Abstract There are rural areas in Ghana which are off-grid but where there is a need for street lighting. Street lighting facilities in such areas typically store electrical power in lead-acid batteries. The goal of this thesis is to construct a facility where fuel cells and hydrogen accumulation replace lead-acid batteries. The construction consists of a solar cell which transmits DC power to an electrolyzer which in turn produces hydrogen and oxygen. The gases accumulate in the container until nightfall when it starts providing DC power to street lighting via a fuel cell. The street lights can operate between 5 - 10 hours per day, depending on the power of the lamp. Besides providing street lighting the device may also be used for other purposes such as indoor lighting, charging of mobile phones etc. This means that, in addition to the basic purpose of providing electrical power to the street lights, other co-benefits of social significance can be achieved. The device is designed not to create any harmful emissions during operation, thus being environmentally sustainable. Further research on the device may in a second step entail: Construction of a prototype on a smaller scale, where calculations and function are tested. If it turns out well, a third step can begin: To build a full scale plant to be tested on site in Ghana.

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.

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.