Ces travaux de thèse ont visé à étudier la fonctionnalisation de complexes mono et ditopique de bore(III), BODIPY et BOPHY, en vue d’une application en cellule solaire organique. Les caractérisations préliminaires des nouveaux matériaux synthétisés ont permis d’identifier les matériaux aux propriétés physico-chimiques les plus adaptées à une telle application. Ainsi, il a été possible d’utiliser pour la première fois un dérivé de BOPHY comme matériau de type p prometteur au sein d’une cellule solaire organique, et un rendement de conversion énergétique de 4,2% a été atteint. La fonctionnalisation orthogonale du 1,3,5,7-tétraméthyles BODIPY a permis de faire passer le rendement de conversion de référence de BODIPY comme matériaux de type p de 4,7 à 5,8%. Enfin, une méthodologie synthétique originale et polyvalente d’obtention de BODIPY α-fusionnés, les BOBIM, a été développée. Présentant à la fois une absorption intense dans le visible et une très forte affinité électronique, ils ont été caractérisés comme matériaux de type n. / A study of the functionalization of boron(III) complexes, BODIPY and BOPHY, was carried out in order to characterize new n and p-type materials for bulk heterojunction organic solar cells. The properties of this materials were investigated through spectroscopic, electrochemical and charges transport analysis, and the most promising candidates were characterized in photovoltaic devices. For the first time a BOPHY derivative was used as p-type materials in such organic solar cell, providing a promising PCE of 4.2%. A study of the orthogonal functionalization of the 1,3,5,7-tetramethyls BODIPY allowed the synthesis and characterization of a new BODIPY based p-type material which exhibits the highest PCE of 5.8% for such material to date. The last chapter of this thesis develops an original and versatile synthetic method to obtain α-fused BODIPY. This family of molecules exhibit both intense absorption in the near-IR and low lying LUMO, and has been hence characterized as n-type materials.

In the last 25 years, organic or "plastic" solar cells have gained commercial interest as a light-weight, flexible, colorful, and potentially low-cost technology for direct solar energy conversion into electrical power. Currently, organic solar cells with a maximum power conversion effciency (PCE) of 12% can compete with classical silicon technology under certain conditions. In particular, a variety of strongly absorbing organic molecules is available, enabling custom-built organic solar cells for versatile applications. In order to improve the PCE, the charge carrier mobility in organic thin films must be improved. The transport characterization of the relevant materials is usually done in neat layers for simplicity. However, the active layer of highly efficient organic solar cells comprises a bulk heterojunction (BHJ) of a donor and an acceptor component necessary for effective charge carrier generation from photo-generated excitons. In the literature, the transport properties of such blend layers are hardly studied. In this work, the transport properties of typical BHJ layers are investigated using space-charge limited currents (SCLC), conductivity, impedance spectroscopy (IS), and thermally stimulated currents (TSC) in order to model the transport with numerical drift-diffusion simulations. Firstly, the influence of an exponential density of trap states on the thickness dependence of SCLCs in devices with Ohmic injection contacts is investigated by simulations. Then, the results are applied to SCLC and conductivity measurements of electron- and hole-only devices of ZnPc:C60 at different mixing ratios. Particularly, the field and charge carrier density dependence of the mobility is evaluated, suggesting that the hole transport is dominated by exponential tail states acting as trapping sites. For comparison, transport in DCV5T-Me33:C60, which shows better PCEs in solar cells, is shown not to be dominated by traps. Furthermore, a temperature-dependent IS analysis of weakly p-doped ZnPc:C60 (1:1) blend reveals the energy-resolved distribution of occupied states, containing a Gaussian trap state as well as exponential tail states. The obtained results can be considered a basis for the characterization of trap states in organic solar cells. Moreover, the precise knowledge of the transport-relevant trap states is shown to facilitate modeling of complete devices, constituting a basis for predictive simulations of optimized device structures. / Organische oder "Plastik"-Solarzellen haben in den letzten 25 Jahren