Analog zu den auf hochgeordneten Farbstoffarchitekturen in den biologischen Photosyntheseapparaten basierenden Energiekonversionssystemen sollte die exakte Einstellung zwischenmolekularer Wechselwirkungen auch in künstlichen Halbleitern eine entscheidende Rolle für die Weiterentwicklung organischer Elektronikmaterialien spielen. Für eine derartige, präzise Steuerung der nanoskaligen Anordnung in organischen Materialien erscheinen Merocyaninfarbstoffe wegen ihrer hochgerichteten, dipolaren Aggregation äußerst aussichtsreich. In diesem Zusammenhang war das Ziel der vorliegenden Arbeit die Ausnutzung funktionaler, stark selbstorganisierender Merocyanine, um eine gezielte Beeinflussung der Morphologie in der aktiven Schicht von BHJ-Solarzellen zu erreichen. Hierzu sollte zunächst eine umfangreiche Serie komplexer Merocyanine synthetisiert und vollständig charakterisiert werden. Im Folgenden wurde angestrebt, die optischen und elektrochemischen Eigenschaften der molekular gelösten Farbstoffe zu bestimmen und für ausgewählte, geeignete Strukturen das Selbstorganisationsverhalten im Detail zu studieren. Zuletzt sollte durch eine sorgfältige Optimierung der Prozessierungsbedingungen ein Transfer der in Lösung gefundenen, supramolekularen Strukturen in den Blend lösungsprozessierter BHJ-Solarzellen erreicht werden. Die organischen Elektronikbauteile wurden dabei im Arbeitskreis von Prof. Dr. Klaus Meerholz (Universität Köln) gefertigt und charakterisiert. Zusammenfassend zeichnet die vorliegende Arbeit ein umfassendes Bild von der Synthese funktionaler Merocyanine, dem Studium ihrer molekularen und Selbstorganisationseigenschaften sowie ihrer Anwendung als p-Halbleitermaterialien in organischen Solarzellen. Der komplexe Molekülaufbau der dargestellten Farbstoffe führte dabei zur Ausbildung verschiedener Farbstofforganisate, deren Struktur sowohl in Lösung als auch teilweise im Festkörper aufgeklärt werden konnte. Die erfolgreiche Implementierung von H-aggregierten Spezies der Verbindung 67b in die aktive Schicht organischer BHJ-Solarzellen resultierte in der Bildung effizienter Perkolationspfade für Exzitonen und freie Ladungsträger, wodurch diese Bauteile merklich höhere Stromdichten generieren konnten und gegenüber Zellen ohne H-Spezies über 20 % gesteigerte Effizienz aufwiesen. Diese Befunde verifizieren die postulierte Hypothese, dass eine gezielte Einstellung der zwischenmolekularen Wechselwirkungen bei organischen Halbleitern zu einer Optimierung der Funktionalität organischer Elektronikmaterialien beitragen kann. / Similar to the highly ordered dye assemblies in biological photosynthetic energy conversion systems, the exact setting of noncovalent interactions in artificial semiconductor materials could also be of crucial importance for further advancements of organic electronic materials. For such a precise control of the nanoscale arrangement in organic materials, merocyanine dyes appear extremely promising due to their highly directional, dipolar aggregation. In this context, the objective of this work was the use of functional, intensely self-organizing merocyanine dyes to specifically influence the active layer morphology of BHJ solar cells. For this purpose, first of all a comprehensive series of complex merocyanine dyes should be synthesized and fully characterized. In the following, the optical and electrochemical properties of the molecularly dissolved dyes should be determined and the aggregation behavior of selected suitable structures should be in-depth analyzed. Finally, a transfer of the supramolecular structures formed in solution into the blend of solution-processed BHJ solar cells should be accomplished by careful optimization of the processing conditions. In the course of this, the organic solar cell devices were fabricated and characterized in the group of Prof. Dr. Klaus Meerholz (University of Cologne). In summary, the present thesis draws a comprehensive picture of the synthesis of functional merocyanine dyes, the detailed study of their molecular and self-organization properties as well as their application as p-type semiconductor materials in organic photovoltaics. The complex nature of the synthesized dyes led to the formation of various dye assemblies, whose structure could be elucidated in solution as well as partially in the solid state. The successful implementation of H-aggregated species in the active layer of organic BHJ solar cells resulted in the creation of efficient percolation paths for excitons and charge carriers, whereby such devices generated remarkably higher current densities and revealed more than 20 % higher efficiencies compared to cells without H-species. Based on this finding, the initially postulated hypothesis that an exact setting of intermolecular interactions in organic semiconductors can help to optimize the functionality of organic electronic materials, indeed could be verified.

