This thesis deals with the device physics of organic solar cells. Organic photovoltaics (OPV) is a field of applied research which has been growing rapidly in the last decade leading to a current record value of power-conversion efficiency of 10 percent. One major reason for this boom is a potentially low-cost production of solar modules on flexible (polymer) substrate. Furthermore, new application are expected by flexible or semitransparent organic solar cells. That is why several OPV startup companies were launched in the last decade. Organic solar cells consist of hydrocarbon compounds, deposited as ultrathin layers (some tens of nm) on a substrate. Absorption of light leads to molecular excited states (excitons) which are strongly bound due to the weak interactions and low dielectric constant in a molecular solid. The excitons have to be split into positive and negative charges, which are subsequently collected at different electrodes. An effective dissociation of excitons is provided by a heterojunction of two molecules with different frontier orbital energies, such that the electron is transfered to the (electron) acceptor and the positive charge (hole) remains on the donor molecule. This junction can be realized by two distinct layers forming a planar heterojunction or by an intermixed film of donor and acceptor, resulting in a bulk heterojunction. Electrodes are attached to the absorber to collect the charges by providing an ohmic contact in the optimum case. This work focuses on the electrical processes in organic solar cells developing and employing a one-dimensional drift-diffusion model. The electrical model developed here is combined with an optical model and covers the diffusion of excitons, their separation, and the subsequent transport of charges. In contrast to inorganics, charge-carrier mobilities are low in the investigated materials and charge transport is strongly affected by energy barriers at the electrodes. The current-voltage characteristics (J-V curve) of a solar cell reflect the electrical processes in the device. Therefore, the J-V curve is selected as means of comparison between systematic series of simulation and experimental data. This mainly qualitative approach allows for an identification of dominating processes and provides microscopic explanations. One crucial issue, as already mentioned, is the contact between absorber layer and electrode. Energy barriers lead to a reduction of the power-conversion efficiency due to a decrease in the open-circuit voltage or the fill factor by S-shaped J-V curve (S-kink), which are often observed for organic solar cells. It is shown by a systematic study that the introduction of deliberate barriers for charge-carrier extraction and injection can cause such S-kinks. It is explained by simulated electrical-field profiles why also injection barriers lead to a reduction of the probability for charge-carrier extraction. A pile-up of charge carriers at an extraction barrier is confirmed by measurements of transient photocurrents. In flat heterojunction solar cells an additional reason for S-kinks is found in an imbalance of electron and hole mobilities. Due to the variety of reasons for S-kinks, methods and criteria for a distinction are proposed. These include J-V measurements at different temperatures and of samples with varied layer thicknesses. Most of the studies of this this work are based on experimental data of solar cells comprisiing the donor dye zinc phthalocyanine and the acceptor fullerene C60. It is observed that the open-circuit voltage of these devices depends on the mixing ratio of ZnPc:C60. A comparison of experimental and simulation data indicates that the reason is a changed donor-acceptor energy gap caused by a shift of the ionization potential of ZnPc. A spatial gradient in the mixing ratio of a bulk heterojunction is also investigated as a donor(acceptor)-rich mixture at the hole(electron)-collecting contact is supposed to assist charge extraction. This effect is not observed, but a reduction of charge-carrier losses at the “wrong” electrode which is seen at an increase in the open-circuit voltage. The most important intrinsic loss mechanism of a solar cell is bulk recombination which is treated at the example of ZnPc:C60 devices in the last part of this work. An examination of the dependence of the open-circuit