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Using multiple theoretical methods, comprehensive calculations are performed to create a new and more comprehensive data set for elastic scattering and related transport cross sections for collisions of (H$^+$ + H), (H + H) and (He$^{2+}$ + H) in the center-of-mass energy frame. In proton-atomic hydrogen collisions, we have significantly updated and extended previous work of elastic scattering, charge transfer and related transport integral and differential cross sections in the center-of-mass energy range $10^{-4} - 10^4$ eV where the multi-channel molecular orbital approach (MO3) is used. For atomic hydrogen-hydrogen collisions, similar updates have been made of elastic scattering and spin exchange differential and integral cross sections, also for the H + H collision the ionization and negative ion formation cross sections are provided in energy range (1-20 KeV) by use of the 'hidden crossing' theoretical framework. For collisions of alpha particles with atomic hydrogen we have computed the elastic scattering cross section in the center-of-mass energy range $10^{-4} - 10^8$ eV. In this case, at the lowest energies where elastic scattering greatly dominates other reaction channels, a single-channel quasi-molecular-orbital approach (MO1) is used. With the opening of inelastic channels at higher energies the multi-channel atomic-orbital, close-coupling method is applied, and at the highest energies considered perturbation theory (the Born approximation) is used. The results are compared with other data available in literature.

Donor-acceptor systems exhibit distinctive attributes rendering them highly promising for the emulation of natural photosynthesis and the efficient capture of solar energy. This dissertation is primarily devoted to the investigation of these unique features within diverse donor-acceptor system typologies, encompassing categories such as closely covalently linked, push-pull, supramolecular, and multi-modular donor- acceptor conjugates. The research encompasses an examination of photosynthetic analogs involving compounds such as chelated azadipyromethene (AzaBODIPY), N,N-dimethylaminophenyl (NND), phenothiazine (PTZ), triphenylamine (TPA), phenothiazine sulfone (PTZSO2), tetracyanobutadiene (TCBD), and expanded tetracyanobutadiene (exTCBD). The strategic configuration of the donor (D), acceptor (A), and spacer elements within these constructs serves to promote intramolecular charge transfer (ICT), which are crucial for efficient charge and electron transfer. The employment of cutting-edge analytical techniques, such as ultrafast transient absorption spectroscopy, is integral to the study. Furthermore, a comprehensive suite of analytical methodologies including steady-state UV-visible absorption spectroscopy, fluorescence and phosphorescence spectroscopies, electrochemical techniques (including cyclic voltammetry and differential pulse voltammetry), spectroelectrochemistry, and density functional theory calculation (DFT), collectively contribute to the comprehensive characterization of push-pull donor-acceptor systems, with a particular emphasis on their potential as highly effective solar energy harvesting application.

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.

Ziel dieser Arbeit war es, den grundlegenden Mechanismus des Ladungstransfers bei molekularer Dotierung an organisch-organischen Grenzflächen besser zu verstehen. Es wurde eine Vielfalt modernster spektroskopischer Methoden eingesetzt, um die elektronische Struktur und neue dotierungsinduzierte CT-Übergänge zu ergründen. Dazu gehören UPS und XPS für Valenzsignaturen und Kernniveauzustände. Absorptionsspektroskopie im UV-vis-NIR und Röntgenbereich wurde zur Bestimmung der Übergangsenergien eingesetzt. Schwingungsspektroskopie wurde eingesetzt, um den CT-Grad in DA-Systemen für gestapelte und gemischte Heteroübergänge zu quantifizieren. Strom-Spannungs-Messungen wurden zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit und Rasterkraftmikroskopie zur Charakterisierung der Oberflächenmorphologie eingesetzt. Die in dieser Arbeit behandelten Themen sind: (1) Planare Heteroübergänge aus DIP und F6TCNNQ wurden hergestellt. Sie wurden im Hinblick auf CT-Komplexbildung, Grenzflächendotierung und Exzitonenbindungsenergien an der D|A-Grenzfläche untersucht. (2) DBTTF wurde mit TCNNQ und F6TCNNQ in Lösung und in dünnen Filmen gemischt. Daraus wurde der Zusammenhang zwischen Dotierungsmechanismen, CTC- und IPA-Bildung, mit dem Aggregatzustand hergeleitet. (3.1) Rubren-Einkristalle wurden mit Mo(tfd)3 und CoCp2 p- und n-dotiert. Nach der Dotierung verschiebt sich die Banddispersion entsprechend, wohingegen die effektive Masse der Löcher konstant bleibt. (3.2) DBTTF-Einkristalle wurden mit TCNNQ, F6TCNNQ und Mo(tfd)3 dotiert. Aus den Änderungen der elektronischen Struktur wurden der CT über die D|A-Grenzfläche sowie die Dichte der Oberflächenzustände quantifiziert. (4) Von drei DA-Systemen mit unterschiedlicher GS-Wechselwirkungsstärke, DIP:C60, DIP:PDIR-CN2 und DIP|F6TCNNQ, wurden die Grenzflächenexzitonen charakterisiert. Ein