Organic solar cells are one of the most promising candidates for future solar power generation. They are thin and lightweight with several additional advantages such as scalability, environmental sustainability and low cost for processing and installation. However, the low charge carrier mobility of the absorbing material for organic solar cells requires thin absorber layers, limiting photon harvesting and the overall power conversion efficiency. Several attempts, e.g., periodically patterned structures and scattering layers have been tried to enhance the absorption of thin-film solar cells as light trapping elements. However, much effort is required to introduce light trapping structures to conventional rigid metal oxide electrodes and glass substrate. For instance, almost 13 hours are required to fabricate micro structures of 1 m2 area on glass, in contrast, 1 minute on PET using a same laser set-up and an additional scattering layers are demanded for providing light trapping effects to solar cells. In the last years, flexibility is emerging as the one of the major advantages of organic solar cells. To realize flexibility of solar cells, the classically used glass substrates and ITO electrodes are too brittle. Therefore, polymer materials are promising candidates to replace them as flexible electrodes and substrates. In this thesis, the highly transparent conducting polymer, PEDOT:PSS and PET equipped with an AlOx encapsulation layer are used as electrode and substrate, respectively. Besides the flexibility, additional light trapping elements, e.g. scattering particles, nano- and microstructures can be easily applied to the polymer materials since they have the potential for easier shaping and processing. In this study, we apply different light trapping and in-coupling approaches to organic solar cells. First, PET substrates are structured with a direct laser interference patterning system, which is a powerful and scalable one-step technique for patterning polymers. Almost 80 % of the light is diffracted by these patterned PET substrates and thereby the light path in the absorption layer is increased. Optical display films, commercially developed to be used as back light units of liquid crystal displays are also examined as light trapping substrates and exhibit similar enhancement as patterned PET. Moreover, since PEDOT:PSS is prepared by a solution-based process, TiO2 nanoparticles are added as light scattering elements to the PEDOT:PSS electrodes. Consequently, those electrodes provide a dual function as electrical contact and light trapping element. Finally, 2- or 3-dimensional nanostructures are printed by a nano-imprinting technique onto the surface of PEDOT:PSS with PDMS stamps. By controlling the temperature and the time of PEDOT:PSS during an annealing step, nanostructures are transferred from PDMS masks to PEDOT:PSS. To evaluate the effects of light trapping for all above mentioned approaches, flexible organic solar cells are produced by vacuum evaporation using blends of DCV5T-Me and C60 as absorber layer. The substrates are optically characterized using UV-vis spectrometer and goniometer measurements. The topography of the samples is measured by atomic force microscopy, scanning microscopy and optical microscopy. Bending tests with various radii are performed to test the flexibility of the substrates. In summary, light trapping effects are successfully implemented in the electrodes and substrates for OPVs, giving efficiency improvements of up to 16 %. The light trapping mechanisms in our approaches are extensively discussed in this thesis. / Organische Photovoltaik ist einer der vielversprechendsten Kandidaten für die zukünftige Solarstromgewinnung auf flexiblen Substraten. Um diese Flexibilität zu ermöglichen, sind herkömliche Glassubstrate mit ITO-Elektroden zu spröde. Ein vielversprechender Kandidat, um sowohl flexible Elektroden als auch flexible Substrate herzustellen, sind Polymere, da diese sehr biegsam und leicht zu verarbeiten sind. Deshalb wird in dieser Arbeit das hoch transparente, leitfähige Polymer PEDOT:PSS als Elektrode und PET (mit einer AlOx Verkapselungsschicht) als Substrat untersucht. Aufgrund der guten Prozessierbarkeit der Polymere konnten wir zusätzlich zu den eigentlichen Funktionen des Substrates und der Elektrode noch den Mechanismus des Lichteinfangs hinzufügen. Zusätzlich zu ihrer Flexibilität haben organische Solarzellen noch weitere Vorteile: sie sind dünn, leicht, skalierbar und verursachen vergleichsweise geringe Kosten für Herstellung und Installation. Ein Nachteil organischer Solarzellen ist die vergleichsweise geringe Ladungsträgerbeweglichkeit der Absorbermaterialien, welche oft die Schichtdicke der Absorbermaterialien begrenzt. Dies hat weniger absorbierte Photonen, weniger Stromdichte und somit einen geringeren Wirkungsgrad zur Folge. In den letzten Jahren wurden periodisch strukturierte Substrate und streuende Schichten als Lichteinfangelemente eingesetzt, um den Wirkungsgrad organischer Solarzellen mit dünnen Absorberschichten zu erhöhen. Gestaltungsregeln für solche Lichteinfangelemente sind noch weitestgehend unbekannt. Im Rahmen dieser Arbeit strukturieren wir PET Substrate mit einem direkten Laserinterferenzsystem, welches ein leistungsfähiges, skalierbares Einschrittverfahren zur Polymerstrukturierung ist. Da PEDOT:PSS aus der Lösung prozessiert wird, können wir weiterhin Nanopartikel hinzufügen, die der Elektrode zusätzlich noch lichtstreuende Eigenschaften geben. Außerdem können 2- bzw. 3-dimensionale Nanostrukturen leicht mithilfe einer Stempeltechnik eingeprägt werden. Um die Effekte des Lichteinfangs, welcher durch die oben genannten Methoden erzeugt wird, zu untersuchen, werden flexible organische Solarzellen mittels Vakuumverdampfung prozessiert. DCV5T-Me und C60 bilden dabei die photoaktive Schicht. Somit werden die Licht fangenden Eigenschaften dieser flexiblen Solarzellen ausgenutzt und ausführlich in der Arbeit diskutiert.

