Abstract The qualitative and quantitative characteristics of each component layer constituting the structure of organic bulk heterojunction solar cells (OSC-BHJ) contribute significantly towards its overall performance. One of the prevalent issues resulting in reduced device efficiency is due to the conformational inhomogeneities in the active and buffer layers. The mechanical stress, extended thermal exposure and presence of mutually reactive component layers etc., affects negatively on the device stability. Effective methods to address these issues will be extensively benefited by the industry since the current commercialisation of the technology is hindered owing to the lower efficiency and stability of these devices. This dissertation focuses on methods to coherently enhance the performance and longevity of the OSC-BHJ devices. The efficiency enhancements of the devices in this work were achieved through two main routes. The first route was through morphological improvement of the active layer. The second route was through boosting the electrical characteristics of hole transporting conducting polymer layer (HTL) by controlled annealing conditions. The introduction of a suitable additive in the active layer was found to reduce unfavourable phase segregation thus resulting in enhanced morphology. Further, the annealing conditions in different atmospheres (air, nitrogen and vacuum) were found to have a clear influence on the optimum functioning of the HTL in the device. Regarding the stability improvement study done in this work, a method of employing suitable interlayer was developed to effectively abate the internal degradation occurring in the device due to etching reaction on the indium tin oxide (ITO) anode by the HTL. Moreover, experimental investigations were carried out for drawing fundamental understanding of stability degenerating issues such as the influence of mechanical defects on transparent conducting metal oxide (ITO) anode on the performance of the device and heat induced degradations in the low band gap polymer-fullerene active layer. The highlight of this research is that the discovered methods are inexpensive, efficient, and easy to adopt. The results of the study could help the technology to overcome some of its limitations and accelerate its progress towards commercialisation. / Tiivistelmä Orgaanisten heteroliitosaurinkokennojen kerrosrakenteen ominaisuudet ja laatu vaikuttavat merkittävästi aurinkokennojen toiminnallisuuteen. Erityisesti rakenteelliset epähomogeenisuudet aktiivi- ja puskurikerroksissa heikentävät kennon hyötysuhdetta. Kennojen stabiilisuutta tarkasteltaessa myös mekaanisella rasituksella, pitkittyneellä lämpöaltistuksella ja materiaalien reagoinneilla keskenään kerrosten välillä, on selkeä negatiivinen vaikutus kennojen stabiilisuuteen. Orgaanisen aurinkokennoteknologian kaupallistamisen rajoitteina ovat kennojen heikko hyötysuhde ja stabiilisuus, joten menetelmät jotka tarjoavat ratkaisuja edellä mainittuihin ongelmiin, ovat erittäin tärkeitä teknologiaa kaupallistavalle teollisuudelle. Tämä väitöskirja keskittyy johdonmukaisesti selvittämään tapoja, joilla voidaan parantaa heteroliitosaurinkokennojen hyötysuhdetta ja elinikää. Hyötysuhteen tehostamiseksi valittiin kaksi eri lähestymistapaa, joista ensimmäisessä keskityttiin aktiivikerroksen morfologian parantamiseen ja toisessa aukkoja kuljettavan kerroksen sähköisten ominaisuuksien parantamiseen lämpökäsittelyprosessin avulla. Sopivan lisäaineen avulla aktiivikerroksen ei-toivottua kiteytymistä voidaan pienentää ja parantaa näin kerroksen morfologiaa. Lisäksi työssä todettiin, että lämpökäsittelyn aikaisella ympäristöolosuhteella (ilma, typpi, tyhjiö) on merkittävä vaikutus puskurikerroksen optimaaliseen toimintaan aurinkokennossa. Stabiilisuuden parantamiseksi kehitettiin välikerroksen hyödyntämiseen perustuva menetelmä, jolla voidaan tehokkaasti vähentää kennojen sisäisessä rakenteessa tapahtuvaa toiminnallisuuden heikkenemistä, joka aiheutuu aukkoja kuljettavan kerroksen syövyttävästä vaikutuksesta indiumtinaoksidi (ITO) pohjaiseen anodiin. Tämän lisäksi työssä tutkittiin kokeellisesti stabiilisuuteen heikentävästi vaikuttavia tekijöitä, kuten mekaanisen rasituksen aiheuttamia vaurioita metallioksidi (ITO) anodissa ja lämpöaltistuksesta aiheutuvia vikoja polymeeri-fullereeni rakenteeseen perustuvassa aktiivikerroksessa. Tutkimuksen keskeisin tulos on, että esitellyt keinot aurinkokennojen hyötysuhteen ja stabiilisuuden parantamiseen ovat edullisia, tehokkaita ja helppoja hyödyntää. Tulokset voivat merkittävästi edistää orgaanisten aurinkokennojen teknistä kehitystä ja kiihdyttää niiden tuloa kaupallisiksi tuotteiksi.