Vergleich verschiedener Modelle, die die optische CTC Absorption aus dem DA-Energieniveauoffset beschreiben und abschätzen können, rundet die Ergebnisse ab. / The aim of this thesis was to enhance the understanding of the charge transfer mechanism during molecular doping at organic-organic interfaces. A wide range of state-of-the-art spectroscopic methods was employed to unravel the electronic structure and new CT transitions resulting from doping. This includes UPS and XPS for valence signatures and core level states. Absorption spectroscopies in the UV-vis-NIR and X-ray regions were used to determine transition energies. Vibrational spectroscopy was employed to quantify the CT degree in DA systems for stacked and mixed heterojunctions. Current-voltage measurements were used for the determination of electrical conductivities and scanning force microscopy for surface morphology characterization. The topics covered in this thesis are: (1) Planar heterojunctions of DIP and F6TCNNQ were fabricated. They were studied with regard to CT complex formation, interface doping and exciton binding energies at the D|A interface. (2) DBTTF was blended with TCNNQ and F6TCNNQ in solution and in thin films. From this, the connection of the two doping mechanisms, CTC and IPA formation, to the state of matter was derived. (3.1) Rubrene single crystals were p- and n-doped with Mo(tfd)3 and CoCp2. After doping, the band dispersion shifts accordingly, while the hole effective mass stays constant. (3.2) DBTTF single crystals were doped with TCNNQ, F6TCNNQ and Mo(tfd)3. From changes in the electronic structure, the CT across the D|A interface as well as the density of surface states were quantified. (4) From three DA systems with varying GS interaction strength, DIP:C60, DIP:PDIR–CN2 and DIP|F6TCNNQ, the interfacial excitons were characterized. A comparison of different models, which describe and allow to estimate the optical absorption in CTCs from the DA energy level offset, concludes the results.

Diese Arbeit untersucht den Einfluss der elektronischen Bandstruktur von Festkörperoberflächen auf den resonanten Ladungsaustausch zwischen Festkörpern und atomaren Projektilen. Dazu wurden diese atomaren Projektile an einkristallinen Cu(111)- und Cu(110)-Oberflächen gestreut. Die Streuung erfolgt unter streifendem Einfall, typischerweise bei Einfallswinkeln zwischen 0.5 bis zu 4 Grad zur Oberfläche bei Projektilgeschwindigkeiten von 0.05 bis zu 1.4 atomaren Einheiten. Unter diesen Bedingungen erfolgt kein Eindringen des Projektils in den Festkörper, sondern eine Reflektion des Projektils von der Oberfläche. Somit können die Ladungszustände der auslaufenden Projektile als Funktion von Projektilgeschwindigkeit und Einfallswinkel untersucht werden. Die Verteilung der Ladungszustände nach der Streuung hängt theoretischen Vorhersagen zufolge signifikant von der Bandstruktur der Festkörperoberfläche ab. Die Experimente wurden an zwei verschiedenen Cu-Oberflächen durchgeführt. Während die Cu(110)-Oberfläche gut durch das Modell des freien Elektronengases (jellium-Modell) beschrieben werden kann, ist die Cu(111)-Oberfläche durch eine Bandlücke im Bereich der Fermienergie sowie durch einen in der Bandlücke liegenden Oberflächenzustand gekennzeichnet. Um den Effekt der elektronischen Bandstruktur auf den resonanten Ladungsaustausch zwischen Festkörperoberflächen und atomaren Zuständen deutlich herauszustellen, wurden atomare Zustände, die sich energetisch in Resonanz zur Bandlücke befinden, untersucht. Insbesondere wurde der Ladungsaustausch von negativen Wasserstoff-, Fluor-, Chlor-, Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Schwefelionen sowie der Grund- und angeregten Zustände von Lithium, Natrium und Kalium mit Cu(110)- und Cu(111)-Oberfläche experimentell untersucht. Die Neutralisation hochgeladener Ionen an einer Cu(111)-Fläche wurde stellvertretend am Beispiel von bis zu 21-fach geladenen Xenonionen studiert. Gravierende Effekte der elektronischen Bandstruktur der Cu(111)-Oberfläche wurden durch die Theorie für die Formierung negativer Wasserstoffionen vorhergesagt. Nach den Ergebnissen der WPP-Methode wird das Maximum der Abhängigkeit der H- -Ausbeute von der Parallelgeschwindigkeit bei 6% erwartet, während bei einer jellium-Oberfläche gleicher Austrittsarbeit und Fermienergie nur etwa 0.3% negativer Ionen vorhergesagt werden. Mit einer experimentell ermittelten H- -Ausbeute von maximal 1% wird ein signifikanter Einfluß der elektronischen Bandstruktur auf den Ladungsaustausch bestätigt. Der Verlauf der Geschwindigkeitsabhängigkeit der Ausbeute an negativen Ionen, insbesondere die Breite der Resonanzstruktur, deutet in Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage auf eine dominante Beteiligung des Oberflächenzustandes am resonanten Ladungsaustausch hin. Die Differenz zwischen experimentellen und theoretischen Ergebnissen wird durch die Existenz eines zusätzlichen Elektronen-Verlustkanals erklärt. Die Berücksichtigung der Streuung an Festkörperelektronen führt zu einer wesentlichen Verbesserung der Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie. Die