In dieser Arbeit habe ich mich hauptsächlich mit der optischen Spektroskopie im sichtbaren bis nahinfraroten Bereich an Akzeptoren für organische bulk-heterojunction Polymer-Fulleren Solarzellen beschäftigt. Dabei führte ich sowohl Untersuchungen an reinen Fullerenproben als auch Gemischen dieser mit Polymeren durch. Ergänzend sind Messungen zur Morphologie, den Spinzuständen und der Solarzellenleistung erfolgt. Erreicht werden sollte, die generelle Eignung neuartiger Akzeptoren für organische Solarzellen festzustellen, die photoinduzierten spektroskopischen Signaturen von optisch angeregten Anionen auf Fullerenen verschiedener Größe zu finden und zu interpretieren sowie zum Abschluss die Abläufe der Ladungsträgergeneration in Polymer:Lu3N@C80 Solarzellen nachzuvollziehen und dadurch die Ursache der vergleichsweise geringen Stromdichte in diesen Zellen zu verstehen, die 25 % geringer ist als in P3HT:PC60BM Solarzellen. Die Ergebnisse sind, dass C70-C70 Dimer Fullerene sehr gute Akzeptoren darstellen, die neben einer etwas besseren Absorption als C60 basierte Akzeptoren im Bereich um 500 nm sehr gute Fähigkeiten als Elektronenakzeptoren zeigen. Die Messung an Fullerenen verschiedener Größe, um Anionensignaturen zu finden, hat deutliche Signaturen für C60- bei 1.18 eV und für C70- bei 0.92 eV erbracht. Weniger einfach zu finden und interpretieren sind die Signaturen von C80- und C84-. Aufgrund der geringen Signalstärke sowie spezieller Eigenheiten der zur Verfügung stehenden Fullerene konnte ich nur einen ungefähren Bereich von 0.7~eV bis 0.4~eV für die Anionensignaturen abschätzen. Allerdings zeigt sich für alle Fullerene eine Rotverschiebung der Anionensignaturen hin zu niedrigeren Energien mit steigender Zahl der Kohlenstoffatome pro Fulleren. Die umfangreichste Untersuchung habe ich an dem Molekül Lu3N@C80 in seiner Funktion als Elektronenakzeptor in P3HT:Lu3N@C80 Solarzellen gemacht. Während das Molekül in Kombination mit P3HT eine hohe Leerlaufspannung von 835 mV erzeugt, ergeben diese Zellen geringere Stromdichten. Mein Ziel war es, die Prozesse zu identifizieren und zu verstehen, die dafür verantwortlich zeichnen. Aus der Kombination verschiedener Messmethoden, ergänzt mit generellen Erkenntnissen zu endohedralen Fullerenen aus der Literatur, ließ es zu, einen intramolekularen Elektronentransfer von den Lutetiumatomen innerhalb des C80 auf das Fulleren als Ursache zu identifizieren. Die in dieser Arbeit gewonnenen Daten liefern weitere Indizien, dass die Verwendung von C70 basierten Fullerenen eine gute Option zur Verbesserung des Wirkungsgrads von organischen Solarzellen sein kann, trotz der höheren Herstellungskosten. Die gefundenen Anionensignaturen auf den Fullerenen bieten einen weiteren Ansatz, die Anregungsabläufe in verschiedenen bulk-heterojunctions über spektroskopische Messungen nachzuvollziehen. Abschließend habe ich mit meinen Messungen an Lu3N@C80 einen generell zu beachtenden Effekt aufgezeigt, der bei der zukünftigen Synthese funktionaler Akzeptoren ähnlicher Art berücksichtigt werden sollte, um eine optimale Leistungsfähigkeit solcher Moleküle zu gewährleisten. Während die Projekte über die Dimer Akzeptoren und das Lu3N@C80 Molekül abgeschlossen wurden, sind bei der Untersuchung der Anionen, speziell auf großen Fullerenen, noch Fragen offen, und es wären zusätzliche Nachweise wünschenswert. Dies könnte mit spinsensitiven und zeitaufgelösten Messmethoden, die am Lehrstuhl vorhanden sind, an den hier schon vorgestellten Materialien erreicht werden. Eine weitere Möglichkeit wäre es zu versuchen, PC81$BM zu bekommen und dies zu untersuchen, auch in Gemischen mit noch mehr verschiedenen Polymeren mittels photoinduzierter Absorption. / The main topic of my thesis was the optical spectroscopy of accepters for organic bulk-heterojunction polymer-fullerene solar cells in the visible till near-infrared regime. Pure fullerene samples as well as blends of fullerenes with polymers were studied. Additionally measurements regarding the morphology, spin states and solar cell performance were done. The aims were to determine the ability of new molecules as acceptors for organic solar cells, to find and understand the photoinduced absorption signatures of optical excited anions on fullerene bulks of different sizes and finally to learn about the charge carrier generation process in polymer:Lu3N@C80 blends and thus understand the origin of the comparable low current density in this devices, about 25 % less than for P3HT:PC60BM solar cells. In our publications due to these topics we presented that the novel C70-C70 dimer fullerenes are fine acceptors for polymer:fullerene solar cells, showing a better absorption coefficient around 500 nm than C60 based acceptors and high singlet-exciton quenching rates. Anion signatures for fullerene molecules of different sizes were clearly found for C60- at 1.18 eV and for C70- at 0.92 eV. Less clear are my findings regarding the signatures for C80- and C84-. Due to the low signal-to-noise ratio in these measurements and some unique properties of the available materials I was only able to indicate a range from 0.7 eV down to 0.4 eV for the optically detected anion signatures of these fullerenes. Still all fullerenes showed a red shift to lower energies for the anion signatures getting stronger the more carbon atoms the fullerenes were made of. The most detailed research in this thesis was done about the Lu3N@C80 molecules application as electron acceptor in P3HT:Lu3N@C80 solar cells. The use of this acceptor in combination with P3HT lead to a high open circuit voltage of 835 mV in the devices produced, but also a rather low current density. I tried to understand the processes in the charge carrier generation and extraction process