eine rasante Entwicklung durchlaufen. Kommerziell sind sie vor allem wegen ihres geringen Gewichts, Biegsamkeit, Farbigkeit und potentiell geringen Herstellungskosten interessant, was zukünftig auf spezielle Anwendungen zugeschnittene Solarzellen ermöglichen wird. Die Leistungseffzienz von 12% ist dabei unter günstigen Bedingungen bereits mit klassischer Siliziumtechnologie konkurrenzfähig. Um die Effzienz weiter zu steigern und damit die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, muss vor allem die Ladungsträgerbeweglichkeit verbessert werden. In organischen Solarzellen werden typischerweise Donator-Akzeptor-Mischschichten verwendet, die für die effziente Generation freier Ladungsträger aus photo-induzierten Exzitonen verantwortlich sind. Obwohl solche Mischschichten typisch für organische Solarzellen sind, werden Transportuntersuchungen der relevanten Materialien der Einfachheit halber meist in ungemischten Schichten durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit wird der Ladungstransport in Donator-Akzeptor-Mischschichten mithilfe raumladungsbegrenzter Ströme (space-charge limited currents, SCLCs), Leitfähigkeit, Impedanzspektroskopie (IS) und thermisch-generierter Ströme (thermally stimulated currents, TSC) untersucht und mit numerischen Drift-Diffusions-Simulationen modelliert. Zunächst wird mittels Simulation der Einfluss exponentiell verteilter Fallenzustände auf das schichtdickenabhängige SCLC-Verhalten unipolarer Bauelemente mit Ohmschen Kontakten untersucht. Die Erkenntnisse werden dann auf Elektronen- und Lochtransport in ZnPc:C60-Mischschichten mit verschiedenen Mischverhältnissen angewendet. Dabei wird die Beweglichkeit als Funktion von elektrischem Feld und Ladungsträgerdichte dargestellt, um SCLC- und Leitfähigkeitsmessungen zu erklären, was mit einer exponentiellen Fallenverteilung gelingt. Zum Vergleich werden dieselben Untersuchungen in DCV2-5T-Me33:C60, dem effizientesten der bekannten Solarzellenmaterialien dieser Art, wiederholt, ohne Anzeichen für fallendominierten Transport. Des weiteren werden erstmals schwach p-dotierte ZnPc:C60-Mischschichten mit temperaturabhängiger IS untersucht, um direkt die Dichte besetzter Lochfallenzustände zu bestimmen. Dabei werden wiederum exponentielle Fallenzustände sowie eine Gaußförmige Falle beobachtet. Insgesamt tragen die über Fallenzustände in Mischschichten gewonnenen Erkenntnisse zum Verständnis von Transportprozessen bei und bilden damit eine Grundlage für die systematische Identifizierung von Fallenzuständen in Solarzellen. Außerdem wird gezeigt, dass die genaue Beschreibung der transportrelevanten Fallenzustände die Modellierung von Bauelementen ermöglicht, auf deren Grundlage zukünftig optimierte Probenstrukturen vorhergesagt werden können.

Organic photovoltaic (OPV) is a promising technology for renewable energy at low cost. Over the last five years, the power conversion efficiency (PCE) has doubled to 12%, which still is clearly lower than commercially available inorganic solar cells with a PCE around 20%. One approach to improve the PCE is to complement the conversion of light into electrical energy with the infrared (IR) part of the solar spectrum. However, the fundamental difference between organic and inorganic semiconductors is the exciton binding energy. Compared to inorganic semiconductors, in organic materials the exciton binding energy is more than 20 times higher, leading to strongly bound electron hole pairs, which are primarily generated upon photo-excitation. To dissociate these charges, in OPV, a donor-acceptor system is used. However, the energetics of this donor-acceptor system lowers the obtained open circuit voltage, representing one major loss of OPV as compared to inorganic solar cells. In the first part of this work, three benzannulated 4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene (aza-BODIPY) infrared absorbing donor dyes with methyl, methoxy, or without side-group attached are investigated. The solar cells with the highest PCE, i.e. the devices using the donor molecule without a side-group, exhibit a difference between the optical and the effective gap of 0.17 eV. It reflects the "driving force" for the electron to transfer from the donor to the acceptor, and is lowest for the best performing device, indicating that in the devices used efficient charge dissociation does not require large electron transfer energy loss. A - for OPV - relatively high open circuit voltage of 0.81 V is measured and when compared to the optical gap of the donor, a voltage loss of 0.74 V is obtained, reflecting the