBM) weit vom Fermi-Niveau, sowie zu einer Reduzierung der Austrittsarbeit. Im Gegensatz dazu führt eine Sauerstoffexposition zu einer Verschiebung des VBM in Richtung des Fermi-Niveaus und zu einer Steigerung der Austrittsarbeit. Analog kommt es zu einer Verschiebung von bis zu 0.6 eV bei einer Exposition gegenüber Umgebungsluft, was den vorwiegenden Einfluss von Sauerstoff demonstriert. Die vorliegenden Untersuchungen betonen den kritischen Einfluss der Schichtbildung, der Zusammensetzung, sowie der Umgebungsbedingungen auf die elektronischen Eigenschaften von HOIP. / The present thesis aims at characterizing the electronic properties of solution-processed hybrid organic-inorganic perovskites (HOIPs) in general, and the HOIP methyl ammonium (MA) lead iodide-chloride (MAPbI3-xClx) films, in particular, at different stages, namely from its formation to its degradation, by means of photoelectron spectroscopy (PES). Firstly, the formation of MAPbI3-xClx films upon thermal annealing is monitored by a combination of PES, time-of-flight secondary ion mass spectrometry, and grazing incidence X-ray diffraction for disclosing changes in electronic properties, film composition, and crystal structure, respectively. Overall, the results point to the essential mediating role of chlorine in the formation of a highly textured perovskite film. The film formation is accompanied by a change of composition which leads to the film becoming more n-type. The accumulation of chlorine at the interface between perovskite and the underlying substrate is also unambiguously revealed. Secondly, the separate effects of water and oxygen on the electronic properties of MAPbI3-xClx film surfaces are investigated by PES. Already low water exposure – as encountered in high vacuum or inert conditions – appears to reversibly impact the work function of the film surfaces. Water vapor in the mbar range induces a shift of the valence band maximum (VBM) away from the Fermi level accompanied by a decrease of the work function. In contrast, oxygen leads to a VBM shift towards the Fermi level and a concomitant increase of the work function. The effect of oxygen is found to predominate in ambient air with an associated shift of the energy levels by up to 0.6 eV. Overall, the findings contribute to an improved understanding of the structure-property relationships of HOIPs and emphasize the impact of least variation in the environmental conditions on the reproducibility of the electronic properties of perovskite materials.

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

The rapidly increasing power conversion efficiencies (PCEs) of organic solar cells (OSCs) above 10% were made possible by concerted international research activities in the last few years, aiming to understand the processes that lead to the generation of free charge carriers following photon absorption. Despite these efforts, many details are still unknown, especially how these processes can be improved already at the drawing board of molecular design. To unveil this information, dicyanovinyl end-capped oligothiophene derivatives (DCVnTs) are used as a model system in this thesis, allowing to investigate the impact of small structural changes on the molecular properties and the final solar cells. On thin films of a methylated DCV4T derivative, the influence of the measurement temperature on the charge carrier generation process is investigated. The observed temperature activation in photoinduced absorption (PIA) measurements is attributed to an increased charge carrier mobility, increasing the distance between the charges at the donor/acceptor (D/A) interface and, thus, facilitating their final dissociation. The correlation between the activation energy and the mobility is confirmed using a DCV6T derivative with lower mobility , exhibiting a higher activation energy for charge carrier generation. Another parameter to influence the charge carrier generation process is the molecular structure. Here, alkyl side chains with varying length are introduced and their influence on the intramolecular energy levels as well as the absorption and emission properties in pristine and blend films with the acceptor C60 are examined. The observed differences in intermolecular order (higher order for shorter side