causing this. Using several measurement techniques, combined with general knowledge about comparable endohedral fullerenes from the literature, I was able to identify an internal charge transfer of electrons from the lutetium atoms encaged in the C80 to the fullerene bulk as origin The results presented in this work give further indications for the advantages of using C70 based fullerene acceptors in organic solar cells to raise the total power conversion efficiencies of these devices, despite the higher production costs. The identification of anion signatures of different fullerenes show an additional method to monitor the excitation processes by optical spectroscopy in bulk-heterojunction devices. My research regarding the Lu3N@C80 molecule showed a general effect regarding this class of molecules, that will be important for any further synthesizes or application of such molecules in organic photovoltaics. While the projects regarding the dimer acceptors and the Lu3N@C80 molecule were completed in this work, the analysis of spectroscopic anion signatures left some open questions, especially for large fullerenes. Further investigations using spin sensitive or time resolved techniques, as available in our research group, could be useful to gather more detailed information on this topic. Also trying to get some PC81BM for photoinduced absorption measurements, alone and in blend with several polymers, might be another way to energetically pinpoint the anion signature on C80.

Organic solar cells are one of the most promising candidates for future solar power generation. They are thin and lightweight with several additional advantages such as scalability, environmental sustainability and low cost for processing and installation. However, the low charge carrier mobility of the absorbing material for organic solar cells requires thin absorber layers, limiting photon harvesting and the overall power conversion efficiency. Several attempts, e.g., periodically patterned structures and scattering layers have been tried to enhance the absorption of thin-film solar cells as light trapping elements. However, much effort is required to introduce light trapping structures to conventional rigid metal oxide electrodes and glass substrate. For instance, almost 13 hours are required to fabricate micro structures of 1 m2 area on glass, in contrast, 1 minute on PET using a same laser set-up and an additional scattering layers are demanded for providing light trapping effects to solar cells. In the last years, flexibility is emerging as the one of the major advantages of organic solar cells. To realize flexibility of solar cells, the classically used glass substrates and ITO electrodes are too brittle. Therefore, polymer materials are promising candidates to replace them as flexible electrodes and substrates. In this thesis, the highly transparent conducting polymer, PEDOT:PSS and PET equipped with an AlOx encapsulation layer are used as electrode and substrate, respectively. Besides the flexibility, additional light trapping elements, e.g. scattering particles, nano- and microstructures can be easily applied to the polymer materials since they have the potential for easier shaping and processing. In this study, we apply different light trapping and in-coupling approaches to organic solar cells. First, PET substrates are structured with a direct laser interference patterning system, which is a powerful and scalable one-step technique for patterning polymers. Almost 80 % of the light is diffracted by these patterned PET substrates and thereby the light path in the absorption layer is increased. Optical display films, commercially developed to be used as back light units of liquid crystal displays are also examined as light trapping substrates and exhibit similar enhancement as patterned PET. Moreover, since PEDOT:PSS is prepared by a solution-based process, TiO2 nanoparticles are added as light scattering elements to the PEDOT:PSS electrodes. Consequently, those electrodes provide a dual function as electrical contact and light trapping element. Finally, 2- or 3-dimensional nanostructures are printed by a nano-imprinting technique onto the surface of PEDOT:PSS with PDMS stamps. By controlling the temperature and the time of PEDOT:PSS during an annealing step, nanostructures are transferred from PDMS masks to PEDOT:PSS. To evaluate the effects of light trapping for all above mentioned approaches, flexible organic solar cells are produced by vacuum evaporation using blends of DCV5T-Me and C60 as absorber layer. The substrates are optically characterized using UV-vis spectrometer and goniometer measurements. The topography of the samples is measured by atomic force microscopy, scanning microscopy and optical microscopy. Bending tests with various radii are performed to test the flexibility of the substrates. In summary, light trapping effects are successfully implemented in the electrodes and substrates for OPVs, giving efficiency improvements of up to 16 %. The light trapping mechanisms in our approaches are extensively discussed in this thesis. / Organische Photovoltaik ist einer der vielversprechendsten Kandidaten für die zukünftige Solarstromgewinnung auf flexiblen Substraten. Um diese Flexibilität zu ermöglichen, sind herkömliche Glassubstrate mit ITO-Elektroden zu spröde. Ein vielversprechender Kandidat, um sowohl flexible Elektroden als auch flexible Substrate herzustellen, sind Polymere, da diese sehr biegsam und leicht zu verarbeiten sind. Deshalb wird in dieser Arbeit das hoch transparente, leitfähige Polymer PEDOT:PSS als Elektrode und PET (mit einer AlOx Verkapselungsschicht) als Substrat untersucht. Aufgrund der guten Prozessierbarkeit der Polymere konnten wir zusätzlich zu den eigentlichen