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Organic and hybrid organic-inorganic photovoltaic (PV) devices have the potential to provide low-cost, large scale renewable energy. Despite the tremendous progress that has been made in this field, device efficiencies remain low. This low efficiency can be partly attributed to the low open-circuit voltages (Voc) generated by organic and hybrid organic-inorganic PV devices. The Voc is critically determined by the energy-level alignment at the interface between the materials forming the device. In this thesis we use first-principles methods to explore the energy-level alignment at the interfaces between the conjugated polymer poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and three electron acceptors, zinc oxide (ZnO), gallium arsenide (GaAs) and graphene. We find that Voc reported in the literature for ZnO/P3HT devices is significantly lower than the theoretical maximum and that the interfacial electrostatic dipole plays an important role in the physics underlying the charge transfer at the heterojunction. We note significant charge transfer from the polymer to the semiconductor at GaAs/P3HT interfaces, and use this result to help interpret experimental data. Our findings support the conclusion that charge transferred from P3HT to GaAs nanowires can passivate the surface defect states of the latter and, as a result, account for the observed decrease in photoluminescence lifetimes. Finally, we explore the energy-level alignment at the graphene/P3HT interface and find that Voc reported for experimental devices is in line with the theoretical maximum. The effect of functionalised graphene is also examined, leading to the suggestion that functionalisation might have important consequences for device optimisation.

Das fundamentale Verständnis von Ladungsträgern in molekularen Halbleitern, die typischerweise als Polaronen bezeichnet werden, ist unverzichtbar, wenn es um das Design besonders leistungsfähiger (opto)elektronischer Bauelemente geht. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel ein umfangreiches Bild der Energetik von Polaronen in organischen Halbleitern zu erhalten. Zunächst geht es darum einen Probenaufbau zu finden, der es nicht nur ermöglicht Ladungsträger zu generieren, sondern auch ihre elektronische Struktur unter Verwendung von komplementären Photoemissionstechniken – Rötngen-, Ultraviolett- und inverse Photoelektronenspektroskopie - aufzuklären. Das Probenkonzept basiert darauf, dass molekulare Filme, die eine niedrigere Ionisierungsenergie als die Austrittsarbeit des zugrunde liegenden Substrates aufweisen, Fermi-level Pinning zeigen. In diesem Fall wären die höchsten besetzten Zustände der neutralen molekularen Schicht energetisch oberhalb des Substrat-Fermi-Levels angeordnet, wodurch zum Erhalt des elektronischen Gleichgewichts die Notwendigkeit für einen Ladungstransfer gegeben ist. Da die starke elektronische Kopplung zwischen Molekülen und Metallen die spektrale Information der Überschussladungsträger verändern könnte, wird die Metalloberfläche durch eine ultradünne Zwischenschicht passiviert. Die Ergebnisse zeigen, dass es durch die vorliegende starke on-site Coulomb Repulsion zur Aufspaltung des höchsten besetzen molekularen Niveaus in ein besetztes und ein unbesetztes Sub-niveau kommt. Dies widerspricht der seit Jahren etablierten Vorstellung von einem einfach besetzten Niveau in der Bandlücke des neutralen molekularen Halbleiters. Unter zusätzlicher Berücksichtigung der inter-site Coulomb Repulsion zwischen Molekülionen und neutralen Molekülen, sowie der Energieniveau Verbiegung kann schließlich ein vollständiges Bild entwickelt werden, das die etablierte Vorstellung der Energieniveaus von Ladungsträgern in molekularen Halbleitern ersetzen soll. / Understanding the nature of charge carriers in molecular semiconductors, typically termed "polarons", is indispensable for rational material design targeting future superior (opto-)electronic device performance. The present work addresses this fundamental issue to derive a comprehensive picture of polarons in organic semiconductors. Conceptual work is dedicated to identifying a sample structure, which allows both, deliberately generating charged molecules and applying the complementary photoemission techniques X-ray, ultraviolet and inverse photoelectron spectroscopy in order to assess the polaron energetics. The sample concept is based on the fact that molecular layers exhibiting an ionization energy lower than the work function of the supporting substrate show Fermi-level pinning. There, as the substrate Fermi-level is moved into the occupied density of states of the molecular adsorbate, electron transfer occurs from the molecules to the substrate. Because strong electron coupling between molecules and eg. metal surfaces might mask or alter the spectral information of excess charge carriers, such interaction needs to be inhibited by implementation of an ultrathin passivating interlayer. The comprehensive results provide evidence that the highest occupied molecular orbital level is split into an upper unoccupied and a lower occupied sub-level due to strong on-site Coulomb interaction. This finding is in marked contrast to what has been assumed for decades, where a singly occupied level was proposed to lie within the gap of the neutral molecular semiconductor. Moreover, taking into account the inter-site Coulomb interaction between molecular cations and surrounding neutral molecules, as well as energy-level bending, finally, a complete picture of the energetics associated with polarons in molecular semiconductors could be derived, which aims at replacing common perceptions.

