Der thermische Widerstand ist eine wichtige Kenngröße von Silicium-Germanium-Hetero-Bipolartransistoren (SiGe-HBTs). Bisher kam es bei der quantitativen Bestimmung der thermischen Widerstände von SiGe-HBTs zu deutlichen Abweichungen zwischen Simulation und Messung. Der Unterschied zwischen Simulation und Messung betrug bei den untersuchten HBTs mehr als 30 Prozent. Diese Arbeit widmet sich der Aufklärung und Beseitigung der möglichen Ursachen hierfür. Zu diesem Zweck werden als erstes die Messmethoden analysiert. Es zeigt sich, dass die bisher verwendete Extraktionsmethode sensitiv auf den Early-Effekt (Basisweitenmodulation) reagiert. Im Rahmen der Untersuchungen wurde ein neues Extraktionsverfahren entwickelt. Die neue Extraktions­methode ist unempfindlich gegenüber dem Early-Effekt. Mit Bauelemente­simulationen wird erstmalig die Wirkung des Seebeck-Effektes (Thermospannungen) auf die elektrisch extrahierten thermischen Widerstände demonstriert. Der Seebeck-Effekt bewirkt, dass die elektrisch extrahierten thermischen Widerstände der untersuchten HBTs nahezu 10 Prozent kleiner als die erwarteten Werte sind. Dieser Effekt wurde bisher nicht beachtet und wird hier erstmals nachgewiesen. Weiterhin wird die Abhängigkeit des thermischen Widerstandes vom Arbeitspunkt untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass bis zu einer Basis-Emitter-Spannung von 0,91 Volt die geometrische Form des Wärme abgebenden Gebietes unabhängig vom Arbeitspunkt ist. Anhand von Messungen wird gezeigt, dass die Dotierung die spezifische Wärmeleitfähigkeit von Silicium reduziert. Die Abnahme wird für Dotierungen größer als 1*1019 cm‑3 deutlich sichtbar. Ist die Dotierung größer als 1*1020 cm‑3, beträgt die Abnahme der spezifischen Wärmeleitfähigkeit mehr als 75 Prozent. Mithilfe einer Simulatorkalibrierung wird die spezifische Wärmeleitfähigkeit als Funktion der Dotierung bestimmt. Die erhaltene Funktion kann künftig beim thermischen Entwurf von HBTs verwendet werden. Somit können zukünftig genauere Vorhersagen zum thermischen Widerstand der HBTs gemacht werden. Dies ermöglicht zuverlässigere Aussagen darüber, wie Änderungen des Transistordesigns zur Minimierung des thermischen Widerstandes beitragen. / The thermal resistance is an important parameter of silicon-germanium heterojunction bipolar transistors (SiGe HBTs). Until now, the quantitative determination of the thermal resistance showed significant differences between measurements and simulations. The difference between simulation and measurement of the investigated HBTs was more than 30 percent. This thesis devotes the clarification and elimination of potential sources for it. For this purpose, the measurement methods are analyzed at first. It is shown, that the currently used extraction method is sensitive to the Early effect (basewidth modulation). A now extraction method was developed, which is not sensitive to the Early effect. For the first time, the influence of the Seebeck effect (thermoelectric voltages) on the electrically extracted thermal resistance is shown by device simulations. The Seebeck effect leads to a 10 percent lower extracted thermal resistances compared to the expected values of the investigated HBTs. This effect was not taken into account up to now and is demonstrated here for the first time. Furthermore, the dependence of the thermal resistance on the operating point was investigated. The results show that the shape of the heat source is independent of the operating point if the base emitter voltage is smaller than 0.91 volt. The thermal conductivity of silicon is decreased by increasing doping concentrations. This is shown by measurements. The reduction of the thermal conductivity is well observable for doping concentrations higher than 1*1019 cm‑3. For doping concentration higher than 1*1020 cm‑3 the reduction amounts to more than 75 percent. The thermal conductivity was determined as a function of the doping concentration with the aid of a simulator calibration. This function can be used in the future thermal design of HBTs. It facilitates the optimization of the HBTs with respect to a minimal thermal resistance.

Broadening the spectrum available to solar cells towards infrared wavelengths is one way to increase efficiency of organic solar devices. This thesis explores the possibilities of these organic heterojunction devices and two different material classes in thin films and organic solar devices: tin phthalocyanines (SnPcs) and aza-bodipys. To estimate the efficiency reachable under sunlight, model calculations are done for single and tandem cells. These calculations include a distinction between the optical gap and the electrical gap and the splitting of the quasi-Fermi levels. With a number of assumptions, e.g. a fill factor (FF) and an external quantum efficiency (EQE) within the absorption range of 65%, the resulting efficiencies are 15% in a single cell and of 21% in a tandem cell. Halogenation is known to lower the energy levels of molecules without chang-ing the optical band gap. Three different fluorinated and chlorinated SnPcs are investigated and compared to the neat SnPc. While chlorination of SnPc worsens the transport properties of the active layer leading to a lowered FF, the fluorina-tion of SnPc results in the intended increase in VOC and, consequently, efficiency for planar heterojunctions. In bulk heterojunction, however, fluorination does not change the efficiency probably due to the unstably bound fluorine. One method to modify the ionization potential (IP) and the absorption of the second material class, the aza-bodipys, is the annulation of the benzene ring. The energy levels determined by CV and UPS measurement and DFT-calculation show very good agreement and can be linked to a decrease in VOC: The Ph4-bodipy (not benzannulated) device has an efficiency of 1.2% with an EQE reaching up to 800nm and a VOC of almost 1V. The Ph2-benz-bodipy device shows a Voc of 0.65V and an efficiency of 1.1%, the EQE reaching up to 860nm. The variation of the molecule’s end groups to vary their IP is successfully employed for three different benz-bodipys: The variation results in a decrease of the optical gap from 1.5eV for the phenyl group, to 1.4eV for the MeO group, and 1.3eV for the thiophene group with the effective gap and the VOC following this trend. Efficiencies of 1.1% and 0.6% in combination with C60 can be reached in mip-type devices. Ph2-benz-bodipy is then optimized into a single cell with an efficiency of 2.9%. In a tandem cell with DCV6T-Bu4:C60, a Voc of 1.7V, a FF of 57% and an efficiency of 5% is reached. / Die Erweiterung des verfügbaren Spektrums in den Infrarotbereich ist eine Möglichkeit, die Effizienz organischer Solarzellen zu erhöhen. Diese Arbeit erkundet das Potential dieser Heteroübergänge und zwei Materialklassen in dünnen Schichten und Bauelementen: Zinnphthalozyanine (SnPc) und aza-Bodipys. Um die potentielle Effizienz abzuschäötzen, werden Modellberechnungen für Einzel- und Tandemzellen durchgeführt, unter Berücksichtigung des Unterschieds von optischer und elektrischer Bandlücke und der Quasiferminiveauaufspaltung. Mithilfe einiger Annahmen (z.B. Füllfaktor (FF) und externe Quanteneffizienz (EQE) gleich 65%) lässt sich die Einzelzelleffizienz auf 15%, die Tandemzelleffizienz auf 21% abschätzen. Halogenierung kann die Energieniveaus organischer Moleküle herabsetzen, ohne die optische Bandlücke zu verändern. Drei verschiedene chlorierte und fluorierte SnPcs werden mit dem reinen SnPc verglichen. Während die Chlorierung die Transporteigenschaften der aktiven Schicht und den FF verschlechtern, erhöht die Fluorierung wie erwartet Leerlaufspannung (VOC) und Effizienz im flachen Übergang, nicht jedoch in der Mischschicht, vermutlich aufgrund des nicht stabil gebundenen Fluors. Ein Weg, Ionisationspotential (IP) und Absorption der aza-Bodipy zu verändern, ist die Anelierung des Benzenrings. Die durch CV und UPS ermittelten und mittels DFT errechneten Energieniveaus stimmen gut überein und führen zu einer Verringerung der VOC: Die Zelle mit nichtaniliertem Ph4-bodipy zeigt eine Effizienz von 1.2%; das EQE reicht bis 800nm, die VOC beträgt fast 1V. Die Ph2-benz-bodipy-Zelle zeigt eine VOC von 0.65V und eine Effizienz von 1.1%, das EQE reicht bis 860nm. Der Austausch der Endgruppen zur Vergrößerung des IP, erfolgreich angewandt auf drei Benz-Bodipy-Verbindungen, führt zu einer Verringerung der optischen Bandlücke: von 1.5eV (Phenyl) über 1.4eV (MeO) zu 1.3eV (Thiophen); effektive Bandlücke und Voc folgen diesem Trend. Effizienzen von 1.1% und 0.6% in Kombination mit C60 werden in mip-Zellen erreicht. Ph2-benz-bodipy zeigt in einer optimierten nip-Zelle sogar eine Effizienz von 2.9%. Eine Tandemzelle mit DCV6T-Bu4:C60 zeigt eine Voc von 1.7V, einen FF von 57% und eine Effizienz von 5%.