Funktionen des Substrates und der Elektrode noch den Mechanismus des Lichteinfangs hinzufügen. Zusätzlich zu ihrer Flexibilität haben organische Solarzellen noch weitere Vorteile: sie sind dünn, leicht, skalierbar und verursachen vergleichsweise geringe Kosten für Herstellung und Installation. Ein Nachteil organischer Solarzellen ist die vergleichsweise geringe Ladungsträgerbeweglichkeit der Absorbermaterialien, welche oft die Schichtdicke der Absorbermaterialien begrenzt. Dies hat weniger absorbierte Photonen, weniger Stromdichte und somit einen geringeren Wirkungsgrad zur Folge. In den letzten Jahren wurden periodisch strukturierte Substrate und streuende Schichten als Lichteinfangelemente eingesetzt, um den Wirkungsgrad organischer Solarzellen mit dünnen Absorberschichten zu erhöhen. Gestaltungsregeln für solche Lichteinfangelemente sind noch weitestgehend unbekannt. Im Rahmen dieser Arbeit strukturieren wir PET Substrate mit einem direkten Laserinterferenzsystem, welches ein leistungsfähiges, skalierbares Einschrittverfahren zur Polymerstrukturierung ist. Da PEDOT:PSS aus der Lösung prozessiert wird, können wir weiterhin Nanopartikel hinzufügen, die der Elektrode zusätzlich noch lichtstreuende Eigenschaften geben. Außerdem können 2- bzw. 3-dimensionale Nanostrukturen leicht mithilfe einer Stempeltechnik eingeprägt werden. Um die Effekte des Lichteinfangs, welcher durch die oben genannten Methoden erzeugt wird, zu untersuchen, werden flexible organische Solarzellen mittels Vakuumverdampfung prozessiert. DCV5T-Me und C60 bilden dabei die photoaktive Schicht. Somit werden die Licht fangenden Eigenschaften dieser flexiblen Solarzellen ausgenutzt und ausführlich in der Arbeit diskutiert.

The aim of this work was to investigate silver nanowire as well as carbon nanotube networks as transparent conducting electrodes for small molecule organic solar cells. In the framework of the nanowire investigations, a low-temperature method at less than 80 °C is developed to obtain highly conductive networks directly after the deposition and without post-processing. In detail, specific non-conductive organic materials act as a matrix where the nanowires are embedded in such that a mutual attraction based on capillary forces and hydrophobic interaction is created. This process is mediated by the ethanol contained in the nanowire dispersion and works only for sublayer materials which exhibit hydrophobic and hydrophilic groups at the same time. In contrast to high-temperature processed reference electrodes (210 °C for 90 min) without matrix, a slightly lower sheet resistance of 10.8 Ohm/sq at a transparency of 80.4 % (including substrate) is obtained by using polyvinylpyrrolidone as the sublayer material. In comparison to annealed silver nanowire networks, the novel approach yields a performance enhancement in corresponding organic solar cells which can compete with ITO-based devices. Furthermore, a novel approach for scalable, highly conductive, and transparent silver nanowire top-electrodes for organic optoelectronic devices is introduced. By utilizing a perfluorinated methacrylate as stabilizer, silver nanowires with high aspect ratio can be transferred into inert solvents which do not dissolve most organic compounds making this modified dispersion compatible with small molecule and polymer-based organic optoelectronic devices. The inert silver nanowire dispersion yields highly performing top-electrodes with a sheet resistance of 10.0 Ohm/sq at 80.0 % transparency (including substrate) directly after low-temperature deposition at 30 °C and without further post-processing. In comparison to similarly prepared reference devices comprising a thin-metal film as transparent top-electrode, reasonable power conversion efficiencies are demonstrated by spray-coating this dispersion directly on simple, air-exposed small molecule-based organic solar cells. Moreover, a deeper understanding of the percolation behavior of silver nanowire networks has been achieved. Herein, direct measurements of the basic network parameters, including the wire-to-wire junction resistance and the resistance of a single nanowire of pristine and annealed networks have been carried out for the first time. By putting the values into a simulation routine, a good accordance between measurement and simulation is achieved. Thus, an examination of the electrical limit of the nanowire system used in this work can be realized by extrapolating the junction resistance down to zero. The annealed silver nanowires are fairly close to the limit with a theoretical enhancement range of only 20 % (common absolute sheet resistance of approximately 10 Ohm/sq) such that a significant performance improvement is only expected by an enlargement of the nanowire length or by the implementation of new network geometries. In addition, carbon nanotube networks are investigated as alternative network-type, transparent bottom-electrode for organic small molecule solar cells. For that purpose, cleaning and structuring as well as planarization procedures are developed and optimized which maintain the optoelectronic performance of the carbon nanotube electrodes. Furthermore, a hybrid electrode consisting of silver nanowires covered with carbon nanotubes is fabricated yielding organic solar cells with only 0.47 % power conversion efficiency. In contrast, optimized electrodes comprising only carbon nanotubes show significantly higher efficiency. In comparison to identically prepared ITO devices, comparable or lower power conversion efficiencies of 3.96 % (in p-i-n stack), 4.83 % (in cascade cell) as well as 4.81 % (in p-n-i-p architecture) are demonstrated. For an inverted n-i-p stack design, the highest power conversion efficiency of 5.42 % is achieved.