The technology of organic photovoltaics offers the possibility of low-cost devices due to easy fabrication procedures and low material consumption and at the same time high flexibility concerning the applied substrates or design features such as the color palette. Owing to these benefits, this research field is highly active, being reflected by the continuously rising number of publications. Chapter 1 gives an extensive overview of a part of these reports, namely the field of solution-processed BHJ organic solar cells using small molecules as electron-donating materials. In the early years of this research area (2006-2008), well known hole transporting materials such as triphenylamine based chromophores, oligothiophenes and polyaromatic hydrocarbons were applied. However, many of these dyes lacked absorption at longer wavelengths and were therefore limited in their light harvesting qualities. Later, chromophores based on low band gap systems consisting of electron-donating and electron-accepting units showing internal charge transfer overcame this handicap. Today, donor-substituted diketopyrrolopyrroles (D-A-D chromophores), squaraines (D-A-D chromophores) and acceptor substituted oligothiophenes (A-D-A chromophores) are among the most promising dyes for small molecule based organic solar cells with PCEs of 4-5%. This work is based on the findings of the groups of Würthner and Meerholz, which tested merocyanine dyes for the first time in organic BHJ solar cells.4 According to the Bässler theory85, the high dipolarity of these dyes should hamper the charge transport, but the obtained first results with PCE of 1.7% proved the potenital of this class of dyes for this application. Merocyanine dyes offer the advantages of facile synthesis and purification, high tinctorial strength and monodispersity. Additionally, the electronic structure of the dyes, namely the absorption as well as the electrochemical properties, can be adjusted by using the right combination of donor and acceptor units. For these reasons, this class of dye is highly interesting for the application in organic solar cells. It was the aim of the thesis to build more knowledge about the potential and limitations of merocyanines in BHJ photovoltaic devices. By screening a variety of donor and acceptor groups a comprehensive data set both for the molecular materials as well as for the respective solar devices was generated and analyzed. As one focus, the arrangement of the chromophores in the solid state was investigated to gain insight about the packing in the solar cells and its relevance for the performance of the latter. To do so, X-ray single crystal analyses were performed for selected molecules. By means of correlations between molecular properties and the characteristics of the corresponding solar cells, several design rules to generate efficient chromophores for organic photovoltaics were developed. The different donor and acceptor moieties applied in this work are depicted in the following ... / Die Technologie der organischen Photovoltaik eröffnet die Chance, kostengünstige Solarzellen herzustellen, da einfache Produktionstechniken genutzt werden können und nur geringe Materialmengen benötigt werden. Gleichzeitig bietet sie hohe Flexibilität bezüglich des Designs, sowohl was die eingesetzten Substrate als auch die gewünschte Farbpalette betrifft. Aufgrund dieser Vorteile ist der Forschungsbereich der organischen Solarzellen hochaktuell, was sich auch in der stetig wachsenden Zahl an Publikationen widerspiegelt. Kapitel 1 bietet einen umfassenden Literaturüberblick über den Bereich der lösungs-prozessierten organischen BHJ Solarzellen basierend auf niedermolekularen Materialien. In den frühen Jahren dieses Forschungsbereiches (2006-2008) wurden hauptsächlich altbekannte organische Lochleitermaterialien wie triphenylaminbasierte Moleküle, Oligothiophene oder polyaromatische Hydrocarbonverbindungen eingesetzt. Viele dieser Verbindungen zeigten jedoch Defizite betreffend der Absorption, da sie nur bei relativ kurzen Wellenlängen absorbierten und dadurch nur einen Bruchteil des eingestrahlten Sonnenlichts nutzen konnten. Später wurde dieser Nachteil durch sogenannte „low band gap“ Systeme, welche elektronengebenden und elektronenziehenden Einheiten aufweisen, oder durch Kombinationen der klassischen elektronenreichen Lochleiter mit Akzeptoreinheiten überwunden. Zu den vielversprechendsten Verbindungsklassen für die Anwendung in lösungsprozessierten niedermolekularen organischen Solarzellen gehören heute Donor-substituierte Diketopyrrolopyrrole (D-A-D Chromophor), Quadratsäurederivate (D-A-D Chromophor) und Akzeptor-substituierte Oligothiophene (A-D-A Chromophor), deren beste Vertreter Wirkungsgrade von 4-5% erzielen. Die vorliegende Arbeit basiert auf den Erkenntnissen der Arbeitsgruppen Würthner und Meerholz, die als erste Merocyaninfarbstoffe in organischen BHJ Solarzellen untersuchten.4 Gemäß der Bässler-Theorie85 sollte das hohe Grundzustandsdipolmoment dieser Verbindungen den Ladungsträgertransport erheblich behindern. Die erhaltenen, vielversprechenden Wirkungsgrade von 1.7% beim ersten Materialscreenin zeigen jedoch die Eignung dieser Fabstoffklasse für organische Solarzellen. Merocyanine bieten einige Vorteile: sie lassen sich einfach herstellen und aufreinigen, zeigen hohe Farbstärken und sind monodisperse Verbindungen. Zudem lässt sich der elektronische Charakter der Chromophore, also die Absorptions- und elektrochemischen Eigenschaften nahezu beliebig verändern, indem man die passende Donor-Akzeptor Kombination wählt. Deshalb ist diese Farbstoffklasse für die Applikation der organischen Solarzellen hochinteressant. Ziel dieser Doktorarbeit war es, ein tieferes Verständnis über das Potential und mögliche Beschränkungen von Merocyaninen in organische Solarzellen zu erlangen. Durch Untersuchung einer Reihe von Donor- und Akzeptoreinheiten wurde ein umfassender Datensatz generiert und analysiert, welcher sowohl die molekularen Materialien als auch die entsprechenden Solarzellen beinhaltet. Die Anordnung der Chromophore im Festkörper wurde bei ausgewählten Farbstoffen mittels Einkristall-Röntgenstrukturanalyse untersucht, um Erkenntnisse über das Packungsverhalten der Moleküle in den Solarzellen und dessen Relevanz für die Leistungsfähigkeit der Zellen zu gewinnen. Anhand von Korrelationen zwischen den molekularen Eigenschaften und den Kennzahlen der entsprechenden Solarzellen wurden mehrere Richtlinien zur Entwicklung von effizienten Chromophoren für organische Solarzellen abgeleitet. Die in dieser Arbeit eingesetzten Akzeptor- und Donoreinheiten sind im Folgenden abgebildet ...