high voltage losses in OPV. In inorganic devices these voltage loss is around 0.4 V. One approach to lower this difference in the voltage loss is to lower the exciton binding energy of neat organic materials, leading to a larger exciton size. A saturation of the exciton size at about 1.2 nm is calculated by time dependent density functional method (TD-DFT) for one dimensional conjugated organic molecules with a size larger than 4nm. For the largest size of the exciton, provided by the poly(benzimidazobenzophenanthroline) (BBL), a Coulomb interaction of 0.4 eV between the electron and hole wave function is calculated, leading to an estimated exciton binding energy of about 0.2 eV, serving as a lower limit for the organic molecules investigated. The exciton binding energy can further be lowered by increasing the dielectric constant or by introducing a charge transfer (CT) state between two adjacent molecules. It is shown for the ladder polymer BBL that the dielectric function, including ionic and electronic contributions, can be calculated by a new method within the DFT and TD-DFT framework. In agreement with ellipsometry measurements, a highly anisotropic dielectric constant is obtained, which is 8.3 along the backbone of the polymer and around 3 perpendicular to the polymer. The high dielectric constant along the backbone originates from the strong delocalization of the electrons along the π-system. The ionic contribution increases the mean value of the dielectric constant from 3.6 to 4.2. In order to further increase the dielectric constant, different polar side-chains are attached to the ladder polymer BBL and their dielectric constant is calculated. A strong increase of the dielectric constant to about 17 is obtained by attaching a zwitterionic side-chain to the BBL monomer. In order to lower the exciton binding energy by a CT state, a charge transfer from a donor to an acceptor molecule must be introduced. The Coulomb binding energy of intermolecular CT states are calculated. It is shown that an intermolecular CT state of two π-stacked BBL oligomers does not exhibit a lower Coulomb binding energy as compared to the intramolecular binding energy. However, by a spatial separation of the donor and the acceptor molecule, in-line of the polymer backbone, the Coulomb binding energy is reduced from 0.40 eV to 0.24 eV. Combining such CT states with the high dielectric constant obtained by zwitterionic side-chains would lead to an exciton binding energy close to the thermal energy, resulting in spontaneous free carrier generation on neat materials. This could potentially reduce the voltage losses and increase the PCE in OPV devices significantly. / Die organische Photovoltaik stellt eine kostengünstige, erneuerbare und daher zukunftsgerichtete Energieversorgung dar. Die Umwandlungseffizienz organischer Solarzellen von Sonnenenergie in elektrische Energie konnte über die letzten fünf Jahre auf 12% verdoppelt werden. Kommerziell erhältliche anorganische Solarzellen weisen im Vergleich dazu eine Effizienz von ca. 20% auf. Eine Möglichkeit, die Effizienz organischer Solarzellen zu erhöhen, ist die Umwandlung von Licht in Elektrizität nicht nur im sichtbaren Bereich, sondern zusätzlich auch im infraroten Bereich des Sonnenspektrums. Der größte Unterschied zwischen den organischen und anorganischen Solarzellen liegt allerdings in der Exzitonbindungsenergie, welche in organischen Materialien ca. 20 Mal größer ist. Um das Exziton in freie Ladungsträger zu trennen, wird in organischen Solarzellen deshalb ein Donator-Akzeptor-Übergang benutzt, welcher unter anderem auch für den Spannungs- und damit für den Effizienzverlust von organischen Solarzellen verantwortlich ist. Im ersten Teil der Dissertation werden verschiedene funktionalisierte Donator-Moleküle, die infrarotes Licht absorbieren, untersucht. Die Donator-Moleküle ohne zusätzliche Funktionalisierungsgruppe weisen dabei die höchste Umwandlungseffizienz auf. In den besten Zellen kann ein Unterschied zwischen der optischen und effektiven \"Bandlücke\" von 0,17 eV gemessen werden. Dieser Unterschied stellt die treibende Kraft für den Übergang des Elektrons vom Donator zum Akzeptor dar. Da jedoch dieser Unterschied in der besten Solarzelle am geringsten ist, scheint die Dissoziation der Ladungsträger in den untersuchten Donator-Akzeptor-Systemem nicht vom ihm abzuhängen. Die gemessene relative hohe Leerlaufspannung von 0,81 V ist 0,74 V kleiner als die effektive Bandlücke und zeigt die hohen Spannungsverluste organischer Solarzellen. Die Spannungsverluste anorganischer Solarzellen