Organic solar cells (OSC) are interesting as low cost alternative to conventional solar cells. Unsubstituted Metal-phthalocyanines (Pc) are excellent electron donating molecules for heterojunction OSC. Usually organic solar cells with Pcs are produced by vapor deposition, although solution based deposition (like spin casting) is cheaper and offers more possibilities to control the structure of the film. With solution based deposition several parameters (like temperature, solvent and etc.) affect the self-organized structure formation via nucleation and growth. The reason why vapor deposition is typically used is the poor solubility of the metal-phthalocyanines in most common solvents. Furthermore the process of nucleation and growth of Pc aggregates from solution is not well understood. For preparation of Pc films from solution, it is necessary to find the appropriate solvents, assess the solution deposition techniques, such as dip coating, and spin casting. It is necessary to understand the nucleation and growth process for aggregation/precipitation and to use this knowledge to produce nanostructures appropriate for OSC. This is important because the nanostructure of the films determines their performance. In this thesis, optical absorption and the stability of 8 different unsubstituted metal Pc’s were studied quantitatively in 28 different solvents. Among the several solution based deposited thin films produced based on this study, copper phthalocyanine (CuPc) dissolved in trifluoroacetic acid (TFA) is chosen as a model system for an in-depth study. CuPc has sufficient solubility and stability in TFA and upon solution processing forms appropriate structures for OSCs. CuPc molecules aggregate into layers of nanoribbons with a thickness of ~ 1 nm and an adjustable width and length. The morphology and the number of deposited layers in the thin films are controlled by different parameters, like temperature and solution concentration. Material properties of CuPc deposited from TFA are studied in detail via x-ray diffraction, UV-Vis and FT-IR spectroscopy. Atomic force microscopy was used to study the morphology of the dried film. The mechanism of the formation of CuPc nanoribbons from spin casted CuPc/TFA solution in ambient temperature is investigated and explained. The parameters (e.g. solution concentration profile) governing nucleation and growth are calculated based on the spin casting theory of a binary mixture of a nonvolatile solute and evaporative solvent. Based on this and intermolecular interactions between CuPc and substrate a nucleation and growth model is developed explaining the aggregation of CuPc in a supersaturated TFA solution. Finally, a solution processed thin film of CuPc is applied as a donor layer in a functioning bilayer heterojunction OSC and the influence of the structure on OSC performance is studied. / In den vergangenen Jahren wurden kosteneffiziente nasschemische Beschichtungsverfahren für die Herstellung organischer Dünnfilme für verschiedene opto-elektronische Anwendungen entdeckt und weiterentwickelt. Unter anderem wurden Phthalocyanin-Moleküle in photoaktiven Schichten für die Herstellung von Solarzellen intensiv erforscht. Aufgrund der kleinen bzw. unbekannten Löslichkeit wurden Phthalocyanin-Schichten durch Aufdampfverfahren im Vakuum hergestellt. Des Weiteren wurde die Löslichkeit durch chemische Synthese erhöht, was aber die Eigenschaften von Pc beeinträchtigte. In dieser Arbeit wurde die Löslichkeit, optische Absorption und Stabilität von 8 verschiedenen unsubstituierten Metall-Phthalocyaninen in 28 verschiedenen Lösungsmitteln quantitativ gemessen. Wegen ausreichender Löslichkeit, Stabilität und Anwendbarkeit in organischen Solarzellen wurde Kupferphthalocyanin (CuPc) in Trifluoressigsäure (TFA) für weitere Untersuchungen ausgewählt. Durch die Rotationsbeschichtung von CuPc aus TFA Lösung wurde ein dünner Film aus der verdampfenden Lösung auf dem Substrat platziert. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels, die Nanobändern aus CuPc bedecken das Substrat. Die Nanobänder haben eine Dicke von etwa ~ 1 nm (typische Dimension eines CuPc-Molekül) und variierender Breite und Länge, je nach Menge des Materials. Solche Nanobändern können durch Rotationsbeschichtung oder auch durch andere Nassbeschichtungsverfahren, wie Tauchbeschichtung, erzeugt werden. Ähnliche Fibrillen-Strukturen entstehen durch Nassbeschichtung von anderen Metall-Phthalocyaninen, wie Eisen- und Magnesium-Phthalocyanin, aus TFA-Lösung sowie auf anderen Substraten, wie Glas oder Indium Zinnoxid. Materialeigenschaften von aufgebrachten CuPc aus TFA Lösung und CuPc in der Lösung wurden ausführlich mit Röntgenbeugung, Spektroskopie- und Mikroskopie Methoden untersucht. Es wird gezeigt, dass die Nanobänder nicht in der Lösung, sondern durch Verdampfen des Lösungsmittels und der Übersättigung der Lösung entstehen. Die Rasterkraftmikroskopie wurde dazu verwendet, um die Morphologie des getrockneten Films bei unterschiedlicher Konzentration zu studieren. Der Mechanismus der Entstehung der Nanobändern wurde im Detail studiert. Gemäß der Keimbildung und Wachstumstheorie wurde die Entstehung der CuPc Nanobänder aus einer übersättigt Lösung diskutiert. Die Form der Nanobändern wurde unter Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen den Molekülen und dem Substrat diskutiert. Die nassverarbeitete CuPc-Dünnschicht wurde als Donorschicht in organischen Doppelschicht Solarzellen mit C60-Molekül, als Akzeptor eingesetzt. Die Effizienz der Energieumwandlung einer solchen Zelle wurde entsprechend den Schichtdicken der CuPc Schicht untersucht.