In this study, a double-donor concept is used to improve the performance of thermally evaporated merocyanine(s)/C60 bulk heterojunction (BHJ) solar cells. It is shown that the co-evaporation of two merocyanine dyes with absorption bands at ~ 500 nm (SW dye) and ~ 650 nm (LW dye), respectively, together with C60 fullerene results in an improvement of open-circuit voltage (VOC), short-circuit current (JSC) as well as total power conversion efficiency (PCE) compared to the best single-donor cell. The enhancement of JSC is attributed to a higher photon harvesting efficiency of the mixed-donor devices due to a better spectral coverage. / Im Rahmen dieser Arbeit wurden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zwischen der Festkörpermorphologie und der Leistung organischer Solarzellen auf der Basis von Merocyanin-Farbstoffen untersucht. Verschiedene analytische Methoden, vor allem optische Untersuchungen und Röntgenbeugung, wurden verwendet, um die Einkristall bzw. Dünnschichtstruktur der Merocyanine aufzuklären. Zusammenhänge zwischen der Festkörperstruktur der Farbstoffe und deren Leistung in Solarzellen wurden eindeutig nachgewiesen. In Kapitel 2 werden die Grundlagen der organischen Photovoltaik erläutert und ein Überblick über den Stand der Forschung auf dem Gebiet der durch Vakuumabscheidung von kleinen Molekülen hergestellten Solarzellen gegeben. Die Technologie der Vakuumverdampfung kleiner Moleküle hat sich in den letzten Jahren rasch weiterentwickelt und steht inzwischen an der Schwelle zur Kommerzialisierung erster Produkte. Vakuumabgeschiedene Solarzellen lassen sich mit hoher Reproduzierbarkeit herstellen und weisen gute Stabilitäten auf. Aus wissenschaftlicher Sicht ist vor allem die gute Verfügbarkeit zahlreicher Donoren und die einfache und exakte Realisierung verschiedenster Bauteilarchitekturen von Interesse. Im Kapitel 3 werden die in dieser Arbeit benutzten Architekturen für die Herstellung und Charakterisierung der Solarzellen vorgestellt und diskutiert. Kapitel 4 präsentiert eine umfassende Studie über die Kristallpackungen der dipolaren Merocyanin-Farbstoffe. Hier wurde vor allem die Wirkung der Dipol-Dipol-Wechselwirkungen auf die gefundenen Strukturmotive in den Kristallstrukturen der Merocyanin-Farbstoffe analysiert. Die statistischen Auswertung zeigt, dass bei einem hohen molekularen Dipolmoment (> 8 D) die Wahrscheinlichkeit für die Anordnung der Moleküle in einer zentrosymmetrischen Raumgruppen erhöht wird. Dimere mit einer antiparallelen Orientierung der Dipolmomente wurden häufig gefunden (Abbildung 1a). Eine detaillierte Untersuchung der Kristallstrukturen zahlreicher Merocyanine, in denen Fischerbase als Donor-Baustein in Kombination mit ...

This thesis established the fabrication of organic solar cells of DA dye donors and fullerene acceptors under ambient conditions in our laboratory, however, with reduced power conversion efficiencies compared to inert conditions. It was shown that moisture had the strongest impact on the stability and reproducibility of the solar cells. Therefore, utilization of robust materials, inverted device architectures and fast fabrication/characterization are recommended if processing takes place in air. Furthermore, the dyad concept was successfully explored in merocyanine dye-fullerene dyads and power conversion efficiencies of up to 1.14 % and 1.59 % were measured under ambient and inert conditions, respectively. It was determined that the major drawback in comparison to comparable BHJ devices was the inability of the dyad molecules to undergo phase separation. Finally, two series of small molecules were designed in order to obtain electron transport materials, using the acceptor-core-acceptor motive. By variation of the acceptor units especially the LUMO levels could be lowered effectively. Investigation of the compounds in organic thin film transistors helped to identify promising molecules with electron transport properties. Electron transport mobilities of up to 7.3 × 10−2 cm2 V−1 s−1 (ADA2b) and 1.39 × 10−2 cm2 V−1 s−1 (AπA1b) were measured in air for the ADA and AπA dyes, respectively. Investigation of selected molecules in organic solar cells proved that these molecules work as active layer components, even though power conversion efficiencies cannot compete with fullerene based devices yet. Thus, this thesis shows new possibilities that might help to develop and design small molecules as substitutes for fullerene acceptors. / In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Herstellung und Charakterisierung von organischen Solarzellen auf Basis von kleinen DA-Farbstoffen in Kombination mit Fullerenakzeptoren unter Umgebungsbedingungen möglich ist. Außerdem konnte herausgefunden werden, dass die Luftfeuchtigkeit den größten Einfluss auf die Stabilität und die Reproduzierbarkeit der organischen Solarzellen hat. Aus diesem Grund sind der Austausch labiler Komponenten, die Verwendung von invertierten Bauteilarchitekturen sowie eine zügige Herstellung und Charakterisierung bei Prozessierung an Luft zu empfehlen. In weiteren Experimenten konnte das Dyadenkonzept erfolgreich angewendet werden, sodass sich Effizienzen von 1.14 und 1.59 % unter ambienten bzw. inerten Bedingungen messen ließen. Das Unvermögen der Dyaden, separate Phasen aus Donor- und Akzeptorverbindung zu bilden, konnte als größte Schwäche der Verbindungen ausgemacht werden. Schlussendlich wurden zwei Serien von Molekülen mit der Absicht Elektronentransportmaterialien zu generieren basierend auf einem Akzeptor-Kern-Akzeptor-Strukturmotiv entworfen. Die Variation der Akzeptoren ermöglichte in der Tat eine systematische Absenkung der Grenzorbitale und insbesondere der LUMO-Niveaus. Weiterhin wurden die Verbindungen in organischen Dünnfilmtransistoren untersucht, um mehr über ihre Ladungstransporteigenschaften zu erfahren. Dabei konnten Moleküle ausgemacht werden, die zum Elektronentransport an Luft in der Lage sind. Für die besten ADA- und AπA-Farbstoffe konnten so jeweils Elektronenmobilitäten von 7.3 × 10−2 cm2 V–1 s–1 (ADA2b) und 1.39 × 10−2 cm2 V–1 s–1 (AπA1b) gemessen werden. Weitere Untersuchungen von ausgewählten Verbindungen in organischen Solarzellen, konnten beweisen, dass diese neu kreierten Moleküle im Prinzip als Aktivmaterialien funktionieren können, wenn auch die erzielten Effizienzen noch nicht mit denen von Fulleren-basierten Solarzellen konkurrieren konnten. Damit zeigt diese Arbeit neue Möglichkeiten auf, die bei der Entwicklung und dem Design von kleinen Molekülen als Alternativen zu Fullereneakzeptoren hilfreich sein können.

