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.

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.

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.