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.

Diese Arbeit untersucht die Möglichkeiten, ortsaufgelöste (2D-) Lumineszenz als eine nicht-invasive Methode zur Charakterisierung des Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA) Einkapselungsmaterials in Photovoltaik (PV) Modulen einzusetzen. Im Einzelnen wird gezeigt, dass aus nichtinvasiven Lumineszenzmessungen Aussagen erhalten werden können zu: (i) Auswirkungen der Alterungsbedingungen, Klima und Material, (ii) Nachweis bestimmter Fehlerarten, (iii) Überwachung des Produktionsprozess, (iv) Verbesserung von Lebensdauervorhersagen durch miniaturisierte Multi-Faktor-Alterung und (v) Aussagen über die Materialalterung. (i) Temperatur, UV-Strahlung und Sauerstoff werden als Hauptfaktoren identifiziert, die die Lumineszenz beeinflussen. Beschleunigte Alterung unter UV und Freibewitterung resultieren in ähnlichen Lumineszenzmustern und -Spektren, die sich von denen nach exklusiver thermischer Alterung unterscheiden. (ii) Insbesondere können Risse in Zellen nachgewiesen werden, darüber hinaus gibt es Anhaltspunkte, dass auch Korrosion und Delamination durch Lumineszenz nachweisbar sein könnten. (iii) Lumineszenz ist eine vielversprechende Methode, zerstörungsfrei den Vernetzungsgrad und die Homogenität zu bewerten. (iv) Für wirtschaftliche und effiziente Alterungstests wurde eine Multi-Faktor-Alterungs-Kammer entwickelt und getestet, die die Prüfung der gleichzeitigen Wirkung mehrerer Alterungsfaktoren ermöglicht. (v) Erstmals wird eine Korrelation der EVA-Lumineszenz zu anderen, insbesondere viskoelastischen Materialeigenschaften gezeigt. Es wird geschlossen, dass diffusionsbegrenzte Oxidation (DLO) im EVA zwischen Zelle und Glas eine inhomogene Materialdegradation verursacht. Perspektivisch werden Studien des komplexen Einflusses von Temperatur, UV-und Sauerstoff auf Materialalterung durch 2D-Lumineszenz in Kombination mit Multi-Faktor-Alterung aufgezeigt, ebenso wie die Möglichkeit einer Anwendung zur Bestimmung von apparenten Reaktionsraten aus Lumineszenzintensitätsprofilen. / This work examines the prospects of employing spatially resolved (2D-) luminescence as a non-invasive method for the characterization of the ethylene-vinyl-acetate (EVA) encapsulation material in photovoltaic (PV) modules. It is shown that information can be obtained related to the topics: (i) impact of aging conditions, climate and material, (ii) detection of specific types of failure modes, (iii) use to monitor the production process, (iv) improving service life prediction by miniaturized multi-factor aging and (v) statements about the material aging. (i) Temperature, UV radiation and oxygen are identified as main factors, which influence the luminescence. Accelerated aging under UV and outdoor weathering result in similar luminescence patterns and spectra, different from those after exclusive thermal aging. (ii) Specific failure modes, in particular cracks of the cells, can be detected. In addition, indications exist that corrosion and delamination might be detectable by luminescence. (iii) Luminescence is a promising method that allows non-destructive examination of the degree of crosslinking and the homogeneity in the PV module. (iv) For more economic and efficient aging tests a multi-factor-aging chamber was designed and tested which allows testing the simultaneous action of several aging factors. (v) For the first time, a correlation of EVA-luminescence to others, in particular viscoelastic, material properties, is demonstrated. From the inhomogeneous degradation patterns, it is concluded that diffusion limited oxidation (DLO) in the EVA between glass cell and causes an inhomogeneous material degradation. Interesting prospects emerge, e.g. studies of the complex influence of temperature, UV and oxygen on material aging by 2D-Luminescence using multi-factor-aging. In addition, the evaluation of intensity profiles, for example, regarding apparent reaction rates, is one of many promising applications.