Dipolar merocyanines are very attractive supramolecular building blocks, as they combine interesting functional properties with strong, directional intermolecular interactions. The pyridine dioxocyano-pyridine (PYOP) chromophore (Chapter 2.2), used in this thesis, stands out because of its exceptionally high ground state dipole moment (g ~ 17 D), in combination with the option to retain good solubility also in unpolar solvents, by decoration with solubilizing groups. The reliable binding motif of anti-parallel -stacking due to dipole-dipole interactions has allowed the design of molecular building blocks that form assemblies of predictable geometry. The intense unstructured charge transfer UV/Vis absorption band (eg ~ 10.7 D) is a result of the dominant contribution of the zwitterionic resonance structure which brings the PYOP chromophore just beyond the cyanine limit in solvents of low polarity (c2 = 0.60, 1,4 dioxane). The high sensitivity of the S0 – S1 UV/Vis absorption band to the environment manifests itself in a pronounced negative solvatochromism and strong H-type exciton coupling within -stacked PYOP assemblies. In accordance with the classical molecular exciton theory, an increasing hypsochromic shift of the dominant absorption band of these H aggregates can be observed as the stack size increases up to about six chromophores, where it levels out at about max ~ 440 nm (CHCl3). This allows a uniquely simple estimation of the number of interacting chromophores within the self-assembled structure from a single UV/Vis absorption spectrum of an aggregate. The defined and well investigated PYOP dimer formation was employed in this thesis to probe the applicability and limitations of concentration-, temperature-, and solvent-dependent self-assembly studies (Chapter 3). Straightforward theoretical models to evaluate datasets of concentration-, temperature-, and solvent-dependent UV/Vis absorption by nonlinear regression analysis were derived for the case of dimer formation (Chapter 2.1). Although the dimer model is well known and widely applied in literature, this detailed derivation is helpful to understand assumptions and potential problems of the different approaches for the determination of thermodynamic parameters. This helps to decide on the most appropriate method to analyse a system of interest. In this regard it should be noted that covering a large portion of the self-assembly process with the experimental data is a prerequisite for the accuracy of the analysis. Additionally, many of the insights can also be transferred to other self-assembly systems like supramolecular polymerization or host-guest interactions. The concentration-dependent analysis is the most straightforward method to investigate self-assembly equilibria. No additional assumptions, besides mass balance and mass action law, are required. Since it includes the least number of parameters (only K, if M/D are known), it is the most, or even only, reliable method, to elucidate the self-assembly mechanism of an unknown system by model comparison. To cover a large concentration range, however, the compound must be soluble enough and generally sample amounts at least in the low mg scale must be available. The temperature-dependent analysis has the advantage that all thermodynamic parameters G0, H0 and S0 can be obtained from a single sample in one automated measurement. However, the accessible temperature-range is experimentally often quite limited and dependent on the solvent. For systems which do not show the transition from monomer to aggregate in a narrow temperature range, as given for, e.g., cooperative aggregation or processes with a high entropy contribution, often not the entire self-assembly process can be monitored. Furthermore, the assumptions of temperature-independent extinction coefficients of the individual species as well as temperature-independent H0 and S0 must be met. Monte Carlo simulations of data sets demonstrated that even minor changes in experimental data can significantly impact the optimized values for H0 and S0. This is due to the redundancy of these two parameters within the model framework and even small thermochromic effects can significantly influence the results. The G0 value, calculated from H0 and S0, is, however, still rather reliable. Solvent-dependent studies can often cover the entire self-assembly process from monomeric (agg = 0) to the fully aggregated state (agg = 1). However, for dyes with strong solvatochromic effects, such as the dipolar merocyanines investigated in this thesis, the results are affected. Also, the assumption of a linear relation of the binding energy G0 and the fraction of denaturating solvent f, which is based on linear free energy relationships between G0 and the solvent polarity, can lead to errors. Especially when specific solvent effects are involved. For the evaluation of experimental data by nonlinear regression, general data analysis software can be used, where user-defined fit models and known parameters can be implemented as desired. Alternatively, multiple specialized programs for analysing self-assembly data are available online. While the latter programs are usually more user-friendly, they have the disadvantage of being a “black box” where only pre-implemented models can be used without the option for the user to adapt models or parameters for a specific system. In Chapter 3 comprehensive UV/Vis absorption datasets are presented for the dimerization of merocyanine derivative 1 in 1,4-dioxane, which allowed for the first time a direct comparison of the results derived from concentration-, temperature-, and solvent-dependent self-assembly studies. The results for the binding constant K and corresponding