Hybride anorganische/organische Systeme (HIOS) sind von großem Interesse für Grundlagenforschung und neue (opto)-elektronische Bauteile. Um effiziente Bauteile zu entwickeln, ist ein Verständnis der Energielevelanordnung (ELA) an der Grenzfläche von entscheidender Bedeutung. Es wird demonstriert, wie Oberflächen mit heterogener Austrittsarbeit die Resultate von ultravioletter Photoelektronenspektroskopie (UPS) beeinflussen. Durch den Vergleich experimenteller Daten mit Berechnungen zeigt sich, dass das lokale elektrostatische Potential oberhalb der Oberfläche zur Ausbildung einer zusätzlichen Energiebarriere für Elektronen über Bereichen mit niedriger Austrittsarbeit führt, was die gemessene Sekundärelektronenkante zu höheren kinetischen Energien verschiebt. Der Einfluss von Streifengröße und experimentellen Parametern wird theoretisch und experimentell gezeigt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, wie man dünne organische Donator/Akzeptor Zwischenschichten nutzen kann, um die ELA zwischen typischen anorganischen und organischen Halbleitern zu kontrollieren. Die Austrittsarbeit von anorganischen Substraten lässt sich so zwischen 2.2-6.0 eV variieren. Der Einfluss von Zuständen in der Bandlücke des anorganischen Halbleiters auf die Bandverbiegung wird im Detail untersucht und es wird ein Model vorgeschlagen, welches das Pinning des Fermi-Niveaus an diesen Zuständen beschreibt. Es wird experimentell gezeigt, dass die Dotierung des anorganischen Halbleiters kaum Einfluss auf die ELA hat. Weiterhin wird die ELA zwischen dem Übergangsmetall-Dichalcogenid WSe2 und dem organischen Akzeptor C60F48 untersucht. Mit Hilfe von STM und STS Messungen wurde gezeigt, dass C60F48 geschlossene Domänen auf WSe2 bei Bedeckung mit Submonolagen bildet und dass sich die Energielevel von WSe2 drastisch ändern. Durch Auswerten der Potentialänderung als Funktion des Abstandes von einer C60F48 Kante im STS konnte die Thomas-Fermi-Abschirmlänge von WSe2 auf etwa 2 nm bestimmt werden. / Hybrid inorganic/organic systems (HIOS) have attracted a lot of interest for fundamental studies and novel (opto)-electronic devices during the past decade. For developing efficient devices, an understanding and control of the energy level alignment (ELA) at the hybrid interface is of paramount importance. Firstly, it is demonstrated how surfaces with non-uniform local work function influence the measurement results obtained by ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS). By comparing the measured results with calculations, it is found that the electrostatic potential above the surface leads to an additional energy barrier for electrons above low work function areas, shifting the secondary electron cut-off (SECO) to higher kinetic energies in UPS (averaging effect). The influence of pattern size and measurement conditions on the SECO is shown theoretically and experimentally. In the second part it is shown how thin organic donor/acceptor interlayers can be employed to manipulate the ELA between prototypical inorganic and organic semiconductors. The work function of the inorganic substrate can be tuned between 2.2-6.0 eV. The influence of gap states within the inorganic band gap on the band bending change is investigated in detail and a model is proposed, which describes the pinning of the inorganic energy levels as a function of surface state density. It is further shown experimentally that the bulk doping concentration of the inorganic semiconductor has only little effect on the energetic alignment. Finally, the ELA of the transition metal dichalcogenide monolayer WSe2 with the organic acceptor molecule C60F48 is investigated. Using STM and STS measurements, it is revealed that the C60F48 forms domains on WSe2 in the sub-monolayer regime. By evaluating the potential change as a function of distance from a C60F48 edge in STS, it is possible to derive a value for the Thomas-Fermi screening length of WSe2 of about 2 nm.