Semiconductors such as CuInGaSe2 and CdTe have been investigated as absorber layer materials for thin film solar cells since their band gap matches with the solar spectrum. Films as thin as 2m are sufficient for the absorption of the visible part of solar radiation, because they are characterized by a high absorption coefficient. However, the scarcity and high costs of Indium, Gallium and Tellurium have led to concerns on the sustainability of these technologies. The semiconductor Cu2ZnSnS4 (Copper Zinc Tin Sulphide) consisting of abundantly available elements promises to be an excellent photovoltaic absorber material. The present study is focused on the growth and characterization of CZTS/ZnS thin film heterostructure suitable for PV applications. Ultrasonic Spray Pyrolysis (USP), a variation of Spray Pyrolysis is a thin film deposition technique where the solution to be sprayed is atomized by ultrasonic frequencies. The details of the USP experimental set up and the deposition principle are presented in the thesis. The active layers of the solar cell, viz. the CZTS absorber layer and ZnS emitter layer were grown by this technique. The metal top contact was deposited using e-beam evaporation. The effects of copper concentration and sodium diffusion on the Cu2ZnSnS4 film properties were investigated. The films have shown preferred orientation along (112) direction confirming kesterite structure. The optical studies revealed that a reduction of copper in the films will bring the band gap energy to 1.5eV, which will match with the solar spectrum. Sodium diffusion in the CZTS films is found to passivate the grain boundaries and enhance the electrical conductivity. These properties render CZTS films as good photovoltaic absorber layers. ZnS has a high band gap and is non toxic unlike CdS. The influences of variation in substrate temperature and spray duration on the ZnS film properties were examined. The optical studies conducted on ZnS films revealed that they are highly transparent in the visible region of the solar spectrum. The films were found to possess a band gap of 3.5 eV. These properties make them potential candidates as solar cell emitter layers. The CZTS/ZnS heterojunction solar cell was fabricated and subjected to electrical characterization in dark and illuminated conditions. A conversion efficiency of 1.16% was achieved for the device.

Currently conventional sources like coal, petroleum and natural gas meet the energy requirements of developing and undeveloped countries. Over a period of time there is high risk of these energy sources getting depleted. Hence an alternate source of energy i.e. renewable energy is the need of the hour. The advantages of renewable energy like higher sustainability, lesser maintenance, low cost of operation, and minimal impact on the environment make the role of renewable energy sources significant. Out of the various renewable energy sources like solar energy, wind energy, hydropower, biogas, tidal and geothermal, usage of solar energy is gradually increasing. Among various solar energy sources, Photovoltaics has dominated over the past two decades since it is free clean energy and availability of abundant sunlight on earth. Over the past few decades, thin film solar cells (TFSC) have gained considerable interest as an economically feasible alternative to conventional silicon (Si) photovoltaic devices. TFSCs have the potential to be as efficient as Si solar cells both in terms of conversion efficiency as well as cost. The advantages of TFSC are that they are easy to prepare, lesser thickness, requires lesser materials, light weight, low cost and opto-electronic properties can be tuned by varying the process parameters. The present study is focused on the fabrication of AgInS2/ZnS heterojunction thin film solar cell. AgInS2 absorber layer is deposited using both vacuum (sputtering/sulfurization) and non-vacuum (ultrasonic spray pyrolysis) techniques. ZnS window layer is prepared using thermal evaporation technique, detailed experimental investigation has been conducted and the results have been reported in this work. The thesis is divided into 6 chapters. Chapter 1 gives general introduction about solar cells and working principle of solar cell. It also discusses thin film solar cell technology and its advantages. Layers of thin film solar cell structure, Significance of each layers and possible materials to be used are emphasized. A detailed overview of the available literature on both AgInS2 absorber layer and ZnS window layer has been presented. Based on the literature review, objectives of the present work are defined. Chapter 2 explains the theory and experimental details of deposition techniques used for the growth of AgInS2 and ZnS films. Details of characterization techniques to study film properties are described in detail. Chapter 3 presents a systematic study of AgInS2 thin films deposited by sulfurization of sputtered Ag-In metallic precursors. Initially, AgInS2 films are deposited by varying the substrate temperature and properties of as-deposited films are characterized. Structural, morphological, electrical and optical properties of AgInS2 films are explained. From these studies, samples with better properties at particular substrate temperature are optimized. By fixing the substrate temperature, deposition time of silver is varied by keeping other deposition conditions same and the properties of films are discussed. It was observed that deposition time of silver doesn’t have much impact on structural properties of AgInS2 films. However, opto-electric properties of AgInS2 films are enhanced. Based on characterization studies, deposition time of silver is optimized. Deposition time of indium is varied by keeping substrate temperature and silver deposition to optimized value. The properties of as-deposited films are discussed. Based on the above studies, the optimized p type films have a band gap of 1.64 eV, carrier concentration of 1013 ions/cm3 and Resistivity of order 103 Ω-cm. Chapter 4 presents a systematic study of AgInS2 thin films deposited by ultrasonic spray pyrolysis. AgInS2 films are deposited by varying the substrate temperature and properties of as deposited films are characterized. Structural, morphological, electrical and optical properties of AgInS2 films are explained. From these studies, samples with better properties at particular substrate temperature are optimized. By fixing the substrate temperature, concentration of silver molarity in the precursor solution is varied by keeping other deposition conditions same and the properties of films are discussed. Structural, optical and electrical properties of AgInS2 films are enhanced with the increase in silver concentration. Based on characterization studies, concentration of silver is optimized. Similarly concentration of indium molarity in the precursor solution is varied and the properties of as-deposited films are discussed. Finally, sulfur molarity in the precursor solution is varied and properties of films are discussed. It was observed that increasing sulfur after certain limit does not have any effect on the properties of the films. Based on the above studies, this method resulted in the films with resistivity of 103 Ω-cm and band gap of 1.64 eV. These films showed a carrier concentration of 1013 ions/cm3. Chapter 5 describes the growth of ZnS films using thermal evaporation technique. Influence of thickness on the properties of ZnS films is explained. Samples with good crystallinity, high transmission, and wider gap are selected for device fabrication. This p type layer showed a band gap of 3.52 eV. Solar cells have been fabricated using the AgInS2 films developed by both sputtering and ultrasonic spray pyrolysis techniques. A maximum cell efficiency of 0.92 percent has been achieved for the cell with 0.950 µm thick sputtered AgInS2 layer and thermally evaporated 42 nm thick ZnS layer. In comparison, the ultrasonic spray pyrolysis deposited films gave an efficiency of 0.54 percent. These values are comparable to those mentioned in a couple of reports earlier. Chapter 6 summarizes the conclusions drawn from the present investigations and scope of future work is suggested.