experimentelle Untersuchung der Neutralisation der Alkaliatome Lithium, Natrium und Kalium bestätigt einen signifikanten Einfluß der Bandlücke der Cu(111)-Oberfläche auf den resonanten Ladungsaustausch: Im Vergleich zur Vorhersage des jellium-Modells treten deutlich erhöhte Ausbeuten an neutralisierten Projektilen auf. Weiterhin finden sich in der Abhängigkeit der Neutralausbeuten von der Parallelgeschwindigkeit mehrere Maxima bzw. Schulterstrukturen, die auch von der WPP-Theorie qualitativ vorhergesagt werden. Die bei der Formierung negativer Halogenionen experimentell beobachtete Signatur der elektronischen Bandstruktur ist schwächer, als dies bei der Neutralisation von Alkaliatomen und der Formierung negativer Wasserstoffionen beobachtet werden konnte. Ein deutlicher Effekt der Bandlücke kann aber auch hier, wie auch bei der Streuung von Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Schwefelionen, konstatiert werden. Die Untersuchung des Ladungsaustausches an der Cu(110)-Oberfläche ergab in allen Fällen eine gute Übereinstimmung mit der Vorhersage des jellium-Modells. Die in dieser Arbeit vorgestellten experimentellen Ergebnisse zeigen, daß die elektronische Bandstruktur der Cu(111)-Oberfläche den resonanten Ladungsaustausch substantiell beeinflußt. Das wurde besonders am Beispiel der Formierung negativer Wasserstoffionen und der Neutralisation von Alkaliatomen überzeugend demonstriert. Die Überzeugungskraft der experimentellen Ergebnisse wird durch die gute Übereinstimmung der an der (110)-Fläche des gleichen Metalls erzielten experimentellen Resultate mit den Vorhersagen des jellium-Modells erhöht. / This thesis investigates the influence of the electronic band structure of single crystal surfaces on the resonant charge transfer between solid and atomic projectiles. Atoms and ions were scattered off Cu(111)- and Cu(110) surfaces under grazing incidence conditions with angles of incidence between 0.5 to 4 degrees. Projectile velocities were varied between 0.05 and 1.4 atomic units. In this regime no penetration of the projectile into the solid occurs. Instead, the projectile is reflected from the crystal surface. Therefore the charge state distribution of scattered projectiles can be investigated as a function of the incidence conditions. According to theoretical predictions this charge state distribution strongly depends on the electronic band structure of the surface. The experiments were performed on 2 different Cu surfaces. While the Cu(110) surface can be well described by the free electron gas model (also refered to as jellium model), the Cu(111) surface is characterized by a bandgap around the Fermi energy and a surface state within this bandgap. To investigate the effect of the electronic band structure on the resonant charge transfer between solids and atoms/ions, the projectiles were choosen in a way that the atomic valence state is in resonance to the bandgap. In particular the formation of negative hydrogen, fluorine, chlorine, oxygen, carbon and sulfur ions as well as the population of ground and excited states of lithium, sodium and potassium in front of Cu(110) and Cu(111) surfaces was investigated. The neutralization of highly charged (up to 21 times positively charged) xenon ions in front of a Cu(111) surface was studied as well. A significant impact of the band structure of the Cu(111) surface has been theoretically predicted for the formation of negatively charged hydrogen ions. From wave packet propagation calculations 6% negative hydrogen ions are expected in front of a Cu(111) surface, compared to 0.3% that are expected for a jellium surface of the same work function and Fermi level. The experimental result of 1% confirms a significant influence of the electronic band structure on the charge exchange. The shape of the velocity dependence of the negative ion yield, in particular the width of this dependence, implies a dominant contribution of the surface state to resonant charge exchange in compliance with the theoretical predicition. The discrepancy between experimental data and theoretical prediction is explained by taking an additional electron loss channel into account. The consideration of scattering from electrons in the solid conduction band significantly improves the agreement between experimental and theoretical data. The investigation of the neutralization of the alkali atoms lithium, sodium and potassium confirms a significant influence of the electronic band structure of the Cu(111) surface on the resonant charge transfer. Significantly higher yields of neutralized projectiles as compared to the prediction of the jellium model are found. Furthermore the parallel velocity dependences of the neutral atom yield shows maxima or shoulder structures which are qualitavely reproduced by wave packet propagation calculations. The formation of negative halogen ions shows less pronounced effects of the Cu(111) surface band structure. However, also for these projectils a significant influence of the band structure on the resonant charge transfer is experimentaly confirmed. This holds as well for the formation of negatively charged oxygen, carbon and sulfur ions. The investigation of the resonant charge transfer in front of a Cu(110)surface resulted for all ions investigated in a good agreement between experiment and theory. The experimental results presented in the framework of this thesis show, that the electronic band structure of the Cu(111) surface has a substantiell impact on the resonant charge transfer. This has been presented in a particularly convincing way by the investigation of negative hydrogen ion and neutral alkali atom formation in front of a Cu(111) surface. The cogency of the experimental results is improved by the good agreement between the experimental results achieved at the Cu(110) surface and the theoretical prediction for a jellium metal.