In organischen Solarzellen resultiert die photovoltaische Aktivität aus dem das Sonnenlicht absorbierenden Donor-Akzeptor-Heteroübergang. Die Grenzfläche zwischen den beiden organischen Materialien dient der effizienten Ladungsträgertrennung. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag im Verständnis zum Wirkungsmechanismus und der zu optimierenden Parameter in diesen Solarzellen. In Bezug auf die Anpassung des Donor-Akzeptor-Heteroübergangs wird neben dem Mechanismus der Ladungsträgergeneration an der Grenzfläche die erzielbare Leerlaufspannung in den Solarzellen diskutiert. Ein wesentliches Kriterium zur Erhöhung der Leerlaufspannung ist die Anpassung der Energieniveaus am Heteroübergang. Eine effiziente Ladungsträgertrennung wird durch eine hinreichende Stufe im Ionisationspotenzial sowie in der Elektronenaffinität am Heteroübergang erreicht. Zur Maximierung der Leerlaufspannung muss diese Überschussenergie, d.h. die Energiedifferenz zwischen photogeneriertem Exziton und freiem Ladungsträgerpaar, auf das notwendige Minimum reduziert werden. Eine Reihe von Dicyanovinyl-Oligothiophenen (DCVnT, n=3-6) wurden als Donor im Heteroübergang zu Fulleren C60 verwendet. Das Ionisationspotenzial der DCVnT nimmt mit zunehmender Kettenlänge ab, während die Elektronenaffinität, die weitestgehend durch die Dicyanovinyl-Endgruppen bestimmt wird, von der Kettenlänge nahezu unabhängig ist. Mittels photoinduzierter Absorptionsspektroskopie und zeitaufgelöster Fluoreszenzmessung wurde der Energie- und Elektronentransfer zwischen DCVnT und C60 entlang der homologen Reihe der DCVnT untersucht. Eine wesentliche Feststellung ist die Korrelation zwischen Rekombination in den Triplettzustand und der Leerlaufspannung. So konnte unter anderem gezeigt werden, dass durch die Verwendung angepasster Heteroübergänge unter bestimmten energetischen Voraussetzungen die indirekte Triplettbesetzung einen bislang nicht beachteten Verlustmechanismus für organische Solarzellen darstellt. Für organische Solarzellen ist demnach ein Kompromiss zwischen möglichst hoher Leerlaufspannung und effizienter Ladungsträgerdissoziation unter Vermeidung dieser Triplettrekombination zu erzielen. Weiterhin wird ein Konzept zur Nutzung dieser indirekten Triplettrekombination diskutiert. Dieses basiert auf der Tatsache, dass die Lebensdauer der Exzitonen im Triplettzustand gegenüber denen im Singulettzustand um 3-6 Größenordnungen höher ist. Damit wird eine höhere Diffusionslänge erwartet, was in einer dickeren und damit stärker absorbierenden aktiven Schicht genutzt werden könnte.

This work focuses on the development of metal nanowire networks for the use as transparent electrodes in small-molecule organic solar cells. Broad adoption of organic solar cells requires inexpensive roll-to-roll processing on flexible, lightweight substrates. Under these conditions, traditional metal oxide electrodes suffer from significant drawbacks such as brittleness and cost. In contrast, metal nanowire networks provide properties more suitable for high-throughput processing and thus, are investigated here as an alternative. They combine the high-conductivity of metals with the advantage of optical transparency found in aperture-structured networks. The process chain from nanowire deposition to cell integration is examined with silver and copper nanowire material. Two techniques are presented for deposition. While dip-coating is investigated in detail, including a discussion of the most important parameters, spray-coating is demonstrated as an alternative for large area applications. Since the nanowires are barely conductive after deposition, post-treatment steps are used to achieve a performance comparable to standard metal oxide films such as tin-doped indium oxide (ITO). The inherent roughness of nanowire electrodes is addressed by using a conductive polymer as a planarization layer. On top of optimized electrodes, small-molecule organic solar cells are deposited with a UHV thermal evaporation process. Completed cells are tested and performance is found to be comparable to the used standard transparent electrodes. Additionally, a new approach to achieve aligned nanowire network structures is demonstrated. The additional degree of order is used to illustrate optical effects of silver nanowire networks. Furthermore, these aligned networks exhibit anisotropic conductivity. This effect is discussed and simulations are performed to reproduce the observations. The freedom of network design is used to achieve superior conductivity compared to standard random structures. / Im Fokus dieser Arbeit steht die Entwicklung von Metall-Nanodraht-Netzwerken für die Anwendung in transparenten Elektroden für organische Solarzellen. Eine breite Verwendung von organischen Solarzellen setzt eine kostengünstige Rolle-zu-Rolle Fertigung auf flexiblen und leichten Substraten voraus. Unter diesen Bedingungen leiden traditionell verwendete Metalloxid-Elektroden unter erheblichen Nachteilen, wie Brüchigkeit und Preis. Im Gegensatz dazu zeigen Metall-Nanodraht-Netzwerke deutlich bessere Eigenschaften und werden deshalb hier als alternative Elektroden untersucht. Die Netzwerke kombinieren die hohe Leitfähigkeit von Metallen mit einer hohen Transmittivität in Folge der netzwerkbedingten Apertur. Die Prozesskette von der Nanodraht-Abscheidung bis zur Zellintegration wird für Silber- und Kupferdrähte untersucht. Zwei Techniken für die Abscheidung werden präsentiert. Ein Tauchverfahren wird detailliert untersucht und die zugehörigen Parameter werden diskutiert. Für große Flächen wird eine Sprühbeschichtung als Alternative aufgezeigt. Da die abgeschiedenen Netzwerke eine schlechte Leitfähigkeit besitzen, sind Nachprozessierungsschritte notwendig um gute Leitfähigkeiten im Bereich von üblichen Elektroden wie Indium-Zinn-Oxid (ITO) zu erreichen. Die Rauheit der Nanodraht-Elektrode wird mit Hilfe einer glättenden Polymerschicht behoben. Auf den optimierten Elektroden werden organische Solarzellen aus kleinen Molekülen in einem thermischen UHV-Prozess abgeschieden. Die Zellen werden getestet und zeigen Eigenschaften vergleichbar zu üblichen transparenten Elektroden. Zusätzlich wird ein neuer Ansatz zur Herstellung von ausgerichteten Netzwerkstrukturen demonstriert. Der zusätzliche Grad an Ordnung wird für die Untersuchung von optischen Effekten an Silberdraht-Netzwerken genutzt. Weiterhin zeigen diese ausgerichteten Netzwerke eine anisotrope Leitfähigkeit. Dieser Effekt wird diskutiert und Simulationen werden durchgeführt, um die Beobachtungen zu verifizieren. Die Freiheit in der Netzwerkstruktur wird für eine Verbesserung der Leitfähigkeit genutzt.