G0 from the concentration- and temperature-dependent analysis were in very good agreement, also in comparison to the results from ITC. For the temperature-dependent analysis, though, multiple datasets of samples with different concentration had to be evaluated simultaneously to cover a meaningful part of the self-assembly process. Furthermore, a significant dependence of the optimized parameters H0 and S0 on the wavelength chosen for the analysis was observed. This can be rationalized by the small thermochromic shifts of both the monomer and the dimer UV/Vis absorption band. The results from the solvent-dependent evaluation showed the largest deviation, as expected for the highly solvatochromic merocyanine dye. However, even here by evaluation at 491 and 549 nm the deviation for G0 was only 2.5 kJ mol1 (9%) with respect to the results from the concentration-dependent analysis (G0 = 29.1 kJ mol1). Thus, despite the strong solvatochromism of the dipolar chromophore, it can still be considered a reliable method for estimating the binding strength. Furthermore, multiple repetitions of the concentration-, temperature-, and solvent-dependent studies provided insight into the reproducibility of the results and possible sources of experimental errors. In all cases, the deviations of the results were small (G0 < 0.4 kJ mol1) and within the same range as the fit error from the nonlinear regression analysis. The insights from these studies were an important basis for the in-depth investigation of a more complex supramolecular system in Chapter 4, as a single method is often not enough to capture the full picture of a more complicated self-assembly process. To elucidate the anti-cooperative self-assembly of the chiral merocyanine 2, a combination of multiple techniques had to be applied. Solvent-dependent UV/Vis absorption studies in CH2Cl2/MCH mixtures showed the step-wise assembly of the merocyanine monomer (max(M) = 549 nm, CH2Cl2) to first a dimer (max(D) = 498 nm, CH2Cl2/MCH 15:85) by dipole-dipole interactions, and then a -stacked higher aggregate (max(H) = 477 nm, MCH), with pronounced H-type coupling. The thermodynamic evaluation of this data, however, suffered from the severe solvatochromism, especially of the monomeric species (max(M, CH2Cl2) = 549 nm, max(M, MCH) = 596 nm). Therefore, concentration-dependent studies were performed at three different temperatures (298, 323, 353 K) to elucidate the self-assembly mechanism and determine reliable thermodynamic parameters. The studies at elevated temperatures were hereby necessary, to obtain experimental data over a larger agg--range. Due to the pronounced difference in the thermodynamic driving force for dimerization and higher aggregate formation (KD/K5 = 6500) a concentration range exists in MCH where almost exclusively the dimer species of 2 is present, before further self-assembly by dispersion interactions occurs. Therefore, the data could be evaluated independently for the two self-assembly steps. The self-assembly of dimers into the higher aggregate could not be described by the isodesmic model but was fitted satisfactorily to a pentamer model. This rather small size of about ten -stacked PYOP chromophores was, furthermore, consistently indicated by AFM, VPO and DOSY NMR measurements. Based on 1D and 2D NMR data as well as the strong bisignate CD signal of the higher aggregate in combination with TD-DFT calculations, a P-helical stack is proposed as its structure. The small size can be rationalized by the anti-cooperative self-assembly mechanism and the sterical demand of the solubilizing trialkoxyphenyl and the chiral tetralin substituents. Additionally, the aliphatic shell formed by the solubilizing chains around the polar chromophore stack, can account for the exceptionally high solubility of 2 in MCH (> 15 mg mL1). These combined studies of the self-assembly process enabled the identification of suitable conditions for the investigation of fluorescence properties of the individual aggregate species. Aggregation-induced emission enhancement was observed for the almost non-emissive monomer (Fl(M) = 0.23%), which can be rationalized by the increasing rigidification within the dimer (Fl(D) = 2.3%) and the higher aggregate (Fl(H) = 4.5%). The helical chirality of the PYOP decamer stack, furthermore, gave rise to a strong CPL signal with a large glum value of 0.011. The important conclusion of this thesis is that the temperature- and solvent-dependent analyses are valid alternatives to the classical concentration-dependent analysis to determine thermodynamic parameters of self-assembly equilibria. Although, for a specific supramolecular system, one approach might be favourable over the others for a variety of reasons. The experimental limitations often demand a combination of techniques to fully elucidate a self-assembly process and to gain insights in the aggregate structure. The anti-cooperative merocyanine self-assembly, which was described here for the first time for the PYOP merocyanine 2, is no exception. Besides the interest in the merocyanine assemblies from a structural and functional point of view, the insights gained from the presented studies can also be transferred to other self-assembly systems and be a guide to find the most appropriate analysis technique. / Dipolare Merocyanine sind sehr attraktive supramolekulare Bausteine, da sie interessante funktionale Eigenschaften mit starken, gerichteten zwischenmolekularen Wechselwirkungen vereinen. Der Pyridin-dioxocyano-pyridin (PYOP)-Chromophor (Kapitel 2.2), welcher in dieser Arbeit verwendet wurde, zeichnet sich durch sein besonders starkes Grundzustands-dipolmoment (g ~ 17 D) aus, in Kombination mit der Möglichkeit durch Funktionalisierung