chains) and phase separation in blend layers (larger phase separation for shorter side chains) are confirmed in PIA measurements upon comparing the temperature dependence of the triplet exciton lifetimes. A proposed correlation between the side chain length and the coupling between D and A, which is crucial for efficient charge transfer, is not confirmed. The presented flat heterojunction solar cells underline this conclusion, giving similar photocurrent densities for all compounds. Differences in PCE are related to shifts of the energy levels and the morphology of the blend layer in bulk heterojunction devices. Furthermore, the impact of the electric field on the charge carrier generation yield is investigated in a proof-of-principle study, introducing PIA measurements in transmission geometry realized using semitransparent solar cells. The recombination analysis of the photogenerated charge carriers reveals two recombination components. Trapped charge carriers or bound charge pairs at the D/A interface are proposed as an explanation for this result. The miscibility of D and A, which can be influenced by heating the substrate during layer deposition, is of crucial importance to obtain high PCEs. In this work, the unusual negative influence of the substrate temperature on DCV4T:C60 blend layers in solar cells is investigated. By using optical measurements and structure determination tools, a rearrangement of the DCV4T crystallites is found to be responsible for the reduced absorption and, therefore, photocurrent at higher substrate temperature. The proposed blend morphology at a substrate temperature of 90° C is characterized by a nearly complete demixing of the D and A phases. This investigation is of particular relevance, because it shows the microscopic origins of a behavior that is contrary to the increase of the PCE upon substrate heating usually reported in literature. Finally, the optimization steps to achieve a record PCE of 7.7% using a DCV5T derivative as donor material are presented, including the optimization of the substrate temperature, the active layer thickness, and the transport layers.:Abstract - Kurzfassung Publications Contents 1 Introduction 2 Elementary Processes in Organic Semiconductors 2.1 Introduction 2.2 Optical Excitations in Organic Materials 2.2.1 Introduction 2.2.2 Radiative Processes: Absorption and Emission 2.2.3 Non-radiative Relaxation Processes 2.2.4 Triplet Excitons and Intersystem Crossing 2.3 Polarization Effects and Disorder 2.4 Transport Processes in Disordered Organic Materials 2.4.1 Charge Transport 2.4.1.1 The Bässler Model 2.4.1.2 Marcus Theory for Electron Transfer 2.4.1.3 Small Polaron Model 2.4.1.4 Functional Dependencies of the Charge Carrier Mobility 2.4.2 Diffusive Motion 2.4.3 Exciton Transfer Mechanisms 2.4.4 Characteristics of Exciton Diffusion 2.5 Charge Photogeneration in Pristine Materials 3 Organic Photovoltaics 3.1 General Introduction to Solar Cell Physics 3.2 Introduction to the Donor/Acceptor Heterojunction Concept 3.3 The Open-Circuit Voltage in Organic Solar Cells 3.4 Doping of Organic Semiconductors 3.5 Introduction to the p-i-n Concept 3.6 Charge Transfer Excitons in Donor/Acceptor Heterojunction Systems 3.6.1 Introduction 3.6.2 Verification of Charge Transfer Excitons in Donor/Acceptor Systems 3.7 The Process Cascade for Free Charge Carrier Generation in Donor/Acceptor Heterojunction Systems 3.7.1 The Initial Charge Transfer Step 3.7.2 The Binding Energy of the Charge Transfer Exciton 3.7.3 \"Hot\" Charge Transfer Exciton Dissociation 3.7.4 \"Cold\" Charge Transfer Exciton Dissociation 3.7.5 Supposed Influence Factors on Charge Transfer Exciton Dissociation 3.7.6 Recombination Pathways for Charge Transfer Excitons 3.7.7 Free Charge Carrier Formation and Recombination 4 Experimental Methods 4.1 Sample Preparation 4.2 Material Characterization Methods 4.2.1 Optical Characterization 4.2.2 Cyclic Voltammetry 4.2.3 Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy 4.2.4 Atomic Force Microscopy 4.2.5 Grazing Incidence X-Ray Diffraction 4.2.6 Organic Field-Effect Transistor 4.3 Photoinduced Absorption Spectroscopy 4.3.1 Introduction 4.3.2 Derivation of the PIA Signal 4.3.3 Recombination Dynamics 4.3.4 Intensity Dependence of the PIA Signal 4.4 Solar Cell