liegen im Bereich von 0,4 V. Ein Ansatz, um die Spannungsverluste zu verkleinern, liegt in der Reduzierung der Exzitonbindungsenergie, woraus ein größeres Exziton erfolgt. Mit der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie wird an einer Reihe organischer Moleküle gezeigt, dass die Exzitongröße bei einer Moleküllänge (oder Konjugationslänge) größer als 4nm bei 1,2nm sättigt. Für das größte Exziton, welches im Leiterpolymer Poly(benzimidazobenzophenanthroline) (BBL) vorhanden ist, wird eine Coulomb-Bindungsenergie von 0,4 eV berechnet und eine Exzitonbindungsenergie von 0,2 eV abgeschätzt. Die Exzitonbindungsenergie kann entweder durch Erhöhung der Dielektrizitätskonstante oder durch Erzeugung eines Ladungstransfer-Zustandes weiter verringert werden. Es wird gezeigt, dass mit einer neu entwickelten Methode auf Basis der Dichtefunktionaltheorie die ionischen und elektronischen Beiträge zur dielektrischen Funktion von BBL berechnet werden können. Die berechneten anisotropen Werte stimmen gut mit Werten aus Ellipsometriemessungen überein. Entlang der Polymerkette erhalten wir eine hohe Dielektrizitätskonstante von 8,3 und senkrecht dazu von ca. 3. Die hohe Dielektrizitätskonstante entlang der Polymerkette kann auf die starke Delokalisation der π-Elektronen zurückgeführt werden. Der Mittelwert der Dielektrizitätskonstante wird durch die ionischen Beiträge von 3,6 auf 4,2 erhöht. Um die Dielektrizitätskonstante weiter zu erhöhen, werden verschiedene polare Seitenketten am BBL-Polymer angebracht und die Dielektrizitätskonstante berechnet. Es wird gezeigt, dass die Anbringung einer zwitterionischen Seitenkette am BBL-Monomer die Dielektrizitätskonstante auf 17 erhöht. Um die Exzitonbindungsenergie durch einen Ladungstransfer-Zustand zu verringern, werden ein Donator- und ein Akzeptor-Molekül benötigt. Die Coulomb-Bindungsenergien der intermolekularen Ladungstransfer-Zustände werden berechnet. Es wird gezeigt, dass intermolekulare Ladungstransfer-Zustände zwischen zwei π-gestapelten BBL-Oligomeren keine Verringerung der Coulomb-Bindungsenergie bewirken. Bei einer räumlichen Trennung des Donator- und Akzeptor-Moleküls entlang der Polymerkette kann die Coulomb-Bindungsenergie von 0,40 eV auf 0,24 eV gesenkt werden. Eine Kombination aus diesem Ladungstransfer und der Erhöhung der Dielektirizitätskonstante durch zwitterionische Seitenketten kann zu einer niedrigen Exzitonbindungsenergie, nahe der thermischen Energie, und damit zu freien Ladungsträgern führen. Der damit verringerte Spannungsverlust kann die Umwandlungseffizienz organischer Solarzellen signifikant erhöhen.

Les cellules solaires organiques continuent leur essor dans le domaine du photovoltaïque, grâce aux structures et matériaux activement étudiés, pour tendre vers le maximum de rendement et passer le cap de l'industrialisation. La séparation de phase des matériaux qui constituent la couche photo-active des cellules à hétérojonction en volume gouverne en partie les performances de la cellule, ainsi que des phénomènes de recombinaison liés à la photo-conversion. Des moyens de caractérisation spécifiques sont nécessaires pour sonder les propriétés des cellules aussi bien à l'échelle microscopique qu'à l'échelle nanométrique. Des bancs de caractérisations opto-électriques pour les cellules solaires organiques ont alors été développés. Ainsi, la technique du courant induit par faisceau lumineux (LBIC) permet de visualiser l'uniformité des cellules avec une résolution de 50µm. La microscopie à force atomique en mode conduction (C-AFM) permet quant à elle de sonder les propriétés photo-électriques des cellules à l'échelle du nanomètre. / Organic solar cells are becoming more prominent in the photovoltaic field thanks to new materials and stacked structures. The active layer of bulk heterojunction solar cells is composed of an interpenetrating network of electron donor and acceptor materials. Vertical phase separation governs cells power conversion efficiency and recombination phenomena are still being studied. Specific characterization tools are necessary to gain insights into cell properties at the nanometer scale and at the molecular level. In this context, this thesis allowed the development of electrical characterization tools for bulk heterojunction organic solar cells based on polymer/fullerene blend. Thus, the Light Beam induced Current (LBIC) technique has been developed to check the current uniformity of the cells with a 50µm resolution. Conductive-AFM (C-AFM) has been used to probe the photovoltaic properties of the cells in the nanometer range.