mit löslichkeitsvermittelnden Gruppen dennoch gute Löslichkeit zu bewahren. Das zuverlässige Bindungsmotiv der durch Dipol-Dipol Wechselwirkungen anti-parallel  gestapelten Merocyanine ermöglicht es, gezielt molekulare Bausteine zu entwerfen, welche sich zu Strukturen von vorhersagbarer Geometrie zusammenlagern. Der dominante Beitrag der zwitterionischen Resonanzstruktur führt zu einer intensiven, unstrukturierten Charge-Transfer UV/Vis-Absorptionsbande (eg ~ 10.7 D) und bringt den PYOP Chromophor leicht jenseits des Cyanin-Limits in unpolaren Lösungsmitteln (c2 = 0.60, 1,4-Dioxan). Die Sensitivität der S0 S1 UV/Vis-Absorptionsbande gegenüber der Umgebung zeigt sich in der ausgeprägten negativen Solvatochromie und einer starken H artigen excitonischen Kopplung in -gestapelten Aggregaten. In Übereinstimmung mit klassischer Excitonen-Theorie kann eine zunehmende hypsochrome Verschiebung der dominanten Absorptionsbande mit zunehmender Größe der H-Aggregate beobachtet werden, bis bei etwa sechs Chromophoren und max ~ 440 nm ein Plateau erreicht wird. Dies ermöglicht eine einmalig einfache Abschätzung, der Anzahl an wechselwirkenden Chromophoren innerhalb einer Aggregatstruktur, basierend auf einem einzigen UV/Vis-Absorptionsspektrum. Das definierte und gut untersuchte Beispiel des PYOP-Dimers wurde in dieser Arbeit verwendet, um die Anwendbarkeit und die Grenzen von konzentrations-, temperatur- und lösungsmittelabhängigen Aggregationsstudien auszutesten (Kapitel 3). Theoretische Modelle zur thermodynamischen Auswertung von konzentrations-, temperatur- und lösungsmittelabhängigen Studien mittels nichtlinearer Regression wurden für das Beispiel der Dimerisierung hergeleitet (Kapitel 2). Obwohl das Dimer-Modell literaturbekannt ist, ist diese detaillierte Herleitung hilfreich, um die Annahmen zu verstehen, die dem Modell zugrunde liegen. So können potenzielle Problemquellen der verschiedenen Methoden erkannt und die geeignetste Methode zur Bestimmung der thermodynamischen Parameter für ein bestimmtes System ausgewählt werden. Hierbei sollte man beachten, dass es sich für die Aussagekraft der Analyse klar als zuträglich erwiesen hat, wenn ein möglichst großer Bereich des Aggregationssprozesses von den experimentellen Daten abgedeckt werden kann. Viele der hier gewonnen Erkenntnisse lassen sich auch auf andere Systeme wie supramolekulare Polymere oder Wirt-Gast-Komplexe übertragen. Die konzentrationsabhängige Analyse ist die direkteste Methode, um ein supramolekulares Gleichgewicht zu untersuchen. Sie erfordert keine zusätzlichen Annahmen, außer dem Massenerhalt und dem Massenwirkungsgesetz. Da das konzentrationsabhängige mathematische Modell die wenigsten Parameter enthält (nur K, wenn M/D bekannt), ist es die zuverlässigste, wenn nicht sogar die einzig zuverlässige, Methode, um den Aggregationsmechanismus durch einen Vergleich der experimentellen Daten mit verschiedenen Modellen aufzuklären. Allerdings muss die zu untersuchende Verbindung hierbei löslich genug sein, damit ein großer Teil des Aggregationsprozesses in den Studien abgebildet werden kann und es werden üblicherweise Substanzmengen im niedrigen mg Bereich benötig. Die temperaturabhängige Analyse hat den Vorteil, dass alle thermodynamischen Parameter G0, H0 und S0 in einer einzigen automatisierten Messung einer einzelnen Probe erhalten werden können. Allerdings ist der experimentell zugängliche Temperaturbereich oft sehr eingeschränkt und abhängig von dem verwendeten Lösungsmittel. Für Systeme, bei denen der Übergang vom Monomer zum Aggregat nicht in einem engen Temperaturbereich erfolgt, z.B. aufgrund von Kooperativität oder einem großen Entropie-Beitrag, ist es oft nicht möglich den gesamten Aggreationsprozess abzubilden. Zusätzlich sollten die Annahmen, dass sowohl die Extinktionskoeffizienten der einzelnen Spezies sowie H0 und S0 temperaturunabhängig sind, zutreffen. Mittels Monte Carlo Simulationen konnte gezeigt werden, dass selbst kleine Änderungen in den experimentellen Daten die erhaltenen Werte von H0 und S0 deutlich beeinflussen können. Dies liegt daran, dass die beiden Parameter im mathematischen Modell nicht völlig unabhängig voneinander sind. Selbst geringfügige thermochrome Veränderungen können daher die Ergebnisse für H0 und S0 beeinflussen. Die G0-Werte, die sich aus H0 und S0 berechnen lassen, sind allerding dennoch recht zuverlässig. Mittels lösungsmittelabhängiger Studien ist es oft am einfachsten, den vollständigen Prozess vom Monomer (agg = 0) bis zum Aggregat (agg = 1) abzubilden. Für stark solvatochrome Farbstoffe wie die hier untersuchten dipolaren Merocyanine werden die Ergebnisse allerdings deutlich verfälscht. Auch die Annahme einer linearen Abhängigkeit der Bindungsenergie G0 und der Lösungsmittelzusammensetzung f, die auf linearen Freie-Energie Beziehungen zwischen G0 und der Lösungsmittelpolarität beruhen, kann zu Abweichungen führen, vor allem, wenn spezifische Lösungsmitteleffekte involviert sind. Die Auswertung der experimentellen Daten erfolgt mittels nichtlinearer Regression. Hierfür können diverse Datenauswertungsprogramme genutzt werden, in die sich benutzerdefinierte Modelle inklusive bekannter Parameter implementieren lassen. Alternativ gibt es auch eine Auswahl von spezialisierten Programmen zur Auswertung von Aggregationsdaten im Internet. Diese sind zwar deutlich benutzerfreundlicher, aber auch „Black Boxes“, deren voreingestellte Modelle und Parameter in der Regel nicht vom Nutzer für ein spezielles System angepasst werden können. In Kapitel 3 wurden umfangreiche UV/Vis-Absorptionsstudien für die Dimerisierung von Merocyanin 1 in 1,4-Dioxan vorgestellt, welche zum ersten Mal einen direkten Vergleich zwischen den Ergebnissen von konzentrations-, temperatur- und