The field of infrared (IR) detector technology has shown vast improvements in terms of speed and performance over the years. Specifically the dynamic range (DR) and sensitivity of detectors showed significant improvements. The most commonly used technique of implementing these IR detectors is the use of charge-coupled devices (CCD). Recent developments show that the newly investigated bipolar complementary metal-oxide semiconductor (BiCMOS) devices in the field of detector technology are capable of producing similar quality detectors at a fraction of the cost. Prototyping is usually performed on low-cost silicon wafers. The band gap energy of silicon is 1.17 eV, which is too large for an electron to be released when radiation is received in the IR band. This means that silicon is not a viable material for detection in the IR band. Germanium exhibits a band gap energy of 0.66 eV, which makes it a better material for IR detection. This research is aimed at improving DR and sensitivity in IR detectors. CCD technology has shown that it exhibits good DR and sensitivity in the IR band. CMOS technology exhibits a reduction in prototyping cost which, together with electronic design automation software, makes this an avenue for IR detector prototyping. The focus of this research is firstly on understanding the theory behind the functionality and performance of IR detectors. Secondly, associated with this, is determining whether the performance of IR detectors can be improved by using silicon germanium (SiGe) BiCMOS technology instead of the CCD technology most commonly used. The Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (SPICE) was used to realise the IR detector in software. Four detectors were designed and prototyped using the 0.35 µm SiGe BiCMOS technology from ams AG as part of the experimental verification of the formulated hypothesis. Two different pixel structures were used in the four detectors, which is the silicon-only p-i-n diodes commonly found in literature and diode-connected SiGe heterojunction bipolar transistors (HBTs). These two categories can be subdivided into two more categories, which are the single-pixel-single-amplifier detectors and the multiple-pixel-single-amplifier detector. These were needed to assess the noise performance of different topologies. Noise influences both the DR and sensitivity of the detector. The results show a unique shift of the detecting band typically seen for silicon detectors to the IR band, accomplished by using the doping feature of HBTs using germanium. The shift in detecting band is from a peak of 250 nm to 665 nm. The detector still accumulates radiation in the visible band, but a significant portion of the near-IR band is also detected. This can be attributed to the reduced band gap energy that silicon with doped germanium exhibits. This, however, is not the optimum structure for IR detection. Future work that can be done based on this work is that the pixel structure can be optimised to move the detecting band even more into the IR region, and not just partially. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2013. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted

A 5 GHz continuous unlicensed bandwidth is available at millimeter-wave (mm-wave) frequencies around 60 GHz and offers the prospect for multi gigabit wireless applications. The inherent atmospheric attenuation at 60 GHz due to oxygen absorption makes the frequency range ideal for short distance communication networks. For these mm-wave wireless networks, the low noise amplifier (LNA) is a critical subsystem determining the receiver performance i.e., the noise figure (NF) and receiver sensitivity. It however proves challenging to realise high performance mm-wave LNAs in a silicon (Si) complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technology. The mm-wave passive devices, specifically on-chip inductors, experience high propagation loss due to the conductivity of the Si substrate at mm-wave frequencies, degrading the performance of the LNA and subsequently the performance of the receiver architecture. The research is aimed at realising a high performance mm-wave LNA in a Si BiCMOS technology. The focal points are firstly, the fundamental understanding of the various forms of losses passive inductors experience and the techniques to address these issues, and secondly, whether the performance of mm-wave passive inductors can be improved by means of geometry optimising. An associated hypothesis is formulated, where the research outcome results in a preferred passive inductor and formulates an optimised passive inductor for mm-wave applications. The performance of the mm-wave inductor is evaluated using the quality factor (Q-factor) as a figure of merit. An increased inductor Q-factor translates to improved LNA input and output matching performance and contributes to the lowering of the LNA NF. The passive inductors are designed and simulated in a 2.5D electromagnetic (EM) simulator. The electrical characteristics of the passive structures are exported to a SPICE netlist which is included in a circuit simulator to evaluate and investigate the LNA performance. Two LNAs are designed and prototyped using the 13μ-m SiGe BiCMOS process from IBM as part of the experimental process to validate the hypothesis. One LNA implements the preferred inductor structures as a benchmark, while the second LNA, identical to the first, replaces one inductor with the optimised inductor. Experimental verification allows complete characterization of the passive inductors and the performance of the LNAs to prove the hypothesis. According to the author's knowledge, the slow-wave coplanar waveguide (S-CPW) achieves a higher Q-factor than microstrip and coplanar waveguide (CPW) transmission lines at mm-wave frequencies implemented for the 130 nm SiGe BiCMOS technology node. In literature, specific S-CPW transmission line geometry parameters have previously been investigated, but this work optimises the signal-to-ground spacing of the S-CPW transmission lines without changing the characteristic impedance of the lines. Optimising the S-CPW transmission line for 60 GHz increases the Q-factor from 38 to 50 in simulation, a 32 % improvement, and from 8 to 10 in measurements. Furthermore, replacing only one inductor in the output matching network of the LNA with the higher Q-factor inductor, improves the input and output matching performance of the LNA, resulting in a 5 dB input and output reflection coefficient improvement. Although a 5 dB improvement in matching performance is obtained, the resultant noise and gain performance show no significant improvement. The single stage LNAs achieve a simulated gain and NF of 13 dB and 5.3 dB respectively, and dissipate 6 mW from the 1.5 V supply. The LNA focused to attain high gain and a low NF, trading off linearity and as a result obtained poor 1 dB compression of -21.7 dBm. The LNA results are not state of the art but are comparable to SiGe BiCMOS LNAs presented in literature, achieving similar gain, NF and power dissipation figures. / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2012. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted

Broadening the spectrum available to solar cells towards infrared wavelengths is one way to increase efficiency of organic solar devices. This thesis explores the possibilities of these organic heterojunction devices and two different material classes in thin films and organic solar devices: tin phthalocyanines (SnPcs) and aza-bodipys. To estimate the efficiency reachable under sunlight, model calculations are done for single and tandem cells. These calculations include a distinction between the optical gap and the electrical gap and the splitting of the quasi-Fermi levels. With a number of assumptions, e.g. a fill factor (FF) and an external quantum efficiency (EQE) within the absorption range of 65%, the resulting efficiencies are 15% in a single cell and of 21% in a tandem cell. Halogenation is known to lower the energy levels of molecules without chang-ing the optical band gap. Three different fluorinated and chlorinated SnPcs are investigated and compared to the neat SnPc. While chlorination of SnPc worsens the transport properties of the active layer leading to a lowered FF, the fluorina-tion of SnPc results in the intended increase in VOC and, consequently, efficiency for planar heterojunctions. In bulk heterojunction, however, fluorination does not change the efficiency probably due to the unstably bound fluorine. One method to modify the ionization potential (IP) and the absorption of the second material class, the aza-bodipys, is the annulation of the benzene ring. The energy levels determined by CV and UPS measurement and DFT-calculation show very good agreement and can be linked to a decrease in VOC: The Ph4-bodipy (not benzannulated) device has an efficiency of 1.2% with an EQE reaching up to 800nm and a VOC of almost 1V. The Ph2-benz-bodipy device shows a Voc of 0.65V and an efficiency of 1.1%, the EQE reaching up to 860nm. The variation of the molecule’s end groups to vary their IP is successfully employed for three different benz-bodipys: The variation results in a decrease of the optical gap from 1.5eV for the phenyl group, to 1.4eV for the MeO group, and 1.3eV for the thiophene group with the effective gap and the VOC following this trend. Efficiencies of 1.1% and 0.6% in combination with C60 can be reached in mip-type devices. Ph2-benz-bodipy is then optimized into a single cell with an efficiency of 2.9%. In a tandem cell with DCV6T-Bu4:C60, a Voc of 1.7V, a FF of 57% and an efficiency of 5% is reached.:1 Introduction 13 2 Physics of Organic Solids 15 2.1 Organic Molecular Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.1 Delocalization in Conjugated Systems . . . . . . . . . . . . 16 2.2 Energies and Excitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1 Organic Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.2 Organic Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.3 Excitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3 Charge Carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.1 Doping of Organic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . 26 3 Physics of Photovoltaics 29 3.1 Photovoltaics in General 29 3.1.1 pn-Junction 31 3.1.2 Quasi-Fermi Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.3 pin-Concept - Semipermeable Membranes . . . . . . . . . 