Abstract Wood is an essential material that has many applications in the fields of engineering and especially in the forest industry, which is particularly important in Fennoscandia. Among the various modification methods for wood, thermal modification has grown substantially over the past decades. It is an environmentally friendly method for increasing the lifetime and usability of timber. The aim of this thesis is to characterize the properties of thermally modified wood as well as to obtain new information on the changes taking place in pinewood due to the thermal modification process. Several NMR methods were used to gain information on the effect of thermal modification on the microstructure and moisture components of Pinus sylvestris pinewood. Pinewood samples thermally modified at different temperatures were studied and compared to corresponding unmodified wood samples. Diffusion of water and methane was studied using pulsed-field-gradient stimulated-echo measurements to determine the highly anisotropic size distribution of pores in different cell structures of pinewood. NMR cryoporometry and relaxometry measurements were conducted to gain information on the amounts and environments of both the bound and free water absorbed into the wood samples. Cryoporometry measurements resulted in an upper limit value for the size of bound water sites and the combination of cryoporometry and relaxometry data enabled the size determination of cell wall micropores. Magnetic resonance imaging was used to visualize the spatial distribution of absorbed free water in the studied samples. Together these methods give a broad overall picture of the effects of the modification process. The results of this work give new insight into the microstructure of thermally modified pinewood and its relationship to moisture, which is of importance for both wood science as well as industry. The applicability of the NMR techniques used here to the study of wood is also proven in this work. Using the techniques developed, it is possible to determine the optimal modification temperature, which is high enough to obtain the desired effects, but low enough not to destroy the microstructure of wood. / Tiivistelmä Puuta pystytään hyödyntämään useilla eri aloilla ja se on materiaalina tärkeä etenkin Fennoskandiassa merkittävälle metsäteollisuudelle. Useiden erilaisten puun käsittelymenetelmien joukossa lämpökäsittely on kasvattanut voimakkaasti suosiotaan viime vuosikymmeninä. Kyseessä on ympäristöystävällinen menetelmä, jolla voidaan pidentää puun käyttöikää sekä käytettävyyttä erilaisissa sovelluskohteissa. Tämän väitöskirjan päämääränä on ollut lämpökäsitellyn puun ominaisuuksien tutkiminen ja uuden tiedon saaminen puussa lämpökäsittelyprosessin myötä tapahtuvista muutoksista. Työssä käytettiin useita eri NMR-menetelmiä lämpökäsitellyn mäntypuun (Pinus sylvestris) mikrorakenteen sekä puussa olevan kosteuden aiheuttamien vaikutusten tutkimiseksi. Työssä tutkittiin eri lämpötiloissa käsiteltyjä mäntypuunäytteitä, joita verrattiin vastaaviin käsittelemättömiin näytteisiin. Veden ja metaanin diffuusiota tutkittiin PGSTE-menetelmällä puun erittäin anisotrooppisen solurakenteen sisältämien huokosten mittojen määrittämiseksi. NMR-kryoporometria- ja -relaksometriamittaukset antoivat tietoa puuhun imeytyneen sidotun ja vapaan veden määrästä ja esiintymisympäristöstä. Kryoporometria-mittausten tuloksista saatiin yläraja sidotun veden esiintymispaikkojen koolle, ja kryoporometria- ja relaksometriamittausten tuottaman tiedon yhdistäminen mahdollisti soluseinämien mikrohuokosten koon määrittämisen. Magneettikuvausta käytettiin näytteisiin absorboituneen veden avaruudellisen jakauman määrittämiseen. Käytetyt menetelmät tarjoavat laajan kokonaiskuvan lämpökäsittelyprosessin vaikutuksista puulle. Tämän työn tulokset antavat puutiedettä ja -teollisuutta hyödyttävää uutta tietoa lämpökäsitellyn männyn mikrorakenteesta sekä sen suhteesta kosteuteen. Väitöskirja myös osoittaa käytettyjen NMR-menetelmien soveltuvan hyvin puun tutkimiseen. Tämän tutkimuksen myötä kehitettyjen menetelmien avulla voidaan määrittää mm. optimaalinen lämpökäsittelylämpötila, joka on riittävän korkea haluttujen ominaisuuksien kannalta aiheuttamatta kuitenkaan puun mikrorakenteen hajoamista.