voltage on illumination intensity shows that the dominating recombination mechanism shifts from trap-assisted to direct recombination for higher intensities. A variation of the absorption profile within the blend layer shows that the probability of charge-carrier extraction depends on the locus of charge-carrier generation. This results in a fill factor dependent on the absorption profile. The reason is an imbalance in charge-carrier mobilities which can be influenced by the mixing ratio. The work is completed by a simulation study of the influence of charge-carrier mobilities and different recombination processes on the J-V curve and an identification of a photoshunt dominating the experimental linear photocurrent-voltage characteristics in reverse bias. / Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Physik organischer Solarzellen. Die organische Photovoltaik ist ein Forschungsgebiet, dem in den letzten zehn Jahren enorme Aufmerksamkeit zu Teil wurde. Der Grund liegt darin, dass diese neuartigen Solarzellen, deren aktueller Rekordwirkungsgrad bei 10 Prozent liegt, ein Potential für eine kostengünstige Produktion auf flexiblem (Polymer)substrat aufweisen und aufgrund ihrer Vielfältigkeit neue Anwendungsbereiche für die Photovoltaik erschließen. Organische Solarzellen bestehen aus ultradünnen (einige 10 nm) Schichten aus Kohlenwasserstoffverbindungen. Damit der photovoltaische Effekt genutzt werden kann, müssen die durch Licht angeregten Molekülzustände zu freien Ladungsträgern führen, wobei positive und negative Ladung an unterschiedlichen Kontakten extrahiert werden. Für eine effektive Trennung dieser stark gebundenden lokalisierten angeregten Zustände (Exzitonen) ist eine Grenzfläche zwischen Molekülen mit unterschiedlichen Energieniveaus der Grenzorbitale erforderlich, sodass ein Elektron auf einem Akzeptor- und eine positive Ladung auf einem Donatormolekül entstehen. Diese Grenzschicht kann als planarer Heteroübergang durch zwei getrennte Schichten oder als Volumen-Heteroübergang in einer Mischschicht realisiert werden. Die Absorberschichten werden durch Elektroden kontaktiert, wobei es für effiziente Solarzellen erforderlich ist, dass diese einen ohmschen Kontakt ausbilden, da ansonsten Verluste zu erwarten sind. Diese Arbeit behandelt im Besonderen die elektrischen Prozesse einer organischen Solarzelle. Dafür wird ein eindimensionales Drift-Diffusionsmodell entwickelt, das den Transport von Exzitonen, deren Trennung an einer Grenzfläche und die Ladungsträgerdynamik beschreibt. Abgesehen von den Exzitonen gilt als weitere Besonderheit einer organischen Solarzelle, dass sie aus amorphen, intrinsischen und sehr schlecht leitfähigen Absorberschichten besteht. Elektrische Effekte sind an der Strom-Spannungskennlinie (I-U ) sichtbar, die in dieser Arbeit als Hauptvergleichspunkt zwischen experimentellen Solarzellendaten und den Simulationsergebnissen dient. Durch einen weitgehend qualitativen Vergleich können dominierende Prozesse bestimmt und mikroskopische Erklärungen gefunden werden. Ein wichtiger Punkt ist der schon erwähnte Kontakt zwischen Absorberschicht und Elektrode. Dort auftretende Energiebarrieren führen zu einem Einbruch im Solarzellenwirkungsgrad, der sich durch eine Verringerung der Leerlaufspanung und/oder S-förmigen Kennlinien (S-Knick) bemerkbar macht. Anhand einer systematischen Studie der Grenzfläche Lochleiter/Donator wird gezeigt, dass Energiebarrieren sowohl für die Ladungsträgerextraktion als auch für die -injektion zu S-Knicken führen können. Insbesondere die Tatsache, dass Injektionsbarrieren sich auch negativ auf den Photostrom auswirken, wird anhand von simulierten Ladungsträger- und elektrischen Feldprofilen erklärt. Das Aufstauen von Ladungsträgern an Extraktionsbarrieren wird durch Messungen transienter Photoströme bestätigt. Da S-Knicke in organischen Solarzellen im Allgemeinen häufig beobachtet werden, werden weitere Methoden vorgeschlagen, die die Identifikation der Ursachen ermöglichen. Dazu zählen I-U Messungen in Abhängigkeit von Temperatur und Schichtdicken. Als eine weitere Ursache von S-Knicken werden unausgeglichene Ladungsträgerbeweglichkeiten in einer Solarzelle mit flachem Übergang identifiziert und von den Barrierefällen unterschieden. Weiterer Forschungsgegenstand dieser Arbeit sind Mischschichtsolarzellen aus dem Donator-Farbstoff Zink-Phthalozyanin