40 3.1.4 Efficiency Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2 Organic Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2.1 Organic Heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.2 Recombination Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2.3 Transport Layers – pin-Concept in OSC . . . . . . . . . . 52 4 Materials and Experimental Setups 57 4.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.1 Buckminsterfullerene C60 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.2 Transport Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2 Sample Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.3 Experimental Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.1 Characterization of Thin Layers . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.2 Characterization of Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4 Contents 5 Efficiency of an Organic Solar Cell 75 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.2 Theoretical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2.1 The Power Conversion Efficiency . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2.2 Optical Gap and Short-Circuit Current Density . . . . . . 76 5.2.3 Open-Circuit Voltage and Splitting of Quasi-Fermi Levels . 77 5.3 Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3.1 Single Heterojunction Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3.2 Tandem Heterojunction Solar Cells . . . . . . . . . . . . . 80 5.3.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6 Tin Phthalocyanines in Organic Solar Cells 83 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.2 Material Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.3.1 Planar Heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.3.2 Bulk Heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.3.3 Photoelectron Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7 Benzannulation of Aza-Bodipy Dyes 97 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.2 Properties of Bodipys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.2.1 Chemical Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.2.2 Solution and Thin Film Properties . . . . . . . . . . . . . 99 7.3 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7.3.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 8 Effect of End Group Variation on Aza-Bodipy Dyes 111 8.1 Thin Film Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 8.1.1 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 8.1.2 Energetic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.1.3 Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 8.2 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 8.2.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 9 Optimization of Infrared Absorbing Organic Solar Cells 123 9.1 Optimization of the Single Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 9.1.1 Optimized Single Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 9.1.2 Device Lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 9.2 Tandem Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 9.2.1 Summary and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 10 Summary and Outlook 139 Bibliography 145 List of Abbreviations 165 Acknowledgments 167 / Die Erweiterung des verfügbaren Spektrums in den Infrarotbereich ist eine Möglichkeit, die Effizienz organischer Solarzellen zu erhöhen. Diese Arbeit erkundet das Potential dieser Heteroübergänge und zwei Materialklassen in dünnen Schichten und Bauelementen: Zinnphthalozyanine (SnPc) und aza-Bodipys. Um die potentielle Effizienz abzuschäötzen, werden Modellberechnungen für Einzel- und Tandemzellen durchgeführt, unter Berücksichtigung des Unterschieds von optischer und elektrischer Bandlücke und der Quasiferminiveauaufspaltung. Mithilfe einiger Annahmen (z.B. Füllfaktor (FF) und externe Quanteneffizienz (EQE) gleich 65%) lässt sich die Einzelzelleffizienz auf 15%, die Tandemzelleffizienz auf 21% abschätzen. Halogenierung kann die Energieniveaus organischer Moleküle herabsetzen, ohne die optische Bandlücke zu verändern. Drei verschiedene chlorierte und fluorierte SnPcs werden mit dem reinen SnPc verglichen. Während die Chlorierung die Transporteigenschaften der aktiven Schicht und den FF verschlechtern, erhöht die Fluorierung wie erwartet Leerlaufspannung (VOC) und Effizienz im flachen Übergang, nicht jedoch in der Mischschicht, vermutlich aufgrund des nicht stabil gebundenen Fluors. Ein Weg, Ionisationspotential (IP) und Absorption der aza-Bodipy zu verändern, ist die Anelierung des Benzenrings. Die durch CV und UPS ermittelten und mittels DFT errechneten Energieniveaus stimmen gut überein und führen zu einer Verringerung der VOC: Die Zelle mit nichtaniliertem Ph4-bodipy zeigt eine Effizienz von 1.2%; das EQE reicht bis 800nm, die VOC beträgt fast 1V. Die Ph2-benz-bodipy-Zelle zeigt eine VOC von 0.65V und eine Effizienz von 1.1%, das EQE reicht bis 860nm. Der Austausch der Endgruppen zur Vergrößerung des IP, erfolgreich angewandt auf drei Benz-Bodipy-Verbindungen, führt zu einer Verringerung der optischen Bandlücke: von 1.5eV (Phenyl) über 1.4eV (MeO) zu 1.3eV (Thiophen); effektive Bandlücke und Voc folgen diesem Trend. Effizienzen von 1.1% und 0.6% in Kombination mit C60 werden in mip-Zellen erreicht. Ph2-benz-bodipy zeigt in einer optimierten nip-Zelle sogar eine Effizienz von 2.9%. Eine Tandemzelle mit DCV6T-Bu4:C60 zeigt eine Voc von 1.7V, einen FF von 57% und eine Effizienz von 5%.:1 Introduction 13 2 Physics of Organic Solids 15 2.1 Organic Molecular Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.1 Delocalization in Conjugated Systems . . . . . . . . . . . . 16 2.2 Energies and Excitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1 Organic Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.2 Organic Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.3 Excitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3 Charge Carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.1 Doping of Organic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . 26 3 Physics of Photovoltaics 29 3.1 Photovoltaics in General 29 3.1.1 pn-Junction 31 3.1.2 Quasi-Fermi Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.3 pin-Concept - Semipermeable Membranes . . . . . . . . . 40 3.1.4 Efficiency Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2 Organic Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2.1 Organic Heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.2 Recombination Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2.3 Transport Layers – pin-Concept in OSC . . . . . . . . . . 52 4 Materials and Experimental Setups 57 4.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.1 Buckminsterfullerene C60 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.2 Transport Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.2 Sample Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.3 Experimental Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.1 Characterization of Thin Layers . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.2 Characterization of Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4 Contents 5 Efficiency of an Organic Solar Cell 75 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.2 Theoretical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2.1 The Power Conversion Efficiency . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2.2 Optical Gap and Short-Circuit Current Density . . . . . . 76 5.2.3 Open-Circuit Voltage and Splitting of Quasi-Fermi Levels . 77 5.3 Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3.1 Single Heterojunction Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . 79 5.3.2 Tandem Heterojunction Solar Cells . . . . . . . . . . . . . 80 5.3.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6 Tin Phthalocyanines in Organic Solar Cells 83 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.2 Material Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.3.1 Planar Heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.3.2 Bulk Heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.3.3 Photoelectron Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7 Benzannulation of Aza-Bodipy Dyes 97 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 7.2 Properties of Bodipys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.2.1 Chemical Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 7.2.2 Solution and Thin Film Properties . . . . . . . . . . . . . 99 7.3 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7.3.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 8 Effect of End Group Variation on Aza-Bodipy Dyes 111 8.1 Thin Film Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 8.1.1 Optical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 8.1.2 Energetic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8.1.3 Morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 8.2 Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 8.2.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 9 Optimization of Infrared Absorbing Organic Solar Cells 123 9.1 Optimization of the Single Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 9.1.1 Optimized Single Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 9.1.2 Device Lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 9.2 Tandem Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 9.2.1 Summary and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 10 Summary and Outlook 139 Bibliography 145 List of Abbreviations 165 Acknowledgments 167