Heteroübergänge, die aus (in)organischen/(in)organischen Materialien bestehen, spielen eine entscheidende Rolle für die Leistung optoelektronischer Bauteile. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt hauptsächlich auf der elektronischen Struktur dieser Heteroübergänge, insbesondere der Ausrichtung der Energieniveaus (ELA) an verschiedenen Heteroübergangsschnittstellen, die mit Photoelektronenspektroskopie gemessen wird. Zusätzlich wird die Geräteleistungen mit den PES-Ergebnissen verglichen, um weitere Verbesserung zu ermöglichen. MoOx/n-Si und PEDOT:PSS/n-Si Heteroverbindungen sind aktive Schichten von Solarzellen und mit PES kann direkt, die Groessen der Bandverbiegung auf der n-Si-Seite gemessen werden. Obwohl die Bandverbiegung für einen MoOx/n-Si-Heteroübergang (0,80 eV) größer ist als die von PEDOT:PSS/n-Si (0,71 eV), weisen die entsprechenden Solarzellen (MoOx/n-Si) aufgrund der mangelhaften Passivierung von n-Si und der geringeren Dünnschichtleitfähigkeit von MoOx einen schlechteren Wirkungsgrad (auf. Die Untersuchung der elektronischen Struktur Duenner Schichten aus Perowskit (CH3NH3PbI3) oder Vanadiumdioxid zeigt, dass die Austrittsarbeit durch die Oberflächenkomponenten dramatisch beeinflusst werden kann, wodurch die ELA mit dem prototypischen organischen Lochtransportmaterial N,N′-di(1-naphthyl)-N,N′-diphenylbenzidin (NPB) variiert wird. Bei den CH3NH3PbI3-Dünnschichten, die mit verschiedenen Methoden hergestellt werden, korreliert das Verhältnis der beiden Kohlenstoffarten auf der Oberfläche mit der Variation der Austrittsarbeit. Wie bei der VO2-Oberfläche kann die Austrittsarbeit durch Ändern des Verhältnisses von Sauerstoff und Vanadium auf der Oberfläche von 4,4 eV auf 6,7 eV abgestimmt werden. Belege für eine starke Ferminiveau-Pinning und die damit verbundene Energieniveaubiegung in NPB finden sich für stöchiometrisches VO2 (WF=6,7 eV), wodurch ein ohmscher Kontakt für Löcher entsteht, der als Lochinjektionskontakt in Bauteilen verwendet werden kann. / Heterojunctions, comprised by (in)organic/(in)organic materials, play a crucial role in determining the performance of optoelectronic devices. The focus of this work is mainly on the electronic structure of heterojunctions present in the optoelectronic devices, in particular the energy level alignment (ELA) at different heterojunction interfaces, by employing photoelectron spectroscopy (PES). Furthermore, interface energetics are correlated with the device performances in order to guide the future improvement. MoOx/n-Si and PEDOT:PSS/n-Si heterojunctions are active layers in solar cells and PES measurements give direct band bending magnitudes generated at the n-Si. Even though the band bending magnitude of the MoOx/n-Si heterojunction (0.80 eV) is larger than that of the PEDOT:PSS/n-Si (0.71 eV), the corresponding solar cells (MoOx/n-Si) show inferior power conversion efficiency (PCE), due to the deficient passivation of n-Si and lower thin film conductivity of MoOx. The investigations of electronic structure of perovskite (CH3NH3PbI3) and vanadium dioxide (VO2) thin films show that the work function can be dramatically affected by the surface components, which subsequently varies the ELA with the deposited prototypical organic hole transport material N,N′-di(1-naphthyl)-N,N′-diphenylbenzidine (NPB). As for the CH3NH3PbI3 thin films fabricated by different methods, the ratio of the two C 1s species (CH3NH3+ and CH3+) on the surface correlates with variation of the work function. As for the VO2 thin film, the work function can be tuned from 4.4 eV to 6.7 eV by changing the ratio of oxygen and vanadium on the surface. Evidence for strong Fermi-level pinning and the associated energy-level bending in NPB is found for the clean and stoichiometric VO2 (WF=6.7 eV), rendering an Ohmic contact for holes, which can be utilized as a hole injection contact into the devices.