ZnPc und dem Akzeptor Fulleren C60. Dort wird beobachtet, dass die Leerlaufspannung vom Mischverhältnis abhängt. Ein Vergleich von Experiment und Simulation zeigt, dass sich das Ionisationspotenzial von ZnPc und dadurch die effektive Energielücke des Mischsystems ändern. Zusätzlich zu homogenen Mischschichten werden Solarzellen untersucht, die einen Gradienten im Mischungsverhältnis aufweisen. Die Vermutung liegt nahe, dass ein hoher Donatorgehalt am Löcherkontakt und ein hoher Akzeptorgehalt nahe des Elektronenkontakts die Ladungsträgerextraktion begünstigen. Dieser Effekt ist in dem hier untersuchten System allerdings vergleichsweise irrelevant gegenüber der Tatsache, dass der Gradient das Abfließen bzw. die Rekombination von Ladungsträgern am “falschen” Kontakt reduziert und somit die Leerlaufspannung erhöht. Der wichtigste intrinsische Verlustmechanismus einer Solarzelle ist die Rekombination von Ladungsträgern. Diese wird im letzten Teil der Arbeit anhand der ZnPc:C60 Solarzelle behandelt. Messungen der Leerlaufspannung in Abhängigkeit von der Beleuchtungsintensität zeigen, dass sich der dominierende Rekombinationsprozess mit zunehmender Intensität von Störstellenrekombination zu direkter Rekombination von freien Ladungsträgern verschiebt. Eine gezielte Variation des Absorptionsprofils in der Absorberschicht zeigt, dass die Ladungsträgerextraktionswahrscheinlickeit vom Ort der Ladungsträgergeneration abhängt. Dieser Effekt wird hervorgerufen durch unausgeglichene Elektronen- und Löcherbeweglichkeiten und äußert sich im Füllfaktor. Weitere Simulationsergebnisse bezüglich des Einflusses von Ladungsträgerbeweglichkeiten und verschiedener Rekombinationsmechanismen auf die I-U Kennlinie und die experimentelle Identifikation eines Photoshunts, der den Photostrom in Rückwärtsrichtung unter Beleuchtung dominiert, runden die Arbeit ab.

Photovoltaic energy is the most promising future energy source. Therefore, strong efforts are made to improve their price-to-efficiency ratio. New technologies and materials are being involved in the production, such as poly-crystalline materials rather than mono-crystalline silicon. Some of these materials are based on copperchalcopyrite with advantageous properties like directly tunable band gap, high absorption coefficients, low deposition temperatures, low-cost materials and capability of deposition on suitable materials. However, correlation between the thin film materials characteristics and device performance are not well understood, and increasing the efficiency needs an exhaustive comprehension of the different phenomena involved in their performance, such as role of defects, doping concentrations and potentials, which requires the development of innovative techniques for the characterization. Electron holography in the TEM would be very helpful, because it allows the quantitative reconstruction of the complex object wave. The measurement of phase and amplitude of the wave makes it possible to determine the potential in the object studied. In this manner, electron holography is a powerful tool for materials characterization at nanometre scale because it relates potential distributions with structure. However, artefacts can be introduced in the measurement. Therefore, the procedure of acquisition, reconstruction and correction of artefacts of the electron holograms, fundamental for the interpretation of the results in terms of potential, are in detail presented. Moreover, the object of study exhibits challenges to the technique because of their polycrystalline structure, which introduces dynamic interaction with the electron beam sometimes stronger than the desired one. Consequently it is necessary to have an adequate measurement procedure. To overcome this limitation, a characterization method including in-situ stimuli is proposed and applied to crystalline silicon and CIGS solar cells. For this, a suitable sample preparation procedure with Focused Ion Beam (FIB) milling, and a specially designed sample holder allowing illumination with light and biasing a TEM sample are developed and applied to solar cells. As result of the work, it is shown that expectedly the electron illumination has an important influence. It produces larger generation rates than 1 sun standard illumination. As counterpart, the recombination processes occurring at the surface of the small