This thesis deals with the device physics of organic solar cells. Organic photovoltaics (OPV) is a field of applied research which has been growing rapidly in the last decade leading to a current record value of power-conversion efficiency of 10 percent. One major reason for this boom is a potentially low-cost production of solar modules on flexible (polymer) substrate. Furthermore, new application are expected by flexible or semitransparent organic solar cells. That is why several OPV startup companies were launched in the last decade. Organic solar cells consist of hydrocarbon compounds, deposited as ultrathin layers (some tens of nm) on a substrate. Absorption of light leads to molecular excited states (excitons) which are strongly bound due to the weak interactions and low dielectric constant in a molecular solid. The excitons have to be split into positive and negative charges, which are subsequently collected at different electrodes. An effective dissociation of excitons is provided by a heterojunction of two molecules with different frontier orbital energies, such that the electron is transfered to the (electron) acceptor and the positive charge (hole) remains on the donor molecule. This junction can be realized by two distinct layers forming a planar heterojunction or by an intermixed film of donor and acceptor, resulting in a bulk heterojunction. Electrodes are attached to the absorber to collect the charges by providing an ohmic contact in the optimum case. This work focuses on the electrical processes in organic solar cells developing and employing a one-dimensional drift-diffusion model. The electrical model developed here is combined with an optical model and covers the diffusion of excitons, their separation, and the subsequent transport of charges. In contrast to inorganics, charge-carrier mobilities are low in the investigated materials and charge transport is strongly affected by energy barriers at the electrodes. The current-voltage characteristics (J-V curve) of a solar cell reflect the electrical processes in the device. Therefore, the J-V curve is selected as means of comparison between systematic series of simulation and experimental data. This mainly qualitative approach allows for an identification of dominating processes and provides microscopic explanations. One crucial issue, as already mentioned, is the contact between absorber layer and electrode. Energy barriers lead to a reduction of the power-conversion efficiency due to a decrease in the open-circuit voltage or the fill factor by S-shaped J-V curve (S-kink), which are often observed for organic solar cells. It is shown by a systematic study that the introduction of deliberate barriers for charge-carrier extraction and injection can cause such S-kinks. It is explained by simulated electrical-field profiles why also injection barriers lead to a reduction of the probability for charge-carrier extraction. A pile-up of charge carriers at an extraction barrier is confirmed by measurements of transient photocurrents. In flat heterojunction solar cells an additional reason for S-kinks is found in an imbalance of electron and hole mobilities. Due to the variety of reasons for S-kinks, methods and criteria for a distinction are proposed. These include J-V measurements at different temperatures and of samples with varied layer thicknesses. Most of the studies of this this work are based on experimental data of solar cells comprisiing the donor dye zinc phthalocyanine and the acceptor fullerene C60. It is observed that the open-circuit voltage of these devices depends on the mixing ratio of ZnPc:C60. A comparison of experimental and simulation data indicates that the reason is a changed donor-acceptor energy gap caused by a shift of the ionization potential of ZnPc. A spatial gradient in the mixing ratio of a bulk heterojunction is also investigated as a donor(acceptor)-rich mixture at the hole(electron)-collecting contact is supposed to assist charge extraction. This effect is not observed, but a reduction of charge-carrier losses at the “wrong” electrode which is seen at an increase in the open-circuit voltage. The most important intrinsic loss mechanism of a solar cell is bulk recombination which is treated at the example of ZnPc:C60 devices in the last part of this work. An examination of the dependence of the open-circuit voltage on illumination intensity shows that the dominating recombination mechanism shifts from trap-assisted to direct recombination for higher intensities. A variation of the absorption profile within the blend layer shows that the probability of charge-carrier extraction depends on the locus of charge-carrier generation. This results in a fill factor dependent on the absorption profile. The reason is an imbalance in charge-carrier mobilities which can be influenced by the mixing ratio. The work is completed by a simulation study of the influence of charge-carrier mobilities and different recombination processes on the J-V curve and an identification of a photoshunt dominating the experimental linear photocurrent-voltage characteristics in reverse bias.:Abstract - Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v 1 Introduction 1.1 Energy supply and climate change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Development of (organic) photovoltaics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Structure and scope of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 I Basics 2 Photovoltaic Energy Conversion 2.1 Fundamentals of solar thermal energy conversion . . . . . . . . . . .11 2.1.1 The solar spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.2 Black-body irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 2.1.3 Maximum power-conversion efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2 Basics of semiconductor physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1 Band structure, electrons and holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2 Quasi-Fermi levels and electrochemical potentials . . . . . . . . . .22 2.3 Transformation of thermal radiation into chemical energy . . . . . 28 2.4 From chemical energy to electrical energy . . . . . . . . . . . .. . . . . 29 2.5 Possible solar-cell realizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.5.1 The p-n junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.5.2 Heterojunction and dye solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.5.3 The p-i-n concept with wide-gap transport layers . . . . . . . . . 37 2.6 Maximum efficiency – Shockley-Queisser limit . . . . . . . . . . . . . .38 2.7 Novel concepts and classification of solar cells . . . . . . . . . . . . . 41 3 Organic Solar Cells 3.1 Energetics of organic molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1.1 From atoms to molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1.2 From single molecules to a molecular solid . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2 Energy and charge transport in organic semiconductors . . . . . . 52 3.2.1 Exciton transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.2 Charge transport - Gaussian disorder model . . . . . . . . . . . . .53 3.3 Working principle of donor-acceptor heterojunction solar cells . .57 3.3.1 Particle losses, quantum efficiency, and photocurrent . . . . . . .57 3.3.2 Energy losses, potential energy, and photovoltage . . . . . . . . 62 3.3.3 Maximum power-conversion efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.4 Understanding the J-V curve in the MIM picture . . . . . . . . . . .68 3.3.5 Introduction to analytical models describing the photocurrent 70 3.4 Metal-organic interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4.1 Conventional metal-semiconductor interfaces: Barriers and Schottky contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4.2 Metal-organic interfaces: Disorder and ICT . . . . . . . . . . . . . . 79 3.5 Experimental realization of small-molecule solar cells . . . . . . . . 80 3.5.1 Stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 3.5.3 Fabrication details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.6 Basic characterization methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.6.1 Current-voltage characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.6.2 Spectrally resolved measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.6.3 Transient measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4 Modeling 4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2 The drift-diffusion model in general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.2.1 Derivation and conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.2.2 The Einstein Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103 4.2.3 Poisson’s equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.2.4 Differential equation system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 4.3 Implementation of the algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.3.1 Basics of the algorithm and discretization . . . . . . . . . . . . . . 107 4.3.2 Calculation of the electric field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.3.3 Calculation of rates of change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.3.4 Calculation of the time step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.3.5 Detection of steady state and transient currents . . . . . . . . . 111 4.4 Implemented models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.4.1 Charge carrier mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.4.2 Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.4.3 Traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.4.4 Gaussian density of states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.5 Contacts as boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.6 Organic-organic interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.6.1 Charge transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.6.2 Generation and recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.7 The simulation tool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.8 Verification with analytical solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.8.1 Single-carrier devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.8.2 The p-n junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.9 Experimental determination of material properties . . . . . . . . . 136 4.10 Summary and main input parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 II Results and Discussion 5 Simulation Study on Single-Layer Bulk-Heterojunction Solar Cells 5.1 Investigated device structure and definitions . . . . . . . . . . . . . 144 5.2 On the optimum mobility, contact properties, and the open-circuit voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 5.2.2 Investigated mobility and recombination models . . . . . . . . . .147 5.2.3 Recombination only in the BHJ (selective contacts) . . . . . . . . 149 5.2.4 Recombination (also) at electrodes (non-selective contacts) . .155 5.2.5 Injection barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158 5.2.6 Effect of energy-level bending on the open-circuit voltage . . . 161 5.3 Photocurrent and characteristic points in simulated J-V curves . .163 5.3.1 Negligible bulk recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164 5.3.2 Bulk-recombination-limited photocurrent . . . . . . . . . . . . . . . 