My research on metal oxide electron-harvesting interlayers for organic solar cells was focused as three interrelated projects in this dissertation: i) development of a chemical vapor deposition (CVD) system for titanium dioxide (TiO₂) film; ii) an electrochemical methodology to evaluate ZnO thin film charge (hole) blocking ability; iii) the effects of plasma modifications on sol-gel ZnO and sol-gel ZnO/organic (active layer) interfaces. In i), we showed that nanoscale (12-36 nm) CVD TiO₂ film deposited at 210 °C from our system obtains properties of conformal growth with ITO substrate, superior hole blocking ability, stoichiometric metal to oxide ratio, and close energetic alignment with electron acceptors, e.g., fullerenes. The introduction of CVD TiO₂ film as an electron transport layer (ETL) into organic solar cell significantly improves its J-V characteristics compared to bare ITO electrode. The optimum TiO₂ thickness in the OPV device applications was found to be 24 nm with a high fill factor (0.58) and power conversion efficiency (3.7%) obtained. In ii), simple electrochemical methods, i.e., cyclic voltammetry, impedance spectroscopy have been used to evaluate sol-gel derived ZnO (sg-ZnO) and sputtered ZnO (sp-ZnO) porosity and pinhole density. We showed that sg-ZnO with high surface area porous structure allows the probe molecules and poly-thiophene (P3HT) thin layer to direct contact ITO substrate, whereas sp-ZnO with dense structural property efficiently eliminates the probe molecule diffusion and the penetration of P3HT layer to ITO substrate. This electrochemical property difference also directly reflects on the device shunt resistance (Rp), where we observed larger leakage current for the devices using sg-ZnO than that of devices using sp-ZnO. We envision these simple electrochemical characterizations can be applied into other similar metal oxide interlayers as well as on flexible TCO substrates, in which pinholes and physical imperfections, e.g., cracking may occur after multiple bending processes. In iii), we demonstrated low power (10.5 watts) radio frequency (RF) O₂ and Ar plasma treatments have significant impacts on sg-ZnO near-surface chemical compositions, which in turn influence the onset potential of sg-ZnO electron injection from the underlying ITO substrate and its energetic alignment with electron acceptors, e.g., C₆₀. Using UPS, we found the presence of localized mid-gap states near the Fermi-level (Ef) of sg-ZnO, which induces the most favorable band bending and the largest vacuum level shift due to significant electron transfer from sg-ZnO to C₆₀. As a result, the resultant solar cells show the best device performance. Upon the plasma treatments, the passivation effects eliminate the mid-gap state. Therefore, we observed less degree of band bending at ZnO/C₆₀ interface and poorer device performance for the plasma treated sg-ZnO. The study demonstrates the importance of oxide/organics interface in operations of organic solar cells and provides a modification method to tune surface properties of oxide materials which can apparently be applied in other organic electronic devices, e.g., field effect transistors (FETs), organic light emitting diodes (OLEDs), etc.

Verbund- und Verbundsicherheitsgläser zeichnen sich durch ein breites Anwendungsspektrum im Bauwesen, im Automobilbau und der Photovoltaikindustrie aus. Dabei werden insbesondere an Verbundsicherheitsglas hohe Anforderungen hinsichtlich der Sicherheitseigenschaften gestellt. Diese Eigenschaften, wie Splitterbindung und Resttragfähigkeit, werden durch einen Verbund aus mindestens zwei Glasscheiben mit einem polymeren Zwischenschichtmaterial realisiert. Aktuell werden in etwa 95% aller Fälle Zwischenschichten aus Polyvinylbutyral für die Herstellung von Verbundsicherheitsglas eingesetzt, da einzig dieses Material bauaufsichtlich geregelt ist. Dabei sind aber auch verschiedene andere Materialien, wie Ethylen-Vinylacetat, thermoplastische Polyurethane oder Ionomere als Zwischenschichten einsetzbar. Aufgrund ihrer Eigenschaften erweisen sich diese für spezielle Anwendungsgebiete als besonders geeignet. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung verschiedener polymerer Zwischenschichtmaterialien hinsichtlich ihrer Eignung für die Herstellung von Verbund- und Verbundsicherheitsgläsern, speziell im Vergleich zur Polyvinylbutyral-Folie. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf das Alterungsverhalten der Zwischenschichten gelegt, um deren Eignung auch für mehrere Jahrzehnte Standzeit, wie sie für Bauwerke zu erwarten ist, einschätzen zu können. Um das Alterungsverhalten der verschiedenen polymeren Zwischenschichtmaterialien beurteilen zu können, werden zunächst die Materialeigenschaften der verschiedenen Zwischenschichten im ungealterten Zustand an reinen Substanzprüfkörpern beziehungsweise ungealterten Verbundgläsern ermittelt. Als Alterungsszenarien werden eine Temperaturlagerung, eine Beanspruchung durch wechselnde klimatische Bedingungen, sowie eine Lagerung unter aggressiven Medien und eine Bestrahlungsprüfung zur Beurteilung der Langzeitstabilität durchgeführt. Die verschiedenen Alterungstests mit kleinformatigen Verbundglas-Prüfkörpern wirken sich dabei sowohl auf das optische Erscheinungsbild der Verbundgläser, als auch auf die Materialeigenschaften aus. Neben der Bildung von Blasen, Delaminationen oder Trübungen, führen diese Tests durch chemische Reaktionen oder physikalische Umlagerungen zur Veränderung des Steifigkeits- und Abbauverhaltens der polymeren Zwischenschichtmaterialien. Auf Grundlage der Ergebnisse der in dieser Arbeit durchgeführten Alterungstests erscheinen das untersuchte Ionomer (DuPont SentryGlas) und ein thermoplastisches Polyurethan (Huntsman Krystalflex PE399) am besten für einen dauerhaften Einsatz als Zwischenschichtmaterial für Verbund- und Verbundsicherheitsgläser als geeignet. Durch eine Anpassung der Einbausituation oder eine Beschränkung der Einsatzgebiete und der damit einhergehenden klimatischen Beanspruchungen können auch die anderen Materialien vorteilhaft eingesetzt werden. / Laminated glass and laminated safety glass are used in a wide range of applications, for example in construction, automotive and photovoltaic industry. High demands on security properties are made, especially to laminated safety glass. These properties, such as binding glass fragments in case of breakage and the residual bearing capacity, will be realized by a composite of at least two panes of glass with a polymeric interlayer material. Currently, in about 95% of all cases, interlayer of polyvinyl butyral are used for the production of laminated safety glass, because this is the only material, which is approved by the building authorities. Various other polymeric materials such as ethylene vinyl acetate, ionomers and thermoplastic polyurethanes can also be used as interlayers. Based on their properties, these materials are suitable for special applications. Subject of this thesis is the study of various polymeric interlayer materials in reference to their suitability for the production of laminated glass and laminated safety glass, especially in comparison to the polyvinyl butyral interlayer. Especially the ageing behaviour of the interlayer is investigated to estimate their suitability over the lifetime of several decades, which is expected for building structures. To evaluate the ageing behaviour, the material properties of the different polymeric interlayer materials are first determined on the pure, unaged material or unaged laminates. Different ageing scenarios are carried out to assess the longterm stability, such as a temperature storage test, a climatic stress test as well as test under aggressive media and high irradiation. These ageing tests with small-scale test specimens will affect both the appearance of the laminated glass, as well as the material properties. In addition to the formation of bubbles, delamination or haze, these tests lead to changes in stiffness and degradation behaviour of the polymeric interlayer materials by chemical reactions or physical rearrangements. Based on the results of the ageing tests in this thesis, the investigated ionomer (DuPont SentryGlas) and a thermoplastic polyurethane (Huntsman Krystalflex PE399) are best suited for a long-term use as interlayer material for laminated glass or laminated safety glass. By changing the structural design or limiting the range of applications, the other investigated materials can also show their advantages for different applications.