Ce travail porte dans un premier temps sur l’optimisation du matériau constituant la couche d’injection des trous dans les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs) et les cellules solaires organiques (OPVCs). Les Polyanilines (PANIs) utilisées dans ce travail sont dispersées dans différents solvants organiques ou dans l'eau. L’effet de l’épaisseur, de la morphologie et de la conductivité des films de PANI sur l’efficacité des cellules solaires a été étudié. Les résultats montrent que la conductivité et l’épaisseur des films de PANI affectent énormément l’efficacité des dispositifs OLEDs ou OPVCs. Le dopant et le solvant utilisés dans la synthèse de la dispersion de PANI jouent aussi un rôle important. Dans un second temps, différentes PANIs ainsi que des latex de PEDOT et des nanotubes de carbone ont été utilisés seuls en tant qu'électrode dans le but d'accéder à des dispositifs "tout polymère". L’influence du pH, de la conductivité, du travail de sortie, la nature du dopant et du solvant sur les propriétés de l’injection de charge ont été analysés. / The optimization of hole injection materials in organic light emitting diodes (OLEDs) and organic photovoltaic cells (OPVCs) is reported. Water and organic solvent-based PANIs were used. We have studied the influence of the thickness, the morphology and the conductivity of PANI films in (OPVCs) performances. The results show that the conductivity and the thickness of the PANI film greatly affect (OLED) and (OPVCs) effectiveness. The dopant and the solvent used in the synthesis of PANI dispersion also play an important role. PANI and PEDOT dispersions as well as carbon nanotube were also used as electrodes without ITO. The effect of pH, conductivity, the work function, the nature of the dopant and the solvent in the injection property were analyzed.

This diploma thesis concentrates on the properties characterization of new organic materials for solar cells. In the theoretical part, there is a solar cells themed literature search, there is described a mechanism of conversion of solar energy, factors influencing photovoltaic conversion efficiency and materials using for preparation of organic solar cells. The practical part includes the preparation of solar cells and characterization of optical and electrical properties of the studied materials in thin layers and solutions. Used materials were conjugated polymers and derivatives of fullerenes.

Tato diplomová práce se zabývá studiem plasmonicky navýšené absorpce vedoucí ke zlepšení účinnosti organických solárních článků. K navýšení absorpce světla ve fotoaktivní vrstvě jsou použity koloidní nanočástice stříbra. Rozptyl světla z nanočástic střibra do fotoaktivní vrstvy představuje jedno z možných řešení, jak navýšit celkovou účinnost fotovoltaických zařízení. Simulace elektromagnetických jevů jsou pro statické podmínky prováděny v softwaru Lumerical (Lumerical Solutions, Inc.). Je zkoumána absorpce ve fotoaktivní vrstvě v závislosti na konfiguraci stříbrných nanočástic. Simulace potvrzují, že ve fotoaktivní vrstvě, která je modifikovaná nanočásticemi stříbra, dochází k navýšení absorpce. Abychom potvrdili výsledky simulací, bylo vyrobeno několik stříbrem modifikovaných vzorků. Vzorky byly pro tento druh experimentu připravené z poly(3-hexyltiofenu):[6,6]-fenyl-C61-butyric-acid-metyl esteru. U některých, nanočásticemi stříbra modifikovaných, vzorků dochází k navýšení tvorby excitonů, v důsledku čehož je pozorován nárůst fotoproudu. V této práci je zahrnut teoretický i experimentální přístup k dané problematice.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Langzeitstabilität organischer Solarzellen. Die Solarzellen als Gegenstand dieser Untersuchungen sind dabei aus Materialien aufgebaut, die mittels thermischer Gasphasenabscheidung im Vakuum hergestellt werden. Das unterscheidet diese von vielen in der Literatur vorgestellten Alterungsstudien, die Polymersolarzellen behandeln. Als Standardsystem werden einfache pii-Bauelemente ausgewählt, die in ZnPc und C60 zwei gut untersuchte Materialien in der aktiven Donor-Akzeptor-Schicht nutzen. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind dabei in drei Kapiteln zusammengefasst. In Kapitel 5 wird untersucht, wie sich verschiedene Faktoren auf die Lebensdauer der Solarzellen auswirken. Für verkapselte Solarzellen mit MeO-TPD in der Lochtransportschicht wird die thermische Beschleunigung der Degradation mit einem Arrhenius’schen Verhalten beschrieben und eine Aktivierungsenergie EA=712 meV gefunden. Aus dieser Beschreibung wird für verkapselte Solarzelle bei 100 mW cm-2 und 45°C eine Lebensdauer von 62.000 h extrapoliert, die experimentell nicht verifiziert werden kann. Auch der Einfluss der Beleuchtungsintensität auf die Degradationsgeschwindigkeit wird untersucht und kann systematisch erklärt werden: Die Beschleunigung, die sich aus einer Erhöhung der Intensität weißen Lichtes ergibt, kann beschrieben werden, indem man die Anzahl extrahierter Ladungsträger berechnet. Bei Alterungen unter verschiedene Intensitäten ist diese Zahl identisch, wenn man die Messung bei gleichem Grad der Degradation betrachtet. Diese Modell kann auch auf monochromatische Beleuchtung ausgedehnt werden und es zeigt sich bei einem Vergleich über alle untersuchten Wellenlängen, dass der Anstieg der fallenden Kurven umso steiler wird, je höher die kürzeste Wellenlänge des jeweiligen Spektrums ist. Der zweite Teil dieses Kapitels ist der Degradation unverkapselter Solarzellen mit BF-DPB als Lochtransportmaterial gewidmet. Durch Variation von Temperatur und relativer Luftfeuchte konnten beide Einflussfaktoren in einem kombinierten Modell, dem Peck-Modell, zusammengefasst werden. Dieses wurde bisher nicht zur Beschreibung des Degradationsverhaltens von Solarzellen verwendet. Eine Vorhersage der Lebensdauer bei beliebigen Werten für beide Parameter ist somit möglich. Deutlich sticht in diesem Experiment hervor, dass die Anwesenheit von Wasser die Degradation klar dominiert. Darauf folgen Messungen, bei denen die Wasserpermeationsrate (WVTR) der Verkapselung variiert wird. Dabei stellt sich heraus, dass diese besser als 10-3 g m-2 d-1 sein muss, um die Stabilität zu verbessern. Durch eine Trennung der WVTR der äußeren Barriere und jener der Aluminiumelektrode ist es möglich, den Wert WVTR(Al) zu ermitteln. Dieser beträgt 8 x10-4 g m-2 d-1. Zusätzlich kann die Wassermenge, die benötigt wird, um die untersuch-ten Solarzelle auf 50% des Startwertes zu degradieren, zu 10 mg m2 bestimmt werden. Kapitel 6 zeigt eine umfassende Charakterisierung von an Luft degradierten Solarzellen. Mit den chemischen Analysemethoden TOF-SIMS und LDI-TOF-MS können mehrere Reaktionen der verwendeten Materialien mit Luft identifiziert werden. Dabei sticht die Oxidation der BPhen-Aluminium-Grenzschicht, die zur Bildung von Al2O3 führt, hervor. Weitere Reaktionsprodukte, vor allem in Verbindung mit Fluor, welches aus der Zersetzung von C60F36 stammt, werden gezeigt. Die Oxidation der Organik-Aluminium-Grenzschicht kann mit Hilfe von Elektrolumineszenzmessungen untersucht werden. Bei diesen zeigt sich, dass die Abnahme der aktiven Fläche in vollem Umfang Ursache für die Reduktion der Kurzschlussstromdichte ist. Als Eintrittskanäle für Sauerstoff und Wasser werden neben pinholes auch die Seitenkanten der Solarzelle identifiziert. Hinweise für die flächige Diffusion von Wasser werden zusätzlich erbracht. Erster Ansatz zur Verbesserung der Langzeitstabilität ist der Austausch von BPhen durch ein dotiertes Elektronen-transportmaterial. Eine Variation von fünf Materialien zeigt, dass ein Zusammenhang zwischen Rauigkeit dieses Materials und der Lebensdauer besteht: So werden die besten Stabilität für Materialien wie