lösungsmittelabhängigen Aggregationsstudien ermöglichten. Die Ergebnisse für die Bindungskonstante K und dem dazugehörigen G0-Wert aus der konzentrations- und temperaturabhängigen Analyse stimmen mit den Ergebnissen der isothermalen Titrationskalorimetrie (ITC) überein. Bei der temperaturabhängigen Auswertung mussten allerdings mehrere Datensätze von Proben mit unterschiedlichen Konzentrationen zusammen ausgewertet werden, um einen aussagekräftigen Bereich des Aggregationsprozesses abzudecken. Außerdem wurde eine deutliche Abhängigkeit der Ergebnisse für H0 und S0 von der Wellenlänge festgestellt, die für die Auswertung gewählt wurde. Dies liegt an der kleinen thermochromen Verschiebung der Monomer- und Dimer-Absorptionsbande. Die Ergebnisse der lösungsmittelabhängigen Studien zeigten, wie für den stark solvatochromen Chromophor erwartet, die größte Abweichung. Allerdings beträgt die Abweichung für G0 selbst hier nur 2.5 kJ mol1 (9%), bei Auswertung bei 491 und 549 nm, im Vergleich zur konzentrationsabhängigen Auswertung (G0 = 29.1 kJ mol1). Trotz der ausgeprägten Solvatochromie sind die lösungsmittelabhängigen Studien also geeignet, um die Bindungsstärke eines Systems abzuschätzen. Mehrmalige Wiederholung der Experimente erlaubte eine Abschätzung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und möglicher Fehlerquellen. Die Ergebnisse schwankten hierbei in allen Fällen nur geringfügig (G0 < 0.4 kJ mol1) und in der gleichen Größenordnung wie der Fehler der nichtlinearen Regression. Die Erkenntnisse aus diesen Studien waren eine wichtige Grundlage für die Untersuchung eines komplexeren supramolekularen Systems in Kapitel 4. Eine einzelne Methode ist oft nicht ausreichend, um einen mehrstufigen Aggregationsprozess vollständig aufzuklären, und auch zur Aufklärung der anti-kooperativen Aggregation des chiralen Merocyanins 2, wurde eine Kombination verschiedener Techniken angewandt. Lösungsmittelabhängige UV/Vis-Absorptionsstudien in CH2Cl2/MCH Mischungen zeigten die stufenweise Zusammenlagerung der Merocyanin-Monomere (max(M) = 549 nm, CH2Cl2) zuerst durch Dipol-Dipol Wechselwirkungen zu Dimeren (max(D) = 498 nm, CH2Cl2/MCH 15:85) und dann zu größeren -Stapeln (max(H) = 477 nm, MCH) mit ausgeprägter H-Kopplung. Die thermodynamische Auswertung dieser Daten leidet allerdings unter der ausgeprägten Solvatochromie, vor allem der Monomer-Spezies (max(M, CH2Cl2) = 549 nm, max(M, MCH) = 596 nm). Daher wurden stattdessen konzentrationsabhängige Studien bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt, um den Aggregationsmechanismus aufzuklären und verlässliche thermodynamische Parameter zu bestimmen. Die Studien bei höheren Temperaturen waren notwendig, um mit den experimentellen Daten einen größeren agg--Bereich abdecken zu können. Aufgrund des ausgeprägten Unterschieds in der thermodynamischen Triebkraft für die Dimerisierung und die Bildung höherer Aggregate (KD/K5 = 6500) gibt es in MCH einen Konzentrationsbereich, in dem fast ausschließlich die dimere Spezies vorhanden ist, bevor eine weitere Zusammenlagerung durch Dispersionswechselwirkungen erfolgt. Dies ermöglichte eine unabhängige Auswertung der Daten für die beiden Aggregationsschritte. Der Zusammenschluss von Dimeren zum höheren Aggregat ließ sich nicht durch das isodesmische Modell beschreiben, sondern durch ein Pentamer-Modell. Diese Größe von etwa zehn -gestapelten PYOP-Chromophoren wurde außerdem durch AFM-, VPO- und DOSY-NMR-Messungen bestätigt. Basierend auf 1D- und 2D-NMR-Daten und dem CD-Signal des höheren Aggregats mit positivem Cotton-Effekt in Kombination mit TD-DFT Rechnungen, wurde ein P-helikaler -Stapel als Struktur angenommen. Die geringe Größe lässt sich durch den anti-kooperativen Aggregationsmechanismus und den sterischen Anspruch der lösungsvermittelnden Trialkoxyphenyl- und der chiralen Tetralin-Substituenten erklären. Die durch diese Substituenten ausgebildete aliphatische Hülle um den polaren Chromophorstapel kann außerdem die ungewöhnlich hohe Löslichkeit der Verbindung 2 in MCH erklären (> 15 mg mL1). Die detaillierte Untersuchung des Selbstorganisationsprozesses ermöglichte die Identifizierung geeigneter Bedingungen für die Untersuchung der Fluoreszenzeigenschaften der einzelnen Aggregatspezies. Für das nahezu nicht emittierende Monomer (Fl(M) = 0.23%) wurde durch zunehmende Rigidisierung im Dimer (Fl(D) = 2.3%) und im höherem Aggregat (Fl(H) = 4.5%) eine durch Aggregation induzierte Emissionssteigerung beobachtet. Die helikale Chiralität des PYOP-Decamer-Stapels führte außerdem zu einem starken CPL Signal mit einem hohen glum-Wert von 0.011. Das wichtige Fazit dieser Arbeit ist, dass sowohl temperatur- als auch lösungsmittelabhängige Studien valide Alternativen zu den klassischen konzentrationsabhängigen Untersuchungen sind, mit denen thermodynamische Parameter von Selbstorganisations-Gleichgewichten bestimmt werden können. Wobei für ein bestimmtes supramolekulares System eine der Methoden aus verschiedenen Gründen vorteilhafter sein kann als die anderen. Üblicherweise gegebene experimentelle Beschränkungen erfordern oft den kombinierten Einsatz von Techniken, um einen Selbstorganisationsprozess und die Aggregatstrukturen vollständig aufzuklären. Die anti-kooperative Merocyanin-Selbstorganisation, die hier zum ersten Mal für das PYOP-Merocyanin 2 beschrieben wurde, ist keine Ausnahme. Neben dem Interesse an den Merocyanin-Aggregaten aus struktureller und funktioneller Sicht können die aus den vorgestellten Studien gewonnenen Erkenntnisse auch auf andere Selbstassemblierungs-systeme übertragen werden und als Leitfaden für die Suche nach der am besten geeigneten Analysemethode dienen.

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in dt. Sprache.