Photochrome Schalter (Photoschalter), wie Diarylethene (DAEs), Dihydropyrole (DHPs), Azobenzole und Spiropyrane sind für die Entwicklung von photoschaltbaren multifunktionalen Geräten interessant. Daher beschäftigt sich ein Großteil dieser Dissertation mit der Untersuchung der grundlegenden elektronischen Eigenschaften von Photoschaltern, u.a. Dipolmoment und Grenzniveaus. Ein besonderer Fokus liegt auf der dynamischen Anpassung der Energienieveaus zwischen den (in)organischen Halbleitern und den Photoschaltern mit externen Stimuli (z. B. Licht, Wärmeenergie). Zuerst werden die elektronischen Änderungen von DAE-Photoschaltern bei Lichtbeleuchtung durch direkt und inverse Photoemissionsspektroskopie und Dichtefunktionaltheorie nachgewiesen. Beispielsweise zeigt das höchste besetzte Molekülorbital (HOMO) von DAE-Dünnfilmen eine Differenz von 800 meV zwischen ihren beiden isomeren Zuständen. Mit diesen lichtgesteuerten Eigenschaften werden dann DAE-Moleküle verwendet, um die elektronische Struktur an Grenzflächen mit organischen und anorganischen Komponenten (z. B. P3HT, N2200, ZnO, ITO) zu modifizieren. Es wird gezeigt, dass DAE-Moleküle bei Lichtbeleuchtung die Energieniveauanordnung an der Grenzfläche um Hunderte von meV dynamisch und reversibel ändern können. Um Erkenntnisse über mehrere stimulationsinduzierte Schaltungen, z. B. Licht und Wärme, zu erhalten, wird hierfür ein Photoschalter Pyridyl-DHP (Py-DHP) vom T-Typ synthetisiert, da Py-DHP mit Licht in eine Richtung geschaltet und mit Wärmebehandlung zurückgeschaltet werden kann. Es hat sich herausgestellt, dass die schaltinduzierten elektronischen Änderungen durch ein Fermi-Level-Pinning aufgrund der Anwesenheit von molekularen Dipolen beeinflusst werden. Diese Studien bieten eine solide Grundlage für die Verwendung von Photoschaltern zur dynamischen Änderung der Energielevelanordnung und werden die Entwicklung verbesserter photoschaltbarer (opto-)elektronischer Geräte unterstützen. / Photochromic switches (photoswitches) such as diarylethenes (DAEs), dihydropyrenes (DHPs), azobenzenes and spiropyrans have attracted increasing interest for the development of photoswitchable multifunctional devices. The present work of this thesis is to investigate the fundamental electronic properties of photoswitches, i.e., dipole moment, and frontier levels. Particular focus is on dynamically tuning the frontier level alignment between the (in)organic semiconductors and photoswitches with external stimuli (e.g., light, heat). First, the electronic changes of DAE photoswitches upon light illumination are evidenced by direct and inverse photoemission spectroscopy together with density functional theory calculations, for example, the highest occupied molecular orbital (HOMO) of DAE thin films exhibits an 800 meV difference between their two isomeric states. With these light-controlled properties, DAE molecules are then employed to modify the electronic structure at interfaces with organic and inorganic components (e.g., P3HT, N2200, ZnO, ITO). It is proved that upon light illumination DAE molecules can indeed dynamically and reversibly switch the interface frontier level alignment by hundreds of meV. To obtain knowledge on multiple stimuli-induced switchings, e.g., light and heat, a T-type photoswitch pyridyl-DHP (Py-DHP) is synthesized for this purpose, since Py-DHP can be switched with light in one direction and switched back with heat treatment. It is found that, the switching-induced electronic changes are impacted by a Fermi level pinning due to the presence of molecular dipoles. These studies provide a solid basis for the use of photoswitches for dynamically manipulating energy level alignment, and will aid the development of improved photoswitchable (opto-)electronic devices.