167 5.4 The effect of disorder on the open-circuit voltage . . . . . . . . . . .169 5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172 6 Influence of Injection and Extraction Barriers on Open-Circuit Voltage and J-V Curve Shape studied at a Variation of Hole Transport Layer and Donor Materials 6.1 Methodological approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174 6.2 Current-voltage data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6.2.1 Fingerprints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6.2.2 Current-voltage characteristics under illumination . . . . . . . . . 181 6.3 Detailed microscopic explanations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181 6.3.1 Injection barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184 6.3.2 Extraction barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 6.3.3 Comparison between flat and bulk heterojunction . . . . . . . . . 188 6.4 Current-voltage curves in a logarithmic plot . . . . . . . . . . . . . . .188 6.5 Detailed analysis of the material combination MeO-TPD and BPAPF as donor and hole transport layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 6.5.1 The interfaces BPAPF/MeO-TPD and MeO-TPD/BPAPF measured by photoelectron spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 6.5.2 Dependence of the J-V curve shape on layer thicknesses . . . . 195 6.5.3 Dependence of the S-kink on temperature . . . . . . . . . . . . . . 198 6.5.4 Transient measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 6.6 Summary and final remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 7 Imbalanced Mobilities causing S-shaped J-V Curves in Planar Heterojunction Solar Cells 7.1 Imbalanced mobilities in simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 7.2 Experimental verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 7.2.1 Current-voltage characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 7.2.2 Transient photocurrents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 7.3 Field-dependent exciton dissociation as an additional source of S-kinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221 7.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 8 Open-Circuit Voltage and J-V Curve Shape of ZnPc:C60 Solar Cells with Varied Mixing Ratio and Hole Transport Layer 8.1 Experimental approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223 8.2 The open-circuit voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225 8.3 The role of the hole transport layer and of doping . . . . . . . . . .228 8.4 Explaining the open-circuit voltage as a function of mixing ratio 230 8.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 9 Effect of Concentration Gradients in ZnPc:C60 Bulk Heterojunction Solar Cells 9.1 Investigated devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 9.2 Current-voltage results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 9.2.1 Fill factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 9.2.2 Short-circuit current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.2.3 Open-circuit voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.3 Voltage dependent external quantum efficiency data . . . . . . . . 245 9.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247 10 Role of the Generation Profile and Recombination in ZnPc:C60 Solar Cells 10.1 Idea and solar-cell design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 10.1.1 Absorption data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 10.1.2 Simulated generation profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 10.2 Correlation of fill factor with generation profile and imbalance in mobilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 10.2.1 Current-voltage data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 10.2.2 Monochromatic J-V curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 10.2.3 Voltage dependent external quantum efficiency . . . . . . . . . 259 10.3 Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 10.3.1 Exponential region of dark J-V curves . . . . . . . . . . . . . . . . 261 10.3.2 J-V data dependent on illumination intensity . . . . . . . . . . . 265 10.3.3 Lifetime of charge carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 10.4 Comparison with simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 10.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 11 Linear Saturation Behavior 11.1 Definition of the photoshunt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 11.2 Quasi-linear photocurrent in simulation . . . . . . . . . . . . . . . . 280 11.3 Experimental approach and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 11.3.1 Identification of the main source of the photoshunt . . . . . . 283 11.3.2 Investigation of the thickness dependence of the saturation 285 11.3.3 Photoshunt in flat heterojunction ZnPc/C60 solar cells . . . . 289 11.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 III Summary and Outlook 12 Main Results 12.1 Interpretation of current-voltage curves . . . . . . . . . . . . . . . . 295 12.2 Stack design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 12.3 Main conclusions on the applicability of the developed drift-diffusion simulation to organic solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 13 Further Analyses and Possible Extensions of the Simulation 13.1 Frequency response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 13.2 Reverse tunneling currents and tandem cells . . . . . . . . . . . . . 307 13.2.1 Reverse current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 13.2.2 J-V curves of tandem cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 13.3 Further points to examine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Appendix A Lists A.1 List of symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 A.2 List of abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 A.3 List of constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 B Simulation data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 C Experimental data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 Acknowledgments - Danksagung 361 / Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Physik organischer Solarzellen. Die organische Photovoltaik ist ein Forschungsgebiet, dem in den letzten zehn Jahren enorme Aufmerksamkeit zu Teil wurde. Der Grund liegt darin, dass diese neuartigen Solarzellen, deren aktueller Rekordwirkungsgrad bei 10 Prozent liegt, ein Potential für eine kostengünstige Produktion auf flexiblem (Polymer)substrat aufweisen und aufgrund ihrer Vielfältigkeit neue Anwendungsbereiche für die Photovoltaik erschließen. Organische Solarzellen bestehen aus ultradünnen (einige 10 nm) Schichten aus Kohlenwasserstoffverbindungen. Damit der photovoltaische Effekt genutzt werden kann, müssen die durch Licht angeregten Molekülzustände zu freien Ladungsträgern führen, wobei positive und negative Ladung an unterschiedlichen Kontakten extrahiert werden. Für eine effektive Trennung dieser stark gebundenden lokalisierten angeregten Zustände (Exzitonen) ist eine Grenzfläche zwischen Molekülen mit unterschiedlichen Energieniveaus der Grenzorbitale erforderlich, sodass ein Elektron auf einem Akzeptor- und eine positive Ladung auf einem Donatormolekül entstehen. Diese Grenzschicht kann als planarer Heteroübergang durch zwei getrennte Schichten oder als Volumen-Heteroübergang in einer Mischschicht realisiert werden. Die Absorberschichten werden durch Elektroden kontaktiert, wobei es für effiziente Solarzellen erforderlich ist, dass diese einen ohmschen Kontakt ausbilden, da ansonsten Verluste zu erwarten sind. Diese Arbeit behandelt im Besonderen die elektrischen Prozesse einer organischen Solarzelle. Dafür wird ein eindimensionales Drift-Diffusionsmodell entwickelt, das den Transport von Exzitonen, deren Trennung an einer Grenzfläche und die Ladungsträgerdynamik beschreibt. Abgesehen von den Exzitonen gilt als weitere Besonderheit einer organischen Solarzelle, dass sie aus amorphen, intrinsischen und sehr schlecht leitfähigen Absorberschichten besteht. Elektrische Effekte sind an der Strom-Spannungskennlinie (I-U ) sichtbar, die in dieser Arbeit als Hauptvergleichspunkt zwischen experimentellen Solarzellendaten und den Simulationsergebnissen dient. Durch einen weitgehend qualitativen Vergleich können dominierende Prozesse bestimmt und mikroskopische Erklärungen gefunden werden. Ein wichtiger Punkt ist der schon erwähnte Kontakt zwischen Absorberschicht und Elektrode. Dort auftretende Energiebarrieren führen zu einem Einbruch im Solarzellenwirkungsgrad, der sich durch eine Verringerung der Leerlaufspanung und/oder S-förmigen Kennlinien (S-Knick) bemerkbar macht. Anhand einer systematischen Studie der Grenzfläche Lochleiter/Donator wird gezeigt, dass Energiebarrieren sowohl für die Ladungsträgerextraktion als auch für die -injektion zu S-Knicken führen können. Insbesondere die Tatsache, dass Injektionsbarrieren sich auch negativ auf den Photostrom auswirken, wird anhand von simulierten Ladungsträger- und elektrischen Feldprofilen erklärt. Das Aufstauen von Ladungsträgern an Extraktionsbarrieren wird durch Messungen transienter Photoströme bestätigt. Da S-Knicke in organischen Solarzellen im Allgemeinen häufig beobachtet werden, werden weitere Methoden vorgeschlagen, die die Identifikation der Ursachen ermöglichen. Dazu zählen I-U Messungen in Abhängigkeit von Temperatur und Schichtdicken. Als eine weitere Ursache von S-Knicken werden unausgeglichene Ladungsträgerbeweglichkeiten in einer Solarzelle mit flachem Übergang identifiziert und von den Barrierefällen unterschieden. Weiterer Forschungsgegenstand dieser Arbeit sind Mischschichtsolarzellen aus dem Donator-Farbstoff Zink-Phthalozyanin ZnPc und dem Akzeptor Fulleren C60. Dort wird beobachtet, dass die Leerlaufspannung vom Mischverhältnis abhängt. Ein Vergleich von Experiment und Simulation zeigt, dass sich das Ionisationspotenzial von ZnPc und dadurch die effektive Energielücke des Mischsystems ändern. Zusätzlich zu homogenen Mischschichten werden Solarzellen untersucht, die einen Gradienten im Mischungsverhältnis aufweisen. Die Vermutung liegt nahe, dass ein hoher Donatorgehalt am Löcherkontakt und ein hoher Akzeptorgehalt nahe des Elektronenkontakts die Ladungsträgerextraktion begünstigen. Dieser Effekt ist in dem hier untersuchten System allerdings vergleichsweise irrelevant gegenüber der Tatsache, dass der Gradient das Abfließen bzw. die Rekombination von Ladungsträgern am “falschen” Kontakt reduziert und somit die Leerlaufspannung erhöht. Der wichtigste intrinsische Verlustmechanismus einer Solarzelle ist die Rekombination von Ladungsträgern. Diese wird im letzten Teil der Arbeit anhand der ZnPc:C60 Solarzelle behandelt. Messungen der Leerlaufspannung in Abhängigkeit von der Beleuchtungsintensität zeigen, dass sich der dominierende Rekombinationsprozess mit zunehmender Intensität von Störstellenrekombination zu direkter Rekombination von freien Ladungsträgern verschiebt. Eine gezielte Variation des Absorptionsprofils in der Absorberschicht zeigt, dass die Ladungsträgerextraktionswahrscheinlickeit vom Ort der Ladungsträgergeneration abhängt. Dieser Effekt wird hervorgerufen durch unausgeglichene Elektronen- und Löcherbeweglichkeiten und äußert sich im Füllfaktor. Weitere Simulationsergebnisse bezüglich des Einflusses von Ladungsträgerbeweglichkeiten und verschiedener Rekombinationsmechanismen auf die I-U Kennlinie und die experimentelle Identifikation eines Photoshunts, der den Photostrom in Rückwärtsrichtung unter Beleuchtung dominiert, runden die Arbeit ab.:Abstract - Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i Publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v 1 Introduction 1.1 Energy supply and climate change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Development of (organic) photovoltaics . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Structure and scope of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 I Basics 2 Photovoltaic Energy Conversion 2.1 Fundamentals of solar thermal energy conversion . . . . . . . . . . .11 2.1.1 The solar spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.2 Black-body irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 2.1.3 Maximum power-conversion efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2 Basics of semiconductor physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.1 Band structure, electrons and holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.2 Quasi-Fermi levels and electrochemical potentials . . . . . . . . . .22 2.3 Transformation of thermal radiation into chemical energy . . . . . 28 2.4 From chemical energy to electrical energy . . . . . . . . . . . .. . . . . 29 2.5 Possible solar-cell realizations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.5.1 The p-n junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.5.2 Heterojunction and dye solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.5.3 The p-i-n concept with wide-gap transport layers . . . . . . . . . 37 2.6 Maximum efficiency – Shockley-Queisser limit . . . . . . . . . . . . . .38 2.7 Novel concepts and classification of solar cells . . . . . . . . . . . . . 41 3 Organic Solar Cells 3.1 Energetics of organic molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1.1 From atoms to molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.1.2 From single molecules to a molecular solid . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2 Energy and charge transport in organic semiconductors . . . . . . 52 3.2.1 Exciton transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.2 Charge transport - Gaussian disorder model . . . . . . . . . . . . .53 3.3 Working principle of donor-acceptor heterojunction solar cells . .57 3.3.1 Particle losses, quantum efficiency, and photocurrent . . . . . . .57 3.3.2 Energy losses, potential energy, and photovoltage . . . . . . . . 62 3.3.3 Maximum power-conversion efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.4 Understanding the J-V curve in the MIM picture . . . . . . . . . . .68 3.3.5 Introduction to analytical models describing the photocurrent 70 3.4 Metal-organic interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4.1 Conventional metal-semiconductor interfaces: Barriers and Schottky contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4.2 Metal-organic interfaces: Disorder and ICT . . . . . . . . . . . . . . 79 3.5 Experimental realization of small-molecule solar cells . . . . . . . . 80 3.5.1 Stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 3.5.3 Fabrication details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.6 Basic characterization methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.6.1 Current-voltage characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.6.2 Spectrally resolved measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.6.3 Transient measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4 Modeling 4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2 The drift-diffusion model in general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.2.1 Derivation and conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.2.2 The Einstein Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103 4.2.3 Poisson’s equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.2.4 Differential equation system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 4.3 Implementation of the algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.3.1 Basics of the algorithm and discretization . . . . . . . . . . . . . . 107 4.3.2 Calculation of the electric field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.3.3 Calculation of rates of change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.3.4 Calculation of the time step . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.3.5 Detection of steady state and transient currents . . . . . . . . . 111 4.4 Implemented models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.4.1 Charge carrier mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.4.2 Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.4.3 Traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.4.4 Gaussian density of states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.5 Contacts as boundary conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.6 Organic-organic interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.6.1 Charge transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.6.2 Generation and recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.7 The simulation tool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.8 Verification with analytical solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.8.1 Single-carrier devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.8.2 The p-n junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.9 Experimental determination of material properties . . . . . . . . . 136 4.10 Summary and main input parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 II Results and Discussion 5 Simulation Study on Single-Layer Bulk-Heterojunction Solar Cells 5.1 Investigated device structure and definitions . . . . . . . . . . . . . 144 5.2 On the optimum mobility, contact properties, and the open-circuit voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 5.2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 5.2.2 Investigated mobility and recombination models . . . . . . . . . .147 5.2.3 Recombination only in the BHJ (selective contacts) . . . . . . . . 149 5.2.4 Recombination (also) at electrodes (non-selective contacts) . .155 5.2.5 Injection barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158 5.2.6 Effect of energy-level bending on the open-circuit voltage . . . 161 5.3 Photocurrent and characteristic points in simulated J-V curves . .163 5.3.1 Negligible bulk recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164 5.3.2 Bulk-recombination-limited photocurrent . . . . . . . . . . . . . . . 167 5.4 The effect of disorder on the open-circuit voltage . . . . . . . . . . .169 5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172 6 Influence of Injection and Extraction Barriers on Open-Circuit Voltage and J-V Curve Shape studied at a Variation of Hole Transport Layer and Donor Materials 6.1 Methodological approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174 6.2 Current-voltage data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6.2.1 Fingerprints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6.2.2 Current-voltage characteristics under illumination . . . . . . . . . 181 6.3 Detailed microscopic explanations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181 6.3.1 Injection barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .184 6.3.2 Extraction barriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 6.3.3 Comparison between flat and bulk heterojunction . . . . . . . . . 188 6.4 Current-voltage curves in a logarithmic plot . . . . . . . . . . . . . . .188 6.5 Detailed analysis of the material combination MeO-TPD and BPAPF as donor and hole transport layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 6.5.1 The interfaces BPAPF/MeO-TPD and MeO-TPD/BPAPF measured by photoelectron spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 6.5.2 Dependence of the J-V curve shape on layer thicknesses . . . . 195 6.5.3 Dependence of the S-kink on temperature . . . . . . . . . . . . . . 198 6.5.4 Transient measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 6.6 Summary and final remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 7 Imbalanced Mobilities causing S-shaped J-V Curves in Planar Heterojunction Solar Cells 7.1 Imbalanced mobilities in simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 7.2 Experimental verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 7.2.1 Current-voltage characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 7.2.2 Transient photocurrents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 7.3 Field-dependent exciton dissociation as an additional source of S-kinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221 7.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 8 Open-Circuit Voltage and J-V Curve Shape of ZnPc:C60 Solar Cells with Varied Mixing Ratio and Hole Transport Layer 8.1 Experimental approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223 8.2 The open-circuit voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .225 8.3 The role of the hole transport layer and of doping . . . . . . . . . .228 8.4 Explaining the open-circuit voltage as a function of mixing ratio 230 8.