Characterization 4.4.1 External Quantum Efficiency 4.4.2 Spectral Mismatch Correction 4.4.3 Current-Voltage Characteristics 4.4.4 Optical Device Simulations 4.4.5 Optical Device Transmission Measurements 5 The Oligothiophene Material System 5.1 Introduction 5.2 Thermal Stability 5.3 Energy Levels 5.4 Optical Properties of the Pristine Materials 5.5 The Donor/Acceptor Couple: DCVnT and C60 5.6 Solar Cell Devices 5.7 Summary 6 Temperature Dependence of Charge Carrier Generation 6.1 Introduction 6.2 Principal Introduction to the PIA Measurements 6.2.1 Interpretation of the Spectra 6.2.2 Interpretation of the Frequency Scans 6.3 Temperature Dependence of the Spectra 6.4 Discussion of the Temperature Dependent Processes in the Blend Layer 6.5 Temperature Activated Free Charge Carrier Generation 6.5.1 Evaluation of the Activation Energy for the DCV4T-Me:C60 Blend 6.5.2 Comparison to a Sexithiophene Derivative (DCV6T-Me) 6.6 Summary 7 Side Chain Investigation on Quaterthiophene Derivatives 7.1 Energy Levels 7.2 Optical Properties 7.2.1 Solution and Pristine Films 7.2.2 Mixed Films with C60 7.3 Influence of the Side Chain Length on the Intermolecular Coupling 7.3.1 PIA Spectra of Pristine and Blend Layers at 10K 7.3.2 Recombination Analysis for Pristine and Blend Films at 10K 7.4 The Influence of the Side Chain Length on the Offset Charge Carrier Generation Rate at Low Temperature 7.5 In the High-Temperature Limit: Implications for Solar Cell Devices 7.5.1 PIA Spectra in Pristine and Blend Films at 200K 7.5.2 Recombination Analysis: Triplet Excitons and Free Charge Carriers 7.6 Solar Cells 7.6.1 Flat Heterojunction Devices 7.6.2 Bulk Heterojunction Devices 7.7 Summary 8 Electric-Field Dependent PIA Measurements on Complete Solar Cell Devices 8.1 Introduction 8.2 Semitransparent Organic Solar Cells 8.3 Photoinduced Absorption Measurements 8.4 Summary and Outlook 9 The Effect of Substrate Heating During Layer Deposition on the Performance of DCV4T:C60 BHJ Solar Cells 9.1 Introduction 9.2 The Importance of Morphology Control for BHJ Solar Cells 9.3 The Impact of Substrate Heating on DCV4T:C60 BHJ Solar Cells 9.4 Absorption and Photoluminescence 9.5 Topographical Investigations (AFM) 9.6 X-ray Investigations 9.6.1 1D GIXRD Measurements 9.6.2 2D GIXRD Measurements 9.7 Proposed Morphological Picture and Confirmation Measurements 9.7.1 Morphology Sketch of the DCV4T:C60 Blend Layer 9.7.2 Confirmation Measurements 9.8 The Equivalence of Temperature and Time 9.9 Summary 10 Record Solar Cells Using DCV5T-Me33 as Donor Material 10.1 Introduction 10.2 The Influence of the Substrate Temperature 10.3 Determination of the Optical Constants 10.4 Stack Optimization 10.5 Summary and Outlook 11 Conclusions and Outlook 11.1 Summary of the Photophysical Investigations 11.2 Summary of Device Investigations 11.3 Future Challenges Appendix A Detailed Description of the Experimental Setup for PIA Spectroscopy Appendix B Determination of the Triplet Level by Differential PL Measurements Appendix C Additional Tables and Figures Appendix D Reproducibility of the Solar Cell Results (Statistics) Appendix E Lists Bibliography Acknowledgments / Der rasante Anstieg des Wirkungsgrads von organischen Solarzellen über die Marke von 10% war nur durch länderübergreifende Forschungsaktivitäten während der letzten Jahre möglich. Trotz der gemeinsamen Anstrengungen, die Prozesse, die zwischen der Absorption der Photonen und der Ladungsträgererzeugung liegen, genauer zu verstehen, sind einige Fragen jedoch immer noch ungelöst, z.B. wie diese Prozesse schon auf dem Reißbrett durch die gezielte Änderung bestimmter Molekülstrukturen optimiert werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, werden in dieser Arbeit Dicyanovinyl-substituierte Oligothiophene (DCVnTs) verwendet. Diese Materialien bieten die Möglichkeit, kleine strukturelle Änderungen vorzunehmen, deren Einfluss auf die molekularen und auf die Solarzelleneigenschaften untersucht werden soll. Der Einfluss der Messtemperatur auf den Prozess der Ladungsträgertrennung wird hier an einer methylierten DCV4T-Verbindung in einer dünnen Schicht untersucht. Die bei photoinduzierter Absorptionsspektroskopie (PIA) beobachtete Aktivierung dieses Prozesses mit zunehmender Temperatur wird auf eine erhöhte Ladungsträgerbeweglichkeit