Diese Arbeit behandelt elektronische und strukturelle Eigenschaften dünner Schichten aus konjugierten organischen Molekülen (COMs), aufgebracht auf Metalloberflächen per Vakuum-Sublimation. Diese Eigenschaften sind essenziell für Funktionsrealisierung und -optimierung organischer Elektronikbauteile. Teil 1 diskutiert zwei Ansätze zur Energieniveauanpassung (ELA) an Organik-Metall-Grenzflächen zur Einstellung der dortigen Löcherinjektionsbarrieren (HIBs) durch (Über-)Kompensation des abträglichen "Push-back"-Effekts: - Ausnutzung der besonderen ELA bei Chalkogen-Metall-Bindungen, hier gezeigt mit Hilfe von Röntgen- und Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS/XPS) für ein Seleno-funktionalisiertes COM - Einfügen von COMs mit ausgeprägtem Elektronen-Akzeptorcharakter vor dem Aufbringen der aktiven Schicht. UPS-Messungen zeigen, dass beide Ansätze HIBs von ca. 0.3 eV ermöglichen. Teil 2 untersucht ausgewählte organische Heterostrukturen auf Metallen. Die Untersuchungen identifizieren einen Ladungstransfer vom Metall zur Überschicht (MOCT) als verantwortlich dafür, das System bei Ferminiveau-Pinning in den Gleichgewichtszustand zu überführen. Detaillierte Untersuchungen gestatten die Identifikaton von ganzzahligem Ladungstransfer zu einem Teil der Moleküle in der ersten Überschichtlage und den Einfluss der Dipol-Abstoßung in der Überschicht. In Teil 3 dienen Metalloberflächen als Auflage für supramolekulare Architekturen mit dipolaren Bausteinen. Rastertunnelmikroskopie (STM) an einer Serie von teils partiell fluorierten, stäbchenförmigen COMs mit unterschiedlich großen Dipolmomenten ermöglicht die Entflechtung von Dipol-Dipol- und konkurierenden Wechselwirkungen physisorbierter Submonolagen auf Ag(111). Ein anderes, stark dipolares COM bildet bei Monolagenbedeckung auf Au(111) sechs Phasen, alle mit antiferroelektrischer Einheitszellen. UPS-Messungen ergeben eine bevorzugte Ausrichtung der Moleküle in Multilagen. / In this thesis, the electronic and structural properties of thin films of conjugated organic molecules (COMs) vacuum-deposited on metal surfaces are studied. These properties are essential for realization and optimization of device functionalities in the field of organic electronics. Part 1 discusses two approaches for engineering the energy-level alignment (ELA), and, thereby, optimizing hole injection barriers (HIBs), at organic/metal interfaces via (over)compensation of the detrimental "push-back": - Exploiting the peculiar ELA at chalcogen-metal bonds, shown here (with X-ray and ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS/XPS) for a seleno-functionalized COM - inserting electron-accepting COMs prior to deposition of active layers. UPS shows that both approaches realize HIBs into the active COM as low as 0.3 eV. Part 2 studies selected organic/organic heterostructures on metal surfaces. These studies allow to propose that metal to overlayer charge transfer (MOCT), is responsible for achieving electronic equilibrium when such systems are Fermi-level pinned. Detailed investigations allowed identifying integer charge transfer to a fraction of the molecules in the first overlayer and the influence of the dipole-repulsion on the overlayer. In Part 3, metal surfaces are used as support for supramolecular architecture with polar building blocks. Scanning tunneling microscopy (STM) of a series of rod-like COMs with and without partial fluorination and with different dipole moments help disentangling the delicate balance dipole-dipole and competing interactions for sub-monolayer films physisorbed on Ag(111). For another, highly-polar COM at ca. monolayer coverage on Au(111), STM identifies six phases. All phases are found to exhibit anti-ferroelectric unit cells. UPS evidences a preferential alignment of multilayer molecules.

