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

Der zunehmende Bedarf nach digitalen Speichermedien macht die Erforschung von neuen Materialien für zukünftige Technologien von nichtflüchtigen Speichern nötig. Hierfür eignen sich zum Beispiel Metall-Nanopartikel, die in organischen Halbleiterschichten eingebettet sind. Aufgrund der bistabilen Schaltbarkeit der Leitfähigkeit von Metall-Nanopartikeln lassen sie sich in Abhängigkeit der elektrischen Umgebungsbedingungen entweder in einen niedrig- oder einen hochleitenden Zustand schalten. Bisher wurden verschiedene Modelle entwickelt, um den Schaltmechanismus von Speichern mit einem organischen Matrixmaterial zu erklären, jedoch fehlt bislang ein konsistentes Bild zum Verständnis des Schaltvorgangs. Die vorliegende Arbeit  untersucht die Rolle des Raumladungsfeldes ausgehend von Metall-Nanopartikeln in Bauelementen. Dazu wurde eine Reihe von Experimenten zur Bestimmung der elektronischen und elektrischen Eigenschaften durchgeführt, um die tatsächliche Rolle des Raumladungsfeldes aufzuklären. Mit Hilfe von Röntgen- und UV-Photoelektronenspektroskopie wurde die Wechselwirkung zwischen den Metall-Nanopartikeln und den prototypischen organischen Halbleiterschichten detailliert untersucht. Unter Verwendung der bereits untersuchten Materialien wurden Bauelemente hergestellt und charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der allgemein vorgeschlagene Mechanismus bezüglich der Aufladung/Entladung von Metall-Nanopartikeln als Ursache für die elektrische Bistabiliät in einem zweipoligen Bauteil ausgeschlossen werden kann. Stattdessen stützt dieses Ergebnis den alternativen Mechanismus der Filamentbildung. Zur Untersuchung der Skalierbarkeit der Speicher im Nanometerbereich wurden die Strukturen durch das Abscheiden der Materialien bei streifendem Einfall präpariert. Die entsprechenden Nanospeicher wurden elektrisch charakterisiert und zeigten Bistabilität. Folglich sind diese Nanspeicher besonders attraktiv für zukünftige Technologien in Hinblick auf hohe Speicherdichten. / The increasing need to store digital information has triggered research into the exploration of new materials for future non-volatile memory (NVM) technologies. For instance, metal nanoparticles (MNPs) embedded into organic semiconductors are suitable for novel memory applications because they were found to display bistable resistive switching. Different switching models were hitherto developed to explain the fundamental mechanisms at work in resistive NVMs. This thesis explores specifically the role of space-charge field due to the charging of MNPs as rationale for resistive switching in two-terminal devices. A series of experiments on the electronic and electrical properties of devices were conducted in order to reveal whether this mechanism is, indeed, at play in resistance switching. Photoelectron spectroscopy provided detailed information about the interaction between gold nanoparticles (AuNPs) with prototypical organic semiconductors used in optoelectronics. The study of the electronic valence structures provided evidence of a space-charge due to the charging of AuNPs. Furthermore, it is found that charge-neutrality of AuNPs can be dynamically re-established upon illumination, through electron transfer from excitons. Devices were built with the same materials investigated by photoemission spectroscopy and electrical characterization was conducted. Despite the previously demonstrated ability to optically change the charging state of the AuNPs, the devices do not display any bistability. This finding provides evidence that the commonly proposed charging/decharging mechanism of MNPs can be excluded as cause for electrical bistability in NVM devices. In order to explore the scaling of resistive NVMs into the nanometric range, glancing angle deposition technique was employed. The nano-NVMs were electrically characterized and it is proved to manifest resistive bistability. These finding make nano-NVMs highly appealing for future high-density memory technology.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Leistungssteigerung organischer Solarzellen durch Änderung der Geometrie an der Donor-Akzeptor Grenzfläche und dem Einstellen der elektronischen Eigenschaften von Grenzflächen durch molekulares p-Dotieren. Kristalline und gleichmäßige Nanosäulen aus dem organischen Halbleiter Pentazen wurden durch glancing angle deposition (GLAD) hergestellt, die einen ineinandergreifenden Heteroübergang zu Methanofulleren [6,6]-Phenyl-C61-Butansäure Methylester (PCBM) als Akzeptor ermöglichten. Die Kurzschlussspannung der nanosäulenbasierten Solarzellen war signifikant erhöht im Vergleich zu planaren Heteroübergängen zwischen denselben Materialien. Die Leistungssteigerung der Solarzellen konnte maßgebend der vergrößerten Grenzfläche zugewiesen werden, wegen des verringerten Einflusses der kurzen Exciton Diffusionslänge. Molekulares p-Dotieren mit Tetrafluorotetracyanoquinodimethan (F4TCNQ) als Dotand in polyfuranbasierten Solarzellen wurde für verschiede Dotierkonzentrationen untersucht. Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie wurde verwendet, um die Veränderungen der Energieniveaus mit zunehmender Dotierkonzentration zu analysieren, welche zu einer Vergrößerung der 0,2 V Kurzschlussspannung auf bis zu 0,4 V führte. Nach Kombination dieser Beobachtung mit Ergebnissen an dotierten Polymerfilmen, insbesondere bezüglich deren Morphologie und Absorptionsverhalten, wurde vorgeschlagen, dass ein resultierender Dipol an der Donor-Akzeptorgrenzfläche präsent ist. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit das Potential sowohl der GLAD Technik als auch des molekularen, elektrischen Dotierens für die Leistungsverbesserung organischer Solarzellen. / The present work mainly focuses on improving the performance of OPVCs by tailoring the donor-acceptor interface geometry and by tuning the electrical properties of interfaces with p-type molecular doping. Crystalline and uniform nanocolumns of pentacene (PEN) and diindenoperylene (DIP) were fabricated by glancing angle deposition (GLAD), forming an interdigitated donor/acceptor heterojunction with [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) and/or fullerene as the electron acceptor. The short circuit current of nanocolumn-based OPVCs increased significantly compared to planar heterojunction OPVCs made from the same materials. The performance improvement of OPVCs had been verified to be contributed decisively by the donor-acceptor interface area enlargement because of reduced impact of short exciton diffusion length in organic materials. P-type molecular doping as applied in polyfuran (PF) based OPVCs was investigated by using tetrafluorotetracyanoquinodimethane (F4-TCNQ) as the dopant for various doping ratios. Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS) was applied to analyze the energy level shift with increasing doping ratio leading to the enlargement of the open circuit voltage in OPVCs, from 0.2 V to close to 0.4 V. Combining this observation with the results of doped polymer films, their morphology and absorption behavior, a net dipole pointing towards the donor material at the donor-acceptor interface of OPVCs is proposed. Overall, this work demonstrates the potential of both the GLAD technique and molecular electrical doping for improving the performance of OPVCs.

Funktionale organische Moleküle bergen ein hohes Potential für den Einsatz in zukunftsprägenden Technologien wie organischen Leuchtdioden (OLED), Solarzellen, Transistoren und Bio-Sensoren. Eines der Herstellungsverfahren beruht auf der Gasphasenabscheidung der Moleküle, die auf dem Substrat mittels Selbstorganisation zu dünnen Schichten wachsen. Auf Grund der komplexen Wechselwirkungen und des Einflusses der Schichtmorphologie auf die Funktionalität der dünnen Schichten stellt der Wachstumsprozess sowohl für die anwendungsorientierte als auch für die Grundlagenforschung eine hochinteressante und wichtige wissenschaftliche Herausforderung dar, mit der sich die vorliegende Arbeit auseinandersetzt. Die experimentellen Resultate und Konzepte, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, leisten neue Beiträge für das Verständnis von organischem Wachstum. Der demonstrierte Einfluss von chemischer Modifikation auf verschiedene Aspekte des Strukturwachstums, wie z.B. auf die Filmrauigkeit, Kristallphasenreinheit und molekulare Diffusivität, zeigt zudem das hohe Potential dieser Methode zur Steuerung des organischen Wachstums. Aus den genannten Gründen kann diese Arbeit neue Impulse für die Erforschung und spätere Anwendung von funktionalen organischen Dünnschichtsystemen setzen. / Functional organic molecules are promising for the application in future relevant technologies such as organic light emitting diodes (OLEDs), solar cells, transistors and bio-sensors. One of the processing methods to fabricate organic devices is organic molecular beam deposition. In this process, the complexly interacting molecules grow via self-assembly as thin films on a substrate. Due to the close structure-property relationship, the growth process constitutes a highly interesting and important scientific challenge for both application oriented as well as fundamental research and is the topic of the present thesis. The experimental results and conceptual methods presented in this thesis contribute new stimuli to the understanding of the molecular self-assembly. The demonstrated influence of chemical tuning on various facets of structure formation, such as film roughness, crystal phase purity and molecular diffusivities, uncovers the strong potential of this approach for steering organic growth. Therefore, the present work has implications for future research and application of functional organic thin films.