This thesis presents a mathematical model of the nanoporous anode within a dyesensitised solar cell (DSC). The main purpose of this work is to investigate interfacial charge transfer and charge transport within the porous anode of the DSC under both illuminated and non-illuminated conditions. Within the porous anode we consider many of the charge transfer reactions associated with the electrolyte species, adsorbed dye molecules and semiconductor electrons at the semiconductor-dye- electrolyte interface. Each reaction at this interface is modelled explicitly via an electrochemical equation, resulting in an interfacial model that consists of a coupled system of non-linear algebraic equations. We develop a general model framework for charge transfer at the semiconductor-dye-electrolyte interface and simplify this framework to produce a model based on the available interfacial kinetic data. We account for the charge transport mechanisms within the porous semiconductor and the electrolyte filled pores that constitute the anode of the DSC, through a one- dimensional model developed under steady-state conditions. The governing transport equations account for the diffusion and migration of charge species within the porous anode. The transport model consists of a coupled system of non-linear differential equations, and is coupled to the interfacial model via reaction terms within the mass-flux balance equations. An equivalent circuit model is developed to account for those components of the DSC not explicitly included in the mathematical model of the anode. To obtain solutions for our DSC mathematical model we develop code in FORTRAN for the numerical simulation of the governing equations. We additionally employ regular perturbation analysis to obtain analytic approximations to the solutions of the interfacial charge transfer model. These approximations facilitate a reduction in computation time for the coupled mathematical model with no significant loss of accuracy. To obtain predictions of the current generated by the cell we source kinetic and transport parameter values from the literature and from experimental measurements associated with the DSC commissioned for this study. The model solutions we obtain with these values correspond very favourably with experimental data measured from standard DSC configurations consisting of titanium dioxide porous films with iodide/triiodide redox couples within the electrolyte. The mathematical model within this thesis enables thorough investigation of the interfacial reactions and charge transport within the DSC.We investigate the effects of modified cell configurations on the efficiency of the cell by varying associated parameter values in our model. We find, given our model and the DSC configuration investigated, that the efficiency of the DSC is improved with increasing electron diffusion, decreasing internal resistances and with decreasing dark current. We conclude that transport within the electrolyte, as described by the model, appears to have no limiting effect on the current predicted by the model until large positive voltages. Additionally, we observe that the ultrafast injection from the excited dye molecules limits the interfacial reactions that affect the DSC current.

Time resolved spectroscopy is one of the crucial methods used to study processes on molecular level in biological systems. It is useful especially for monitoring fast processes that take a place in photosynthetic apparatus of photosynthetic organisms, such as electron and energy transfer. The integral parts of photosynthetic apparatus are carotenoids, whose role in the photosynthetic apparatus is not as well explored as it is for chlorophylls. It was proved that carotenoids actively participate in energy transfer processes in photosynthetic antennas. They have a crucial role in protection against excess energy damage. They are also electron donors in both antennas and reaction centers. The fact that photo-physical properties of carotenoids are much different from properties of others organic pigments, complicates studies of their functions in photosynthesis as well as in other biological systems. This thesis employs advanced methods of femtosecond spectroscopy to obtain more information about carotenoid functions in some biological systems and in solution with special focus on carotenoids containing carbonyl group.