Photoelectron spectroscopy is an experimental method to study the electronic structure in matter. In this thesis, a combination of soft and hard X-ray based photoelectron spectroscopy has been used to obtain atomic level understanding of electronic structures and energy level alignments in mesoscopic solar cells. The thesis describes how the method can be varied between being surface and bulk sensitive and how to follow the structure linked to particular elements. The results were discussed with respect to the material function in mesoscopic solar cell configurations. The heart of a solar cell is the charge separation of photoexcited electrons and holes, and in a mesoscopic solar cell, this occurs at interfaces between different materials. Understanding the energy level alignment between the materials is important for developing the function of the device. In this work, it is shown that photoelectron spectroscopy can be used to experimentally follow the energy level alignment at interfaces such as TiO2/metal sulfide/polymer, as well as TiO2/perovskite. The electronic structures of two perovskite materials, CH3NH3PbI3 and CH3NH3PbBr3 were characterized by photoelectron spectroscopy and the results were discussed with support from quantum chemical calculations. The outermost levels consisted mainly of lead and halide orbitals and due to a relatively higher cross section for heavier elements, hard X-ray excitation was shown useful to study the position as well as the orbital character of the valence band edge. Modifications of the energy level positions can be followed by core level shifts. Such studies showed that a commonly used additive in mesoscopic solar cells, Li-TFSI, affected molecular hole conductors in the same way as a p-dopant. A more controlled doping can also be achieved by redox active dopants such as Co(+III) complexes and can be studied quantitatively with photoelectron spectroscopy methods. Hard X-rays allow studies of hidden interfaces, which were used to follow the oxidation of Ti in stacks of thin films for conducting glass. By the use of soft X-rays, the interface structure and bonding of dye molecules to mesoporous TiO2 or ZnO could be studied in detail. A combination of the two methods can be used to obtain a depth profiling of the sample.

Über die besonders hohe Effizienz von Halid-Perowskit (HaP)-basierten optoelektronischen Bauteilen wurde bereits in der Literatur berichtet. Um die Entwicklung dieser Bauteile voranzutreiben, ist ein umfassendes und verlässliches Verständnis derer elektronischen Struktur, sowie der Energielevelanordnung (ELA) an HaP Grenzflächen von größter Bedeutung. Demzufolge beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Untersuchung i) der Bandstruktur von Perowskit-Einkristallen, um ein solides Fundament für die Darlegung der elektronischen Eigenschaften von polykristallinen Dünnschichten zu erarbeiten, und mit ii) den Einflüssen von Oberflächenzuständen auf die elektronische Struktur der Oberfläche, sowie deren Rolle bei der Kontrolle von ELA an HaP Grenzflächen. Die Charakterisierung erfolgt überwiegend mithilfe von Photoelektronenspektroskopie (PES) und ergänzenden Messmethoden wie Beugung niederenergetischer Elektronen an Oberflächen, UV-VIS-Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Kelvin-Sonde. Erstens weist die Banddispersion von zwei prototypischen Perowskit-Einkristallen eine starke Dispersion des jeweiligen oberen Valenzbandes (VB) auf, dessen globales Maximum in beiden Fällen am R-Punkt in der Brillouin-Zone liegt. Dabei wird eine effektive Lochmasse von 0.25 m0 für CH3NH3PbBr3, bzw. von ~0.50 m0 für CH3NH3PbI3 bestimmt. Basierend auf diesen Ergebnissen werden die elektronischen