and thin sample tend to reduce the potential generated by the illumination. As consequence, only the p-n junction potential is usually measured. To produce an appreciable effect by illumination with light, the TEM lamella must be thicker, and the illumination intensity of the light must be strongly increased. This thesis realises the first extensive study of the application of electron holography to the measurement of potentials in solar cells applying in-situ illumination and biasing. The experimental findings were corroborated by simulation calculations. They show that the processes in the objects are essentially correctly understood, however, quantitative interpretation is not yet sufficiently accurate. / Photovoltaik bietet eine vielversprechende Energiequelle der Zukunft. Deshalb werden große Anstrengungen unternommen, um ihr Preis-Nutzen-Verhältnis zu verbessern. Neue Technologien und Materialien, wie poly-kristalline Materialien werden interessanter als mono-kristallines Silizium. Einige dieser Materialien beruhen auf der Basis von Kupfer-Chalkopyrit mit vorteilhaften Eigenschaften, wie direkt einstellbarer Bandlücke, hohen Absorptionskoeffizienten, niedrigen Abscheidetemperaturen und Verwendung von Low-Cost-Materialien. Allerdings ist die Korrelation zwischen den Eigenschaften der Dünnschicht-Materialien und der Leistung der Solarzellen noch nicht ausreichend verstanden, um die Effizienz weiter zu steigern. Hierfür muss ein umfassendes Verständnis der verschiedenen Phänomene wie der Rolle von Defekten, Dotierungskonzentrationen und Potenzialen erreicht werden, die die Entwicklung von innovativen Techniken für die Charakterisierung erfordert. Elektronen-Holographie kann zur Beantwortung dieser Fragen beitragen, weil sie die quantitative Rekonstruktion der komplexen Objektwelle im TEM erlaubt. Die Messung der Phase und der Amplitude der Welle macht es möglich, die Objektpotentiale zu bestimmen. Auf diese Weise wird Elektronen-Holographie ein leistungsfähiges Werkzeug für die Materialcharakterisierung im Nanometerbereich, weil sie Struktur und Potentialverteilung an derselben Stelle bestimmen kann. Doch können Artefakte und Missinterpretationen entstehen. Daher sind Aufzeichnung von Elektronenhologrammen sowie Rekonstruktion und Korrektur der Objektwelle von grundlegender Bedeutung für die Interpretation der Ergebnisse und werden im Detail vorgestellt. Ein spezielles Problem von polykristallinen Materialien ist die Tatsache, dass durch unterschiedlich orientierte Kristallite unterschiedliche Innere Potentiale gemessen werden können. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass die Elektronen mit unterschiedlichen Körnern in unterschiedlicher Weise dynamisch wechselwirken; dies führt zu Phasendifferezen, die erheblich stärker sein können als die eigentlich interessanten Halbleiterpotentiale. Deshalb werden die holographischen Untersuchungen so modifiziert, dass die Objekte in-situ, beispielsweise unter Anlegen elektrischer Spannungen (“biasing”) oder Beleuchtung mit Licht, untersucht werden. Die hierzu nötigen neuen Präparationsverfahren für die Objekte werden entwickelt. Ebenso werden neue in-situ Objekthalter entwickelt, die diese Parameter gezielt zu verändern gestatten. Als Ergebnis der Arbeit wird auch gezeigt, dass die Elektronenbeleuchtung einen wichtigen Einfluss auf die gemessenen Potentialverteilungen hat. Sie produziert größere Generationsraten von Elektronen-Loch-Paaren als 1 sun (Standard-Beleuchtung). Tatsächlich werden durch Rekombinationsprozesse an der Oberfläche der Probe die induzierten Potentiale in der Solarzelle verringert. Als Folge wird in der Regel nur das Potenzial des pn-Übergang gemessen. Um eine spürbare Wirkung durch Bestrahlung mit Licht zu erzeugen, muss die TEM-Lamelle dicker gewählt werden, und die Beleuchtung muss wesentlich intensiver sein als unter normalbedingungen. Diese Dissertation realisiert die erste umfassende Studie über die Anwendung von Elektronen-Holographie für die Messung von Potenzialen in Solarzellen unter Anwendung von Biasing und in-situ-Beleuchtung. Die experimentellen Befunde wurden mit umfangreichen Simulationsrechnungen verglichen. Diese zeigen, dass die Vorgänge im wesentlichen qualitativ verstanden sind, auch wenn sie die gemessenen Potentialverteilungen quantitativ oft noch nicht mit der erwünschten Genauigkeit wiedergeben.