zurückgeführt. Der dadurch erhöhte effektive Abstand der Ladungen an der Grenzfläche zwischen Donator (D) und Akzeptor (A) erleichtert die endgültige Trennung der Ladungsträger. Durch den Vergleich mit einer DCV6T-Verbindung wird der Zusammenhang zwischen der Aktivierungsenergie und der Beweglichkeit bekräftigt. Die kleinere Beweglichkeit äußert sich dabei in einer größeren Aktivierungsenergie. Darüber hinaus kann der Ladungsträgergenerationsprozess auch von der Molekülstruktur abhängen. In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich die Länge von Alkylseitenketten auf die Energieniveaus der Moleküle, aber auch auf die Absorptions- und Lumineszenzeigenschaften der Materialien in reinen und in Mischschichten mit dem Akzeptor C60 äußert. Die ermittelten Unterschiede bezüglich der Molekülordnung (geordneter für kürzere Seitenketten) und der Phasengrößen in Mischschichten (größere Phasen bei kürzerer Kettenlänge) werden in der Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Lebensdauer von Triplettexzitonen mittels PIA-Messungen bestätigt. Für Solarzellen ist von Bedeutung, ob sich die Seitenkettenlänge auf die Wechselwirkung zwischen D und A auswirkt. Der vermutete Zusammenhang wird hier nicht bestätigt. Ein ähnlicher Photostrom für alle untersuchten Verbindungen in Solarzellen mit planaren Heteroübergängen unterstreicht diese Schlussfolgerung. Unterschiede im Wirkungsgrad werden auf Änderungen der Energieniveaus und die Morphologie in Mischschichtsolarzellen zurückgeführt. Des Weiteren wird in einer Machbarkeitsstudie der Einfluss des elektrischen Felds auf die Generationsausbeute freier Ladungsträger untersucht. Dafür werden halbtransparente Solarzellen verwendet, die es ermöglichen, PIA-Messungen in Transmissionsgeometrie durchzuführen. Als mögliche Erklärung für das Auftreten zweier Rekombinationskomponenten in der Analyse des Rekombinationsverhaltens der durch Licht erzeugten Ladungsträger werden eingefangene Ladungsträger und gebundene Ladungsträgerpaare an der D/A-Grenzfläche genannt. Das Mischverhalten von D und A kann durch ein Heizen des Substrates während des Verdampfungsprozesses eingestellt werden, was von entscheidender Bedeutung für eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades ist. Für DCV4T:C60-Mischschichtsolarzellen wird jedoch eine Verschlechterung des Wirkungsgrads zu höheren Substrattemperaturen beobachtet. Durch optische Messungen und Methoden zur Schichtstrukturbestimmung wird dieser Effekt auf eine Umordnung der DCV4T-Kristallite für hohe Substrattemperaturen und die damit verbundene Verringerung der Absorption und damit auch des Photostroms zurückgeführt. Bei einer Substrattemperatur von 90° C sind die D- und A-Komponenten fast vollständig entmischt. Dieses Beispiel ist von besonderer Bedeutung, weil hier die Ursachen für ein Verhalten aufgezeigt werden, das entgegen den Beispielen aus der Literatur eine Abnahme des Wirkungsgrads beim Aufdampfen der aktiven Schicht auf ein geheiztes Substrat zeigt. Schließlich werden die Optimierungsschritte dargelegt, mit denen Solarzellen mit einer DCV5T-Verbindung als Donatormaterial auf einen Rekordwirkungsgrad von 7,7% gebracht werden. Dabei wird die Substrattemperatur, die Dicke der aktiven Schicht und die Transportschichten angepasst.:Abstract - Kurzfassung Publications Contents 1 Introduction 2 Elementary Processes in Organic Semiconductors 2.1 Introduction 2.2 Optical Excitations in Organic Materials 2.2.1 Introduction 2.2.2 Radiative Processes: Absorption and Emission 2.2.3 Non-radiative Relaxation Processes 2.2.4 Triplet Excitons and Intersystem Crossing 2.3 Polarization Effects and Disorder 2.4 Transport Processes in Disordered Organic Materials 2.4.1 Charge Transport 2.4.1.1 The Bässler Model 2.4.1.2 Marcus Theory for Electron Transfer 2.4.1.3 Small Polaron Model 2.4.1.4 Functional Dependencies of the Charge Carrier Mobility 2.4.2 Diffusive Motion 2.4.3 Exciton Transfer Mechanisms 2.4.4 Characteristics of Exciton Diffusion 2.5 Charge Photogeneration in Pristine Materials 3 Organic Photovoltaics 3.1 General Introduction to Solar Cell Physics 3.2 Introduction to the Donor/Acceptor Heterojunction Concept 3.3 The Open-Circuit Voltage in Organic Solar Cells 3.4 Doping of Organic Semiconductors 3.5 Introduction to the p-i-n Concept 