Spektren von polykristallinen Dünnschichten konstruiert und es wird dadurch aufgezeigt, dass eine Bestimmung der Valenzbandkantenposition ausgehend von einer logarithmischen Intensitätsskala aufgrund von geringer Zustandsdichte am VB Maximum vorzuziehen ist. Zweitens stellt sich bei der Untersuchung der elektronischen Struktur von frisch präparierten Perowskit-Oberflächen heraus, dass die n-Typ Eigenschaft eine Folge der Bandverbiegung ist, welche durch donatorartige Oberflächenzustände hervorgerufen wird. Des Weiteren weisen die PES-Messungen an Perowskiten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen aufgrund von Oberflächenphotospannung eine Anregungslichtintensitätsabhängigkeit der Energieniveaus von bis zu 0.7 eV auf. Darüber hinaus wird die Kontrolle von ELA durch gezielte Variation der Oberflächenzustandsdichte gezeigt, wodurch sich unterschiedliche ELA-Lagen (mit Abweichungen von über 0.5 eV) an den Grenzflächen mit organischen Akzeptormolekülen erklären lassen. Die vorliegenden Ergebnisse verhelfen dazu, die starke Abweichung der in der Literatur berichteten Energieniveaus zu erklären und somit ein verfeinertes Verständnis des Funktionsprinzips von perowskit-basierten Bauteilen zu erlangen. / Optoelectronic devices based on halide perovskites (HaPs) and possessing remarkably high performance have been reported. To push the development of such devices even further, a comprehensive and reliable understanding of their electronic structure, including the energy level alignment (ELA) at HaPs interfaces, is essential but presently not available. In an attempt to get a deep insight into the electronic properties of HaPs and the related interfaces, the work presented in this thesis investigates i) the fundamental band structure of perovskite single crystals, in order to establish solid foundations for a better understanding the electronic properties of polycrystalline thin films and ii) the effects of surface states on the surface electronic structure and their role in controlling the ELA at HaPs interfaces. The characterization is mostly performed using photoelectron spectroscopy, together with complementary techniques including low-energy electron diffraction, UV-vis absorption spectroscopy, atomic force microscopy and Kelvin probe measurements. Firstly, the band structure of two prototypical perovskite single crystals is unraveled, featuring widely dispersing top valence bands (VB) with the global valence band maximum at R point of the Brillouin zone. The hole effective masses there are determined to be ~0.25 m0 for CH3NH3PbBr3 and ~0.50 m0 for CH3NH3PbI3. Based on these results, the energy distribution curves of polycrystalline thin films are constructed, revealing the fact that using a logarithmic intensity scale to determine the VB onset is preferable due to the low density of states at the VB maximum. Secondly, investigations on the surface electronic structure of pristine perovskite surfaces conclude that the n-type behavior is a result of surface band bending due to the presence of donor-type surface states. Furthermore, due to surface photovoltage effect, photoemission measurements on different perovskite compositions exhibit excitation-intensity dependent energy levels with a shift of up to 0.7 eV. Eventually, control over the ELA by manipulating the density of surface states is demonstrated, from which very different ELA situations (variation over 0.5 eV) at interfaces with organic electron acceptor molecules are rationalized. Our findings further help to explain the rather dissimilar reported energy levels at perovskite surfaces and interfaces, refining our understanding of the operational principles in perovskite related devices.