Molecular doping is a key technique for realizing high efficient organic light-emitting diodes (OLEDs) and photovoltaics (OPV). Furthermore, its most recent application in organic field-effect transistors (OFETs) marks a milestone on the roadmap towards flexible organic CMOS technology. However, in contrast to silicon based devices, the understanding of the fundamental processes of molecular doping is still controversially discussed. This work aims at the detailed analysis of the molecular doping process by employing Photoelectron spectroscopy (PES) on various doped thin-films prepared by co-evaporation in vacuum. Here, the focus is on explanation of the experimental findings by a statistical description in order to contribute to the fundamental understanding of the doping mechanism. First, the Fermi level shifts in thin-films of the common hole transport materials MeO-TPD, ZnPc, and pentacene p-doped by the acceptors C60F36 and F6-TCNNQ are studied. The precise control of molar doping ratios as low as 1e−5 is demonstrated, allowing analysis of the doping properties in a much broader range as previously accessible. Characteristic kinks and slopes in the Fermi level vs. doping concentration diagrams are found. Furthermore, the doping efficiency is found to decrease with increasing doping concentrations to just a few percent at molar ratios above 0.1. By numerically solving the charge neutrality equation using a classical semiconductor physics approach, these findings are explained by trap-limitation, dopant saturation, and reserve regimes as known from inorganic semiconductor physics. Using the example of p-doped MeO-TPD thin-films, it is finally demonstrated that the density of deep gap states depends on the purity degree of the host material. Similar studies are conducted on thin-films of C60, ZnPc, and pentacene n-doped by the di-metal complex W2(hpp)4. The corresponding Fermi level plots possess also host material specific kinks and slopes, which however, can be explained by application of the statistical doping description and assuming just dopant saturation and trap-limitation. Furthermore, it is demonstrated that electron traps with defined density can intentionally be introduced in pentacene by co-evaporation of C60 and gradually filled-up by n-doping with W2(hpp)4. In contrast to p-dopants, the highly efficient n-dopant W2(hpp)4 is prone to degradation in air due to its low IP of just 2.4eV. Therefore, the degradation of pure films of W2(hpp)4 as well as of n-doped films applying various host materials is studied under air exposure by conductivity measurements and PES. An unexpected (partial) passivation of W2(hpp)4 molecules against oxidation is found, however, this effect is identified to depend on the energy levels of the used host material. This finding is explained by a down-shift of the W2(hpp)4 energy levels upon charge transfer to a host material with deeper lying energy levels and thus allows for new conclusions on the relative alignment of the energy levels of dopant and host molecules in doped films in general. The maximum open-circuit voltage Voc of BHJ solar cells is limited by the effective HOMO(donor)-LUMO(acceptor) gap of the photo-active absorber blend. Therefore, the relative energy levels within ZnPc:C60 blend layers are furthermore investigated by PES, identifying an increase of the HOMO(ZnPc)-LUMO(C60) gap by 0.25 eV when varying the blend stoichiometry from 6:1 to 1:6. The trend in this gap correlates with observed changes in Voc of respective BHJ solar cells as well as with measured charge transfer energies. As physical origins for the changed energy levels, a suppressed crystallization of the C60 phase due to presence of donor molecules as well as concentration-dependent growth modes of the ZnPc phase are discussed.