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 9 Effect of Concentration Gradients in ZnPc:C60 Bulk Heterojunction Solar Cells 9.1 Investigated devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 9.2 Current-voltage results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 9.2.1 Fill factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 9.2.2 Short-circuit current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.2.3 Open-circuit voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 9.3 Voltage dependent external quantum efficiency data . . . . . . . . 245 9.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247 10 Role of the Generation Profile and Recombination in ZnPc:C60 Solar Cells 10.1 Idea and solar-cell design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 10.1.1 Absorption data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 10.1.2 Simulated generation profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 10.2 Correlation of fill factor with generation profile and imbalance in mobilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 10.2.1 Current-voltage data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 10.2.2 Monochromatic J-V curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 10.2.3 Voltage dependent external quantum efficiency . . . . . . . . . 259 10.3 Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 10.3.1 Exponential region of dark J-V curves . . . . . . . . . . . . . . . . 261 10.3.2 J-V data dependent on illumination intensity . . . . . . . . . . . 265 10.3.3 Lifetime of charge carriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 10.4 Comparison with simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 10.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 11 Linear Saturation Behavior 11.1 Definition of the photoshunt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 11.2 Quasi-linear photocurrent in simulation . . . . . . . . . . . . . . . . 280 11.3 Experimental approach and results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 11.3.1 Identification of the main source of the photoshunt . . . . . . 283 11.3.2 Investigation of the thickness dependence of the saturation 285 11.3.3 Photoshunt in flat heterojunction ZnPc/C60 solar cells . . . . 289 11.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 III Summary and Outlook 12 Main Results 12.1 Interpretation of current-voltage curves . . . . . . . . . . . . . . . . 295 12.2 Stack design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 12.3 Main conclusions on the applicability of the developed drift-diffusion simulation to organic solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 13 Further Analyses and Possible Extensions of the Simulation 13.1 Frequency response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 13.2 Reverse tunneling currents and tandem cells . . . . . . . . . . . . . 307 13.2.1 Reverse current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 13.2.2 J-V curves of tandem cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 13.3 Further points to examine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Appendix A Lists A.1 List of symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 A.2 List of abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 A.3 List of constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 B Simulation data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 C Experimental data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 Acknowledgments - Danksagung 361

Dünne Schichten aus hydrogenisiertem amorphem Silizium a-Si:H spielen für die Photovoltaik eine wichtige Rolle. Einerseits kommt für die Dünnschicht-Photovoltaik unterschiedlich dotiertes a-Si:H in den Schichten einer p-i-n-Solarzelle zur Anwendung, andererseits stellen Heterokontakt-Solarzellen aus amorphem und kristallinem Silizium (a-Si:H/c-Si) wegen ihres hohen Wirkungsgrades derzeit ein sehr aktuelles Forschungsthema dar. Die Abscheidung der a-Si:H-Schichten im Rahmen dieser Arbeit erfolgt mit der Methode des Magnetronsputterns (Kathodenzerstäubung). Dieses für die in-line-Beschichtung etablierte Verfahren wird speziell für die Photovoltaik noch nicht in industriellem Maßstab eingesetzt (lediglich für transparente leitfähige Oxide TCO). Insbesondere existiert nur eine geringe Zahl von Veröffentlichungen zu Heterokontakten, welche mittels Magnetronsputtern hergestellt wurden. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist daher die Herstellung sowie Charakterisierung solcher Heterokontakte unter dem Aspekt variierter Abscheide- und Prozessparameter (Substrattemperatur, Wasserstoffflussrate, Ionenbeschuss). Das für das Sputtern erforderliche Plasma wird mit einer im Mittelfrequenzbereich gepulsten Gleichspannung angeregt. Ein dadurch mehr oder weniger ausgeprägter Ionenbeschuss der wachsenden Schichten in Abhängigkeit der Pulsparameter wird hier analysiert. Die Charakterisierung der Heterokontakte erfolgt hauptsächlich anhand deren Strom-Spannung-Kennlinien, welche auch bei variierter Temperatur gemessen werden. Erzielte Gleichrichtungsverhältnisse um 10000:1 sowie Diodenidealitätsfaktoren η ≈ 1,3 kennzeichnen (p)a-Si:H/(n)c-Si-Heterokontakte mit den besten halbleiterphysikalischen Eigenschaften. Bei zu schwacher Schichthydrogenisierung wurde ein Ladungstransportmechanismus nachgewiesen, welcher in der Literatur als multi-tunneling capture-emission MTCE bekannt ist. Eine erhöhte Hydrogenisierung unterdrückt diesen Mechanismus nahezu vollständig. Durch Abscheidung unterschiedlich stark bordotierter a-Si:H-Schichten wird außerdem die Dotiereffizienz beurteilt. Hohe Werte sind bei amorphen Halbleitern im Allgemeinen schwer zu erreichen. Die mit stärkerer Dotierung erhöhte Gleichrichterwirkung lieferte hier ein Indiz für eine nachweisbare Dotiereffizienz.

Les études qui seront présentées dans le cadre de cette thèse portent sur le développement et l’optimisation des techniques pour la modélisation compacte des transistors bipolaires à hétérojonction (TBH). Ce type de modélisation est à la base du développement des bibliothèques de composants qu’utilisent les concepteurs lors de la phase de simulation des circuits intégrés. Le but d’une technologie BiCMOS est de pouvoir combiner deux procédés technologiques différents sur une seule et même puce. En plus de limiter le nombre de composants externes, cela permet également une meilleure gestion de la consommation dans les différents blocs digitaux, analogiques et RF. Les applications dites rapides peuvent ainsi profiter du meilleur des composants bipolaires et des transistors CMOS. Le défi est d’autant plus critique dans le cas des applications analogiques/RF puisqu’il est nécessaire de diminuer la puissance consommée tout en maintenant des fréquences de fonctionnement des transistors très élevées. Disposer de modèles compacts précis des transistors utilisés est donc primordial lors de la conception des circuits utilisés pour les applications analogiques et mixtes. Cette précision implique une étude sur un large domaine de tensions d’utilisation et de températures de fonctionnement. De plus, en allant vers des nœuds technologiques de plus en plus avancés, des nouveaux effets physiques se manifestent et doivent être pris en compte dans les équations du modèle. Les règles d’échelle des technologies plus matures doivent ainsi être réexaminées en se basant sur la physique du dispositif. Cette thèse a pour but d’évaluer la faisabilité d’une offre de modèle compact dédiée à la technologie avancée SiGe TBH de chez ST Microelectronics. Le modèle du transistor bipolaire SiGe TBH est présenté en se basant sur le modèle compact récent HICUMversion L2.3x. Grâce aux lois d’échelle introduites et basées sur le dessin même des dimensions du transistor, une simulation précise du comportement électrique et thermique a pu être démontrée.Ceci a été rendu possible grâce à l’utilisation et à l’amélioration des routines et méthodes d’extraction des paramètres du modèle. C’est particulièrement le cas pour la détermination des éléments parasites extrinsèques (résistances et capacités) ainsi que celle du transistor intrinsèque. Finalement, les différentes étapes d’extraction et les méthodes sont présentées, et ont été vérifiées par l’extraction de bibliothèques SPICE sur le TBH NPN Haute-Vitesse de la technologie BiCMOS avancée du noeud 55nm, avec des fréquences de fonctionnement atteignant 320/370GHz de fT = fmax. / The aim of BiCMOS technology is to combine two different process technologies intoa single chip, reducing the number of external components and optimizing power consumptionfor RF, analog and digital parts in one single package. Given the respectivestrengths of HBT and CMOS devices, especially high speed applications benefit fromadvanced BiCMOS processes, that integrate two different technologies.For analog mixed-signal RF and microwave circuitry, the push towards lower powerand higher speed imposes requirements and presents challenges not faced by digitalcircuit designs. Accurate compact device models, predicting device behaviour undera variety of bias as well as ambient temperatures, are crucial for the development oflarge scale circuits and create advanced designs with first-pass success.As technology advances, these models have to cover an increasing number of physicaleffects and model equations have to be continuously re-evaluated and adapted. Likewiseprocess scaling has to be verified and reflected by scaling laws, which are closelyrelated to device physics.This thesis examines the suitability of the model formulation for applicability to production-ready SiGe HBT processes. A derivation of the most recent model formulationimplemented in HICUM version L2.3x, is followed by simulation studies, whichconfirm their agreement with electrical characteristics of high-speed devices. Thefundamental geometry scaling laws, as implemented in the custom-developed modellibrary, are described in detail with a strong link to the specific device architecture.In order to correctly determine the respective model parameters, newly developed andexisting extraction routines have been exercised with recent HBT technology generationsand benchmarked by means of numerical device simulation, where applicable.Especially the extraction of extrinsic elements such as series resistances and parasiticcapacitances were improved along with the substrate network.The extraction steps and methods required to obtain a fully scalable model library wereexercised and presented using measured data from a recent industry-leading 55nmSiGe BiCMOS process, reaching switching speeds in excess of 300GHz. Finally theextracted model card was verified for the respective technology.