Το ερευνητικό ενδιαφέρον για τους οργανικούς ημιαγωγούς είναι συνεχώς αυξανόμενο τα τελευταία χρόνια, καθώς η αγορά των οργανικών ηλεκτρονικών είναι από τις πιο αναπτυσσόμενες. Για την καλή απόδοση των διατάξεων αυτών σημαντικός είναι ο ρόλος των διεπιφανειών. Οι οικογένειες των n-type οργανικών ημιαγωγών naphthalene bisimides και perylene bisimides έχουν δείξει καλές αποδόσεις σε οργανικά τρανζίστορ. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν οι διεπιφάνειες νέων οργανικών ημιαγωγών από τις παραπάνω οι οικογένειες οργανικών πάνω σε ανόργανα υποστρώματα με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων. Μελετήθηκε ο σχηματισμός λεπτών υμενίων, πάχους έως τα 10 nm, τριών naphthalene οργανικών ημιαγωγών με διαφορετικό ενεργειακό χάσμα πάνω στον χρυσό και ενός perylene πάνω σε χρυσό και SiO2. Σκοπός ήταν να προσδιοριστεί η επίδραση των διαφορετικών υποκαταστατών του κεντρικού πυρήνα των naphthalene bisimides, στα ενεργειακά χαρακτηριστικά του ημιαγωγού και τα φράγματα έγχυσης των φορέων στην διεπιφάνεια με τον χρυσό. Ο τρόπος ανάπτυξης των όλων των οργανικών ημιαγωγών προσδιορίστηκε ως πολλαπλά στρώματα. Σε μια περίπτωση εντοπίστηκε ότι αλλάζει από οριζόντιο σε κάθετο ο προσανατολισμός των μορίων. Προσδιορίστηκαν όλα τα μεγέθη που χαρακτηρίσουν ενεργειακά την διεπιφάνεια. Συγκεκριμένα, σε όλες τις διεπιφάνειες εμφανίζεται ένα διεπιφανειακό δίπολο λόγω της αναδιάταξης του ηλεκτρονιακού νέφους της επιφάνειας του χρυσού από τα μόρια του οργανικού. Επίσης, οι τιμές των φραγμάτων έγχυσης των ηλεκτρονίων που υπολογίστηκαν είναι αρκετά μικρές που δείχνουν το n-type χαρακτήρα των οργανικών. Οι τιμές του δυναμικού ιονισμού που υπολογίστηκαν ήταν όλες μεγαλύτερες του 5, που είναι προϋπόθεση για τα τρανζίστορ να είναι σταθερά στον αέρα, ενώ σε μια περίπτωση η τιμή ήταν αρκετά μικρή, που δείχνει ότι ο συγκεκριμένος οργανικός ημιαγωγός μπορεί να έχει ambipolar χαρακτηριστικά. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο χρυσός μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά ως ηλεκτρόδιο σε τρανζίστορ με n-type οργανικούς ημιαγωγούς. Τέλος, από τα αποτελέσματα τονίστηκε ότι με την υποκατάσταση χημικών ομάδων στον κεντρικό πυρήνα του naphthalene, μια εύκολη διαδικασία, είναι δυνατόν να οδηγηθεί ενεργειακά η διεπιφάνεια προς την επιθυμητή κατεύθυνση. / In the recent years the interest on organic semiconductors is increased as the market of organic electronics is one of most promising. The interfaces between the organic semiconductors with metals or other materials are crucial for the performance of the devices. The study of interfaces by surface sensitive techniques could give useful information for the physics of metal-organic contacts and therefore it is possible the tuning and the improvement of the device performance. The n-type organic semiconductors derivatives of naphthalene bisimides and perylene bisimides, have shown good performance in OFETs. In this work, the interfaces of new synthesized naphthalene bisimides and perylene bisimides molecules with inorganic substrates have been studied by photoelectron spectroscopies. Thin films up to 10 nm thickness of three naphthalene organic semiconductors of different energy gap on Au substrates have been studied. The aim was to investigate the effect of the different substituents of the naphthalene core on the energy characteristics of the organic semiconductors and on the charge injection barriers at the interface. Moreover, the interface of one perylene n-type semiconductor deposited on Au and SiO2 was studied in order to examine the influence of the substrate on the growth mode and the electronic properties. The growth mode of all the organic semiconductors was characterized as simultaneous multilayers. In one case, the orientation of the organic molecules was changed from horizontal to vertical to the surface. In all the interfaces an interface dipole is formed during the early stage of deposition which is attributed to the reorganization of the electron cloud of the Au surface by the organic molecules when they are deposited on Au. The hole and electron injection barriers were also determined. The electron injection barriers were found to be small which indicates the n-type character of these organic molecules. In addition, the results displayed that the Au can be used efficiently as electrode in devices with these organic semiconductors. The ionization potentials of the organic semiconductors were measured and found to be above 5 eV for all and therefore, they are suitable for air-stable transistors. In the case of one organic semiconductor the ionization potential was measured close to the value of five. Thus, this organic semiconductor is suitable for ambipolar transistors. The valance band characteristics near the HOMO, as detected by the UPS spectra, showed that they are affected by the different substituents on the side groups of the imide. These results have shown that changing the substituents of the organic core, which is an easy process; it is possible to tune the energy levels and the electronic characteristics of the interface.