Hybridsolarzellen werden sowohl aus ZnO-Schichten als auch ZnO-Nanostrukturen und Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b'']dithiophen)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazol)] (PCPDTBT) hergestellt. Das Wachstum der ZnO-Schichten und Nanostrukturen wird mittels gepulster Laserdeposition (PLD) auf Saphirsubstraten durchgeführt. Die Schichten weisen eine c-Achsenorientierung auf. Die Polarität einer ZnO-Schicht bestimmt die Morphologie der nachfolgend gewachsenen ZnO-Nanostrukturen. Dabei kann die Morphologie kontrolliert zwischen Nanostäbchen auf einer O-terminierten ZnO-Schicht und Nanowänden auf einer Zn-terminierten ZnO-Schicht eingestellt werden. Untersuchungen mittels konvergenter Elektronenbeugung zeigen, dass die Nanostrukturen immer Zn-terminiert sind. Die Grenzfläche zwischen ZnO und PCPDTBT wird mit Photoelektronenspektroskopie untersucht und ergibt eine Vakuumniveauangleichung zwischen beiden Materialien. Prinzipiell ist der Übergang für photovoltaische Aktivität geeignet, jedoch sind die erzielten Wirkungsgrade sehr niedrig. Die Ursache ist eine niedrige Exzitonendissoziationseffizienz, die durch die Benutzung von sol-gel ZnO, kleinen organischen Molekülen und einer niedrigeren Leitfähigkeit vom PLD-ZnO verbessert werden kann. Dennoch beträgt der maximale Wirkungsgrad der Hybridsolarzellen nur 0,21 %. / Hybrid solar cells are built from ZnO layers and ZnO nanostructures and Poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b'']dithiophene)-alt-4,7(2,1,3-benzothiadiazole)] (PCPDTBT). The growth of the ZnO layers and nanostructures is performed with pulsed laser deposition (PLD) on sapphire substrates. The samples exhibit a c-axis orientation. The polarity of a ZnO layer determines the morphology of subsequently grown ZnO nanostructures. One can control the morphology between ZnO nanorods on an O-terminated layer and nanowalls on a Zn-terminated layer. Studies with convergent electron beam diffraction reveals that the ZnO nanostructures are always Zn-terminated. The interface between ZnO and PCPDTBT is studied with photoelectron spectroscopy and shows a vacuum level alignment between both materials. In principle, the interface is suitable for photovoltaic activity, however, the achieved power conversion efficiencies are very low. This is due to a low exciton dissociation efficiency, which can be improved by the use of sol-gel ZnO, small organic molecules, and a lower conductivity of the PLD ZnO. Nevertheless, the maximum power conversion efficiency amounts to 0.21 %, only.

In dieser Arbeit wird ein grundlegender Rahmen für das Verständnis von photovoltaischer Ladungserzeugung an Grenzflächen zwischen einem Metalloxid und einem organischen Halbleiter geschaffen. Dabei wird gezeigt, dass hybride Ladungstransferzustände (HCTS) eine entscheidende Rolle im Energieumwandlungsprozess spielen. Vor ihrer endgültigen Trennung bleiben Elektronen und Löcher an gegenüberliegenden Seiten der Grenzfläche durch Coulomb-Interaktion aneinander gebunden. Nur wenn die Trennung eines solchen HCTS gelingt, kann es zu einem Photostrom beitragen. Die planaren Schichtsysteme ZnO/P3HT, ZnMgO/P3HT und SnO2/P3HT dienen als Modellsystem für eine ausführliche Studie über Energiestruktur der Grenzfläche, photovoltaische Energieumwandlung und die damit verbundenen Verluste. Es wird gezeigt, dass ein HCTS aus einem Elektron im Leitungsband des Metalloxids und einem Loch im HOMO des Polymers besteht. Folglich ist seine Entstehung eine intrinsische Eigenschaft von allen derartigen Grenzflächen. Elektrolumineszenzspektroskopie (EL) stellt sich als wirksame Methode zur Untersuchung von HCTS dar. Deren strahlende Rekombination produziert ein breites Signal im nahen Infrarotbereich. Spannungsabhängige EL-Messungen zeigen den hohen Grad an Delokalisierung von beiden Ladungsträgern in einem HCTS. EL-Spektren, die über einen weiten Temperaturbereich aufgenommen wurden, zeigen, dass nichtstrahlende Prozesse mit Abstand der dominierende Zerfallsmechanismus für HCTS bei Zimmertemperatur sind. Ein Modell aus mehreren Schritten für den Stromerzeugungsprozess kann aus temperaturabhängigen photovoltaischen Messungen abgeleitet werden. Hierbei wird deutlich, dass die Bindungsenergie von Elektron und Loch in einem HCTS keine bedeutende Einschränkung für die Leistungsfähigkeit einer Solarzelle darstellt. Die einflussreiche Rolle von nichtstrahlenden Zerfallsprozessen verursacht jedoch in allen untersuchten Materialsystemen schwere Verluste. / In this work, a fundamental framework for the understanding of photovoltaic charge generation at metal-oxide/organic hybrid interfaces is established. It is shown that hybrid charge transfer states (HCTS) play a crucial role in the power conversion process. Prior to full charge separation, pairs of electrons and holes situated at opposite sides of the heterojunction remain bound to each other by Coulomb interaction. Only if an HCTS is dissociated, a contribution to a photocurrent can be made. Planar heterojunctions of the material combinations ZnO/P3HT, ZnMgO/P3HT, and SnO2/P3HT serve as model systems for a broad investigation of interface energetics, photovoltaic power conversion and the loss processes therein. It is shown that an HCTS consists of an electron in the conduction band of the metal-oxide and a hole in the HOMO of the polymer. Consequently, its formation is an intrinsic property of all heterojunctions of that kind. Electroluminescence (EL) spectroscopy proves to be a powerful tool in the analysis of HCTS. Their radiative recombination produces a broad signal in the near-infrared spectral range. Voltage-dependent EL measurements reveal a high degree of delocalization of both carriers in an HCTS, whereas EL spectra recorded over a wide range of temperatures show that non-radiative processes are by far the dominant recombination channel for HCTS at room temperature. A multistep model of the charge generation process is derived from temperature-dependent photovoltaic measurements. It becomes apparent that the binding energy of electron and hole in an HCTS does not impose a significant limitation on device performance. The strong presence of non-radiative decay processes, however, causes severe losses for all material systems that are investigated in this work.

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

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.