Development of efficient and clean energy sources to meet the ever-increasing de- mand of humankind is one of the greatest challenges of the 21st century. There is a dire need to decarbonise the power sector, and the focus needs to shift to re- newable resources such as wind and solar energy. In this regard, organic solar cells are a promising and novel technology owing to its low carbon footprint, innovative applications, and possible integration into the current infrastructure. Due to its unique advantages, a considerable research effort has been put into its development in the last decades. As a result, the power conversion efficiency (PCE) of the organic photovoltaics has steadily risen from as low as 0.5% to around 17 % at the current stage. This improvement primarily originates from the better understanding of the underlying physical processes and as a result of extensive material development. In the most general case, organic solar cells consist of a binary blend of an electron donating and an electron accepting organic semiconductor forming the so-called ‘bulk-heterojunction’ (BHJ) morphology. Thermodynamics places an upper limit on the power conversion efficiency (PCE) of binary blend BHJ devices and for further enhancement in efficiency novel device concepts like the use of ternary blends and tandem device architectures is being investigated. In relation to these approaches, the development of low optical-gap (Eopt ≤ 1.5 eV) organic semiconductors has gained importance as these materials provide for the complementary absorption with respect to the other components and better harvesting of the solar spectrum. This work mainly deals with the investigation of low optical gap donor and acceptor materials for organic solar cells. We investigate the effect of the molecular structure on the device performance and the photophysical processes in the binary and ternary blend configuration. In the first part of the thesis, we study a family of low optical- gap diketopyrrolopyrrole (DPP) based polymers while varying the conjugated core and the branching position and length of the solubilizing alkyl side chains. The branching position of the side chains is found to have a significant influence on the polymers ability to crystallize, which in turn influences the mobility of free charge carriers. The branching position also affects the solubility of the polymer, which in turn influences the morphology of the bulk-heterojunction (BHJ) and ultimately the yield of photogenerated charge carriers. To investigate the electron transfer and charge separation dynamics in the blends consisting of DPP polymers and fullerene, we employed ultrafast pump-probe spec- troscopic techniques. In the spectroscopy data, we observe signatures suggesting an ultrafast electron transfer process and an efficient charge separation process due to the high mobility of the free charge carriers shortly after separation (∼10-100 ps). Lastly, we investigated indacenodithiophene (IDT) based non-fullerene acceptor (NFA) molecules. In particular, we studied the effect of fluorination on the device performance when these acceptors are blended with PTB7-Th and P3HT donor polymers. The kinetics of the photophysical processes in the binary and ternary blends are characterized using ultrafast spectroscopy and related to the morphology of the blend and the molecular structure of the acceptors. Overall, we investigated the structural variations in the DPP polymers and flu- orinated non-fullerene acceptor (NFA) molecules and suggest design rules for the synthesis of optimal DPP polymers and non-fullerene acceptors to achieve supe- rior device performance. Additionally, we also shed light on the phenomenological processes happening on an ultrafast time scale (0.2-1000 ps) in the binary and the ternary blends with the aim of developing a better understanding of the photophys- ical processes in these promising material systems.

This work focuses on the development of metal nanowire networks for the use as transparent electrodes in small-molecule organic solar cells. Broad adoption of organic solar cells requires inexpensive roll-to-roll processing on flexible, lightweight substrates. Under these conditions, traditional metal oxide electrodes suffer from significant drawbacks such as brittleness and cost. In contrast, metal nanowire networks provide properties more suitable for high-throughput processing and thus, are investigated here as an alternative. They combine the high-conductivity of metals with the advantage of optical transparency found in aperture-structured networks. The process chain from nanowire deposition to cell integration is examined with silver and copper nanowire material. Two techniques are presented for deposition. While dip-coating is investigated in detail, including a discussion of the most important parameters, spray-coating is demonstrated as an alternative for large area applications. Since the nanowires are barely conductive after deposition, post-treatment steps are used to achieve a performance comparable to standard metal oxide films such as tin-doped indium oxide (ITO). The inherent roughness of nanowire electrodes is addressed by using a conductive polymer as a planarization layer. On top of optimized electrodes, small-molecule organic solar cells are deposited with a UHV thermal evaporation process. Completed cells are tested and performance is found to be comparable to the used standard transparent electrodes. Additionally, a new approach to achieve aligned nanowire network structures is demonstrated. The additional degree of order is used to illustrate optical effects of silver nanowire networks. Furthermore, these aligned networks exhibit anisotropic conductivity. This effect is discussed and simulations are performed to reproduce the observations. The freedom of network design is used to achieve superior conductivity compared to standard random structures. / Im Fokus dieser Arbeit steht die Entwicklung von Metall-Nanodraht-Netzwerken für die Anwendung in transparenten Elektroden für organische Solarzellen. Eine breite Verwendung von organischen Solarzellen setzt eine kostengünstige Rolle-zu-Rolle Fertigung auf flexiblen und leichten Substraten voraus. Unter diesen Bedingungen leiden traditionell verwendete Metalloxid-Elektroden unter erheblichen Nachteilen, wie Brüchigkeit und Preis. Im Gegensatz dazu zeigen Metall-Nanodraht-Netzwerke deutlich bessere Eigenschaften und werden deshalb hier als alternative Elektroden untersucht. Die Netzwerke kombinieren die hohe Leitfähigkeit von Metallen mit einer hohen Transmittivität in Folge der netzwerkbedingten Apertur. Die Prozesskette von der Nanodraht-Abscheidung bis zur Zellintegration wird für Silber- und Kupferdrähte untersucht. Zwei Techniken für die Abscheidung werden präsentiert. Ein Tauchverfahren wird detailliert untersucht und die zugehörigen Parameter werden diskutiert. Für große Flächen wird eine Sprühbeschichtung als Alternative aufgezeigt. Da die abgeschiedenen Netzwerke eine schlechte Leitfähigkeit besitzen, sind Nachprozessierungsschritte notwendig um gute Leitfähigkeiten im Bereich von üblichen Elektroden wie Indium-Zinn-Oxid (ITO) zu erreichen. Die Rauheit der Nanodraht-Elektrode wird mit Hilfe einer glättenden Polymerschicht behoben. Auf den optimierten Elektroden werden organische Solarzellen aus kleinen Molekülen in einem thermischen UHV-Prozess abgeschieden. Die Zellen werden getestet und zeigen Eigenschaften vergleichbar zu üblichen transparenten Elektroden. Zusätzlich wird ein neuer Ansatz zur Herstellung von ausgerichteten Netzwerkstrukturen demonstriert. Der zusätzliche Grad an Ordnung wird für die Untersuchung von optischen Effekten an Silberdraht-Netzwerken genutzt. Weiterhin zeigen diese ausgerichteten Netzwerke eine anisotrope Leitfähigkeit. Dieser Effekt wird diskutiert und Simulationen werden durchgeführt, um die Beobachtungen zu verifizieren. Die Freiheit in der Netzwerkstruktur wird für eine Verbesserung der Leitfähigkeit genutzt.