The present thesis comprises the synthesis of new functional merocyanine dyes, the study of their electro-optical properties as well as solid state packing and their application as p-type semiconductor materials in transistor and solar cell devices. The absorption properties of the obtained compounds could be modified by variation of the donor unit, the introduction of electron-withdrawing substituents in the acceptor unit or elongation of the polymethine chain. For a particular dye, the absorption band could be shifted by more than 160 nm by increasing the solvent polarity due to a conformational switch between a merocyanine-like and a cyanine-like structure. Single crystal analyses revealed that the studied dyes tend to pack either in an antiparallel fashion forming dimers with no overall dipole moment or in a staircase-like pattern where the dipole moments point to the same direction and are only balanced by another staircase oriented in the opposite direction (stair dimer). With respect to application as semiconductor materials, the latter packing arrangement resulted most favorable for charge carrier mobility. We concluded that this packing motif is preserved in the solar cell devices, where the selenium-containing dye afforded the highest performance of this series for an optimized planar-mixed heterojunction solar cell (6.2 %). / Die vorliegende Arbeit beschreibt die Synthese neuer funktioneller Merocyaninfarbstoffe sowie die Studie ihrer elektro-optischen Eigenschaften, ihrer Packungsmotive im Festkörper und deren Anwendung als p-Halbleitermaterialien in Transistoren und Solarzellen. Die optischen Eigenschaften der erhaltenen Moleküle konnten durch Variation der Donoreinheiten, Einführung elektronenziehender Substituenten am Akzeptorgerüst oder durch Verlängerung der Polymethinkette modifiziert werden. Im Fall einer außergewöhnlichen Verbindung konnte die Absorption um mehr als 160 nm verschoben werden, indem die Lösemittelpolarität erhöht wurde. Diese Verschiebung entspricht einem Konformationswechsel zwischen einer merocyaninartigen zu einer cyaninartigen Struktur. Einkristallstrukturanalysen zeigten für mehrere Substanzen ein antiparalleles Packungsmuster, welches die Aufhebung des Dipolmoments auf der supramolekularen Ebene bewirkt. Die entstandenen Dimere können je nach Substituenten entweder isoliert vorliegen oder eindimensionale Stapel bilden. Andere Substanzen zeigten jedoch ein bisher unbekanntes Packungsmuster, in welchem sich die Moleküle mit parallelen Dipolmomenten in einer treppenartigen Struktur aufeinander stapeln. Das makromolekulare Dipolmoment der Treppe wird hierbei durch eine benachbarte Treppe, welche in Gegenrichtung orientiert ist, ausgeglichen. Dieses neue Packungsmotiv eignete sich sehr für guten Ladungstransport, wodurch der Wirkungsgrad einer optimierten Solarzelle des Selenderivats auf bis zu 6.2 % gesteigert werde konnte.

Die Selbstorganisation von Merocyaninfarbstoffen zu supramolekularen Polymeren wurde untersucht. Dabei konnte die Anordnung der hoch dipolaren Farbstoffe durch die Verwendung von verschiedenen Kombinationen von Wasserstoffbrückenbindungsmotiven und dipolarer Aggregation der Chromophore gesteuert. / The self-assembly of merocyanine dyes into supramolecular polymers has been studied. Thereby, the spacial arrangement of the highly dipolar dyes has been controled by employing different combinations of hydrogen bonding motifs and dipolar aggregation of the chromophores.

The present thesis describes the development of a strategy to create discrete finite-sized supramolecular stacks of merocyanine dyes. Thus, bichromophoric stacks of two identical or different chromophores could be realized by folding of bis(merocyanine) dyes and their optical properties were discussed in terms of exciton theory. Quantum chemical calculations revealed strong exciton coupling between the chromophores within the homo- and hetero-π-stacks and the increase of the J-band of the hetero-dimers with increasing energy difference between the excited states of the chromophores could be attributed not only to the different magnitudes of transition dipole moments of the chromophores but also to the increased localization of the excitation in the respective exciton state. Furthermore, careful selection of the length of the spacer unit that defines the interplanar distance between the tethered chromophores directed the self-assembly of the respective bis(merocyanines) into dimers, trimers and tetramers comprising large, structurally precise π-stacks of four, six or eight merocyanine chromophores. It could be demonstrated that the structure of such large supramolecular architectures can be adequately elucidated by commonly accessible analysis tools, in particular NMR techniques in combination with UV/vis measurements and mass spectrometry. Supported by TDDFT calculations, the absorption spectra of the herein investigated aggregates could be explained and a relationship between the absorption properties and the number of stacking chromophores could be established based on exciton theory. / Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Strategie zur Herstellung definierter supramolekularer Stapel aus Merocyaninfarbstoffen. So konnten Dimere bestehend aus zwei identischen oder unterschiedlichen Chromophoren durch Faltung von Bis(merocyanin)-Farbstoffen realisiert und ihre optischen Eigenschaften anhand von Exzitonentheorie diskutiert werden. Quantenchemische Rechnungen ergaben eine starke Exzitonenkopplung sowohl zwischen gleichartigen, als auch zwischen energetisch unterschiedlichen Merocyaninfarbstoffen und der Anstieg der J-Bande der Heterodimere mit zunehmender Energiedifferenz zwischen den angeregten Zuständen der Chromophore konnte nicht nur der unterschiedlichen Größe der Übergangsdipolmomente der Chromophore, sondern auch der zunehmenden Lokalisation der Anregung im jeweiligen Exzitonenzustand zugeschrieben werden. Darüber hinaus führte die sorgfältige Auswahl der Länge der Linkereinheit, welche den interplanaren Abstand zwischen den beiden Chromophoren im Bis(merocyanin) definiert, zur Selbstassemblierung zu Dimeren, Trimeren und Tetrameren, welche definierte π-Stapel bestehend aus vier, sechs oder acht Merocyaninchromophoren umfassen. Es konnte gezeigt werden, dass die Struktur solch großer supramolekularer Architekturen mittels allgemein zugänglicher Analyseverfahren, insbesondere der NMR-Technik in Kombination mit UV/vis-Messungen und Massenspektrometrie, aufgeklärt werden kann. Anhand der so etablierten Modellsysteme konnten schließlich die Absorptionseigenschaften definierter π-Stapel diskutiert und ein Zusammenhang mit der Anzahl der gestapelten Chromophore hergestellt werden.

Würzburg, Univ., Diss., 2008