C60 und Bis-HFl-NTCDI gezeigt, die mit einer geringen Rauigkeit aufwachsen. Die Lebensdauer beträgt am Beispiel von Bis-HFl-NTCDI bei [T=65°C; rH=2,2%] T50=762 h und ist damit etwa viermal so groß wie bei Verwendung von BPhen. Weitere Optimierungsversuche, zum Beispiel durch Variation der Elektrode, des p-Dotanden, oder der Invertierung der Struktur zeigen zwar zusätzliche Degradationspfade auf, führen aber zu keiner Verbesserung der Stabilität. Auf Basis zuvor durchgeführter Überlegungen zu Redoxreaktionen (organischer) Materialien mit Wasser und Sauerstoff wird zum Abschluss der Arbeit ein möglicher Aufbau für luftstabile organische Solarzellen vorgeschlagen.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Organische Halbleiter 2.2 Grundlagen der Photovoltaik 2.3 Quasi-Fermi-Niveaus & Würfel-Modell 2.4 Organische Solarzellen 3 Grundlagen zu Langzeitmessungen 3.1 Anforderungen an organische Solarzellen 3.2 Materialien 4 Experimentelle Grundlagen 4.1 Herstellung der Solarzellen und Ca-Tests 4.2 Verkapselung 4.3 Charakterisierungsmethoden 4.4 Alterungsmessungen 4.5 Verwendeter Probenaufbau 5 Variation der Alterungsbedingungen 5.1 Alterung in Inertatmosphäre 5.2 Alterung in Anwesenheit von Luft 5.3 Korrelation von Laborbewitterung und Außenmessung 5.4 Zusammenfassung 6 Charakterisierung gealterter Solarzellen 6.1 TOF-SIMS 6.2 UI-Kennlinien, EQE und Absorption 6.3 Elektrolumineszenzmessungen 6.4 Elektrische Simulation 6.5 LDI-TOF-MS 6.6 Zusammenfassung 7 Optimierung der Lebensdauer 7.1 Variation der Elektronentransportschicht in pin-Solarzellen 7.1.5.2 Rauigkeit 7.1.6 Zusammenfassung 7.2 Invertierte Struktur: pin vs. nip 7.3 Variation des Deckkontaktes 7.4 Variationen in der Lochtransportschicht 7.5 Zusammenfassung: Optimierung der Lebensdauer 8 Zusammenfassung und Ausblick 8.1 Zusammenfassung 8.2 Ausblick

This study focuses on the architectural modification of pin-type small-molecule organic solar cells, in particular on the absorption layer and its influence on the key solar cell parameters, such as short circuit current density, fill factor and open circuit voltage. Three different approaches have been applied to improve the match between the solar spectrum and the spectral sensitivity of organic solar cells. In the first part, deposition parameters such as substrate temperature, gradient strength and (graded) absorption layer thickness are evaluated and compared to organic solar cells with homogeneously deposited absorption layers. Moreover, the gradient-like distribution of the absorption layer is characterized optically and morphological effects have been extensively studied. In order to isolate the origin of the efficiency improvement due to the graded architecture, voltage-dependent spectral response measurements have been performed and gave new insights. The second part concentrates on the efficient in-coupling of converted UV light, which is usually lost because of the cut off properties of organic light in-coupling layers. Via Förster resonance energy transfer, the absorbed UV light is re-emitted as red light and contributes significantly to higher short circuit current densities. The correlation between doping concentration, simple stack architecture modifications and the performance improvement is duly presented. In the third and last part, the impact of tri-component bulk heterojunction absorption layers is investigated, as these have potential to broaden the sensitivity spectrum of organic solar cells without chemical modification of designated absorber molecules. Along with the possibility to easily increase the photocurrent, an interesting behavior of the open circuit voltage has been observed. Knowledge about the impact of slight modifications within the solar stack architecture is important in order to be able to improve the device efficiency for the production of cheap and clean energy.