Verbund- und Verbundsicherheitsgläser zeichnen sich durch ein breites Anwendungsspektrum im Bauwesen, im Automobilbau und der Photovoltaikindustrie aus. Dabei werden insbesondere an Verbundsicherheitsglas hohe Anforderungen hinsichtlich der Sicherheitseigenschaften gestellt. Diese Eigenschaften, wie Splitterbindung und Resttragfähigkeit, werden durch einen Verbund aus mindestens zwei Glasscheiben mit einem polymeren Zwischenschichtmaterial realisiert. Aktuell werden in etwa 95% aller Fälle Zwischenschichten aus Polyvinylbutyral für die Herstellung von Verbundsicherheitsglas eingesetzt, da einzig dieses Material bauaufsichtlich geregelt ist. Dabei sind aber auch verschiedene andere Materialien, wie Ethylen-Vinylacetat, thermoplastische Polyurethane oder Ionomere als Zwischenschichten einsetzbar. Aufgrund ihrer Eigenschaften erweisen sich diese für spezielle Anwendungsgebiete als besonders geeignet. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung verschiedener polymerer Zwischenschichtmaterialien hinsichtlich ihrer Eignung für die Herstellung von Verbund- und Verbundsicherheitsgläsern, speziell im Vergleich zur Polyvinylbutyral-Folie. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf das Alterungsverhalten der Zwischenschichten gelegt, um deren Eignung auch für mehrere Jahrzehnte Standzeit, wie sie für Bauwerke zu erwarten ist, einschätzen zu können. Um das Alterungsverhalten der verschiedenen polymeren Zwischenschichtmaterialien beurteilen zu können, werden zunächst die Materialeigenschaften der verschiedenen Zwischenschichten im ungealterten Zustand an reinen Substanzprüfkörpern beziehungsweise ungealterten Verbundgläsern ermittelt. Als Alterungsszenarien werden eine Temperaturlagerung, eine Beanspruchung durch wechselnde klimatische Bedingungen, sowie eine Lagerung unter aggressiven Medien und eine Bestrahlungsprüfung zur Beurteilung der Langzeitstabilität durchgeführt. Die verschiedenen Alterungstests mit kleinformatigen Verbundglas-Prüfkörpern wirken sich dabei sowohl auf das optische Erscheinungsbild der Verbundgläser, als auch auf die Materialeigenschaften aus. Neben der Bildung von Blasen, Delaminationen oder Trübungen, führen diese Tests durch chemische Reaktionen oder physikalische Umlagerungen zur Veränderung des Steifigkeits- und Abbauverhaltens der polymeren Zwischenschichtmaterialien. Auf Grundlage der Ergebnisse der in dieser Arbeit durchgeführten Alterungstests erscheinen das untersuchte Ionomer (DuPont SentryGlas) und ein thermoplastisches Polyurethan (Huntsman Krystalflex PE399) am besten für einen dauerhaften Einsatz als Zwischenschichtmaterial für Verbund- und Verbundsicherheitsgläser als geeignet. Durch eine Anpassung der Einbausituation oder eine Beschränkung der Einsatzgebiete und der damit einhergehenden klimatischen Beanspruchungen können auch die anderen Materialien vorteilhaft eingesetzt werden. / Laminated glass and laminated safety glass are used in a wide range of applications, for example in construction, automotive and photovoltaic industry. High demands on security properties are made, especially to laminated safety glass. These properties, such as binding glass fragments in case of breakage and the residual bearing capacity, will be realized by a composite of at least two panes of glass with a polymeric interlayer material. Currently, in about 95% of all cases, interlayer of polyvinyl butyral are used for the production of laminated safety glass, because this is the only material, which is approved by the building authorities. Various other polymeric materials such as ethylene vinyl acetate, ionomers and thermoplastic polyurethanes can also be used as interlayers. Based on their properties, these materials are suitable for special applications. Subject of this thesis is the study of various polymeric interlayer materials in reference to their suitability for the production of laminated glass and laminated safety glass, especially in comparison to the polyvinyl butyral interlayer. Especially the ageing behaviour of the interlayer is investigated to estimate their suitability over the lifetime of several decades, which is expected for building structures. To evaluate the ageing behaviour, the material properties of the different polymeric interlayer materials are first determined on the pure, unaged material or unaged laminates. Different ageing scenarios are carried out to assess the longterm stability, such as a temperature storage test, a climatic stress test as well as test under aggressive media and high irradiation. These ageing tests with small-scale test specimens will affect both the appearance of the laminated glass, as well as the material properties. In addition to the formation of bubbles, delamination or haze, these tests lead to changes in stiffness and degradation behaviour of the polymeric interlayer materials by chemical reactions or physical rearrangements. Based on the results of the ageing tests in this thesis, the investigated ionomer (DuPont SentryGlas) and a thermoplastic polyurethane (Huntsman Krystalflex PE399) are best suited for a long-term use as interlayer material for laminated glass or laminated safety glass. By changing the structural design or limiting the range of applications, the other investigated materials can also show their advantages for different applications.