3.6 Charge Transfer Excitons in Donor/Acceptor Heterojunction Systems 3.6.1 Introduction 3.6.2 Verification of Charge Transfer Excitons in Donor/Acceptor Systems 3.7 The Process Cascade for Free Charge Carrier Generation in Donor/Acceptor Heterojunction Systems 3.7.1 The Initial Charge Transfer Step 3.7.2 The Binding Energy of the Charge Transfer Exciton 3.7.3 \"Hot\" Charge Transfer Exciton Dissociation 3.7.4 \"Cold\" Charge Transfer Exciton Dissociation 3.7.5 Supposed Influence Factors on Charge Transfer Exciton Dissociation 3.7.6 Recombination Pathways for Charge Transfer Excitons 3.7.7 Free Charge Carrier Formation and Recombination 4 Experimental Methods 4.1 Sample Preparation 4.2 Material Characterization Methods 4.2.1 Optical Characterization 4.2.2 Cyclic Voltammetry 4.2.3 Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy 4.2.4 Atomic Force Microscopy 4.2.5 Grazing Incidence X-Ray Diffraction 4.2.6 Organic Field-Effect Transistor 4.3 Photoinduced Absorption Spectroscopy 4.3.1 Introduction 4.3.2 Derivation of the PIA Signal 4.3.3 Recombination Dynamics 4.3.4 Intensity Dependence of the PIA Signal 4.4 Solar Cell Characterization 4.4.1 External Quantum Efficiency 4.4.2 Spectral Mismatch Correction 4.4.3 Current-Voltage Characteristics 4.4.4 Optical Device Simulations 4.4.5 Optical Device Transmission Measurements 5 The Oligothiophene Material System 5.1 Introduction 5.2 Thermal Stability 5.3 Energy Levels 5.4 Optical Properties of the Pristine Materials 5.5 The Donor/Acceptor Couple: DCVnT and C60 5.6 Solar Cell Devices 5.7 Summary 6 Temperature Dependence of Charge Carrier Generation 6.1 Introduction 6.2 Principal Introduction to the PIA Measurements 6.2.1 Interpretation of the Spectra 6.2.2 Interpretation of the Frequency Scans 6.3 Temperature Dependence of the Spectra 6.4 Discussion of the Temperature Dependent Processes in the Blend Layer 6.5 Temperature Activated Free Charge Carrier Generation 6.5.1 Evaluation of the Activation Energy for the DCV4T-Me:C60 Blend 6.5.2 Comparison to a Sexithiophene Derivative (DCV6T-Me) 6.6 Summary 7 Side Chain Investigation on Quaterthiophene Derivatives 7.1 Energy Levels 7.2 Optical Properties 7.2.1 Solution and Pristine Films 7.2.2 Mixed Films with C60 7.3 Influence of the Side Chain Length on the Intermolecular Coupling 7.3.1 PIA Spectra of Pristine and Blend Layers at 10K 7.3.2 Recombination Analysis for Pristine and Blend Films at 10K 7.4 The Influence of the Side Chain Length on the Offset Charge Carrier Generation Rate at Low Temperature 7.5 In the High-Temperature Limit: Implications for Solar Cell Devices 7.5.1 PIA Spectra in Pristine and Blend Films at 200K 7.5.2 Recombination Analysis: Triplet Excitons and Free Charge Carriers 7.6 Solar Cells 7.6.1 Flat Heterojunction Devices 7.6.2 Bulk Heterojunction Devices 7.7 Summary 8 Electric-Field Dependent PIA Measurements on Complete Solar Cell Devices 8.1 Introduction 8.2 Semitransparent Organic Solar Cells 8.3 Photoinduced Absorption Measurements 8.4 Summary and Outlook 9 The Effect of Substrate Heating During Layer Deposition on the Performance of DCV4T:C60 BHJ Solar Cells 9.1 Introduction 9.2 The Importance of Morphology Control for BHJ Solar Cells 9.3 The Impact of Substrate Heating on DCV4T:C60 BHJ Solar Cells 9.4 Absorption and Photoluminescence 9.5 Topographical Investigations (AFM) 9.6 X-ray Investigations 9.6.1 1D GIXRD Measurements 9.6.2 2D GIXRD Measurements 9.7 Proposed Morphological Picture and Confirmation Measurements 9.7.1 Morphology Sketch of the DCV4T:C60 Blend Layer 9.7.2 Confirmation Measurements 9.8 The Equivalence of Temperature and Time 9.9 Summary 10 Record Solar Cells Using DCV5T-Me33 as Donor Material 10.1 Introduction 10.2 The Influence of the Substrate Temperature 10.3 Determination of the Optical Constants 10.4 Stack Optimization 10.5 Summary and Outlook 11 Conclusions and Outlook 11.1 Summary of the Photophysical Investigations 11.2 Summary of Device Investigations 11.3 Future Challenges Appendix A Detailed Description of the Experimental Setup for PIA Spectroscopy Appendix B Determination of the Triplet Level by Differential PL Measurements Appendix C Additional Tables and Figures Appendix D Reproducibility of the Solar Cell Results (Statistics) Appendix E Lists Bibliography Acknowledgments