In this work, the capacitive response of organic electronic devices is analysed. Particular attention is given to small-molecule organic solar cells, with the purpose of deriving an equivalent circuit for the small-signal response of these devices. The different components characterising the solar cells electrical response are individuated and discussed and a specific physical meaning is associated with each element of the equivalent circuit. In the experimental section, the capacitive elements of the equivalent circuit are characterised by analysing organic diodes and solar cells. It is found that the capacitance of an organic solar cell is a combination of four components: the dielectric response of the materials, the depletion regions formed at the interfaces, the accumulation of free and trapped charge carriers. The depletion regions formed in organic doped semiconductors are characterised by analysing organic p/n homojunction diodes composed of Zinc-Phtalocyanine (ZnPc). The results demonstrate that the mechanisms involved in the formation of depletion zones in organic semiconductors can be described by the classical Mott-Schottky theory. This allows to estimate the free charge carrier density of doped layers with capacitance measurements. In addition, the current-voltage characteristics of organic p/n homojunctions are found not to obey the classical Shockley theory. It is demonstrated that charge carrier tunnelling is the cause of this discrepancy and an analytic model is used to describe the current-voltage characteristics. The accumulation of free charge carriers is found to induce capacitance effects typical of relaxation semiconductors. In presence of unbalanced charge carriers injection, negative capacitance values are observed. It is shown that in different organic semiconductor devices, the injection of minority charge carriers induces a depletion in the majority concentration, resulting in a negative value of the accumulation capacitance. Finally, the capacitance associated to trap states in ZnPc:C60 organic solar cells is analysed. The spatial position and occupation mechanisms of the traps are estimated. The trapping mechanism in small-molecule organic solar cells is clarified and the energetic distribution of these trap states is estimated being a Gaussian function with 55 meV width, a density of 3.5 × 1016 cm−3 and centred 0.458 eV below the electron transport level. Trap states are also found to act as recombination centres, limiting the efficiency of organic solar cells.:1 Introduction 1.1 The energetic problem 1.2 The role of renewables 1.3 Photovoltaic energy 2 Basics 2.1 Organic Semiconductors 2.1.1 Molecular Orbital Theory 2.1.2 Conjugated Molecules 2.1.3 From Molecules to Solids 2.1.4 Charge Transport in Organic Semiconductors 2.1.5 Molecular Doping 2.2 Conventional Solar Cells 2.2.1 The Shockley Diode Equation 2.2.2 Solar Cells Characteristic 2.2.3 Non-idealities in Real Devices 2.3 Organic Solar Cells 2.3.1 Working principle of Organic Solar Cells 2.3.2 Exciton Dissociation and Charge Carriers Separation 2.3.3 Recombination in Organic Solar Cells 2.3.4 The p-i-n Concept 3 Impedance Spectroscopy 3.1 Introduction to Impedance Spectroscopy 3.1.1 Impedance Measurement Techniques 3.1.2 Impedance-Derived Functions 3.1.3 Graphical Representation of the Impedance 3.1.4 Fitting techniques for EIS Data 3.2 Impedance of Fundamental Circuits 3.2.1 Series RC circuit 3.2.2 Parallel RC circuit 3.2.3 The R(RC) circuit 3.3 Equivalent circuits for organic solar cells 3.3.1 The equivalent circuit of solar cells without defects 3.3.2 Equivalent circuits in presence of non-idealities 4 Organic p/n Homojunction Diodes 4.1 Introduction 4.2 Experimental 4.3 Asymmetrical Junction Diodes 4.3.1 n-doping of ZnPc 4.3.2 Capacitance Measurements 4.4 p/n Organic Diodes 4.4.1 Depletion Region Analysis 4.4.2 Current-Voltage Characteristic of Organic p/n Diodes 4.4.3 Tunnelling Current in Organic p/n Diodes 4.5 Conclusions 5 Negative Capacitance 5.1 Introduction 5.2 Experimental 5.3 Results and Discussion 5.3.1 Organic p/n homojunction diodes 5.3.2 Metal/ZnPc/Metal devices 5.3.3 Small-molecule organic solar cells 5.4 Conclusions 6 Trap States 6.1 Introduction 6.2 Experimental 6.3 Trap states impedance 6.3.2 Distributed element equivalent circuit 6.3.1 Physical model of the traps impedance 6.3.3 Steady-state simulations 6.4 Experimental Results 6.4.1 Variation of Active Layer Thickness 6.4.2 The Effect of Doped Transport Layers 6.4.3 Response to the Bias Voltage 6.4.4 Trap Response under Illumination 6.4.5 Impedance Spectra Fitting 6.5 Conclusions