TY  - THES
A1  - Bürckstümmer, Hannah
T1  - Merocyanine dyes for solution-processed organic bulk heterojunction solar cells
T1  - Merocyaninfarbstoffe für lösungsprozessierte organische bulk-heterojunction Solarzellen
N2  - The technology of organic photovoltaics offers the possibility of low-cost devices due to easy fabrication procedures and low material consumption and at the same time high flexibility concerning the applied substrates or design features such as the color palette. Owing to these benefits, this research field is highly active, being reflected by the continuously rising number of publications. Chapter 1 gives an extensive overview of a part of these reports, namely the field of solution-processed BHJ organic solar cells using small molecules as electron-donating materials. In the early years of this research area (2006-2008), well known hole transporting materials such as triphenylamine based chromophores, oligothiophenes and polyaromatic hydrocarbons were applied. However, many of these dyes lacked absorption at longer wavelengths and were therefore limited in their light harvesting qualities. Later, chromophores based on low band gap systems consisting of electron-donating and electron-accepting units showing internal charge transfer overcame this handicap. Today, donor-substituted diketopyrrolopyrroles (D-A-D chromophores), squaraines (D-A-D chromophores) and acceptor substituted oligothiophenes (A-D-A chromophores) are among the most promising dyes for small molecule based organic solar cells with PCEs of 4-5%. This work is based on the findings of the groups of Würthner and Meerholz, which tested merocyanine dyes for the first time in organic BHJ solar cells.4 According to the Bässler theory85, the high dipolarity of these dyes should hamper the charge transport, but the obtained first results with PCE of 1.7% proved the potenital of this class of dyes for this application. Merocyanine dyes offer the advantages of facile synthesis and purification, high tinctorial strength and monodispersity. Additionally, the electronic structure of the dyes, namely the absorption as well as the electrochemical properties, can be adjusted by using the right combination of donor and acceptor units. For these reasons, this class of dye is highly interesting for the application in organic solar cells. It was the aim of the thesis to build more knowledge about the potential and limitations of merocyanines in BHJ photovoltaic devices. By screening a variety of donor and acceptor groups a comprehensive data set both for the molecular materials as well as for the respective solar devices was generated and analyzed. As one focus, the arrangement of the chromophores in the solid state was investigated to gain insight about the packing in the solar cells and its relevance for the performance of the latter. To do so, X-ray single crystal analyses were performed for selected molecules. By means of correlations between molecular properties and the characteristics of the corresponding solar cells, several design rules to generate efficient chromophores for organic photovoltaics were developed. The different donor and acceptor moieties applied in this work are depicted in the following ...
N2  - Die Technologie der organischen Photovoltaik eröffnet die Chance, kostengünstige Solarzellen herzustellen, da einfache Produktionstechniken genutzt werden können und nur geringe Materialmengen benötigt werden. Gleichzeitig bietet sie hohe Flexibilität bezüglich des Designs, sowohl was die eingesetzten Substrate als auch die gewünschte Farbpalette betrifft. Aufgrund dieser Vorteile ist der Forschungsbereich der organischen Solarzellen hochaktuell, was sich auch in der stetig wachsenden Zahl an Publikationen widerspiegelt. Kapitel 1 bietet einen umfassenden Literaturüberblick über den Bereich der lösungs-prozessierten organischen BHJ Solarzellen basierend auf niedermolekularen Materialien. In den frühen Jahren dieses Forschungsbereiches (2006-2008) wurden hauptsächlich altbekannte organische Lochleitermaterialien wie triphenylaminbasierte Moleküle, Oligothiophene oder polyaromatische Hydrocarbonverbindungen eingesetzt. Viele dieser Verbindungen zeigten jedoch Defizite betreffend der Absorption, da sie nur bei relativ kurzen Wellenlängen absorbierten und dadurch nur einen Bruchteil des eingestrahlten Sonnenlichts nutzen konnten. Später wurde dieser Nachteil durch sogenannte „low band gap“ Systeme, welche elektronengebenden und elektronenziehenden Einheiten aufweisen, oder durch Kombinationen der klassischen elektronenreichen Lochleiter mit Akzeptoreinheiten überwunden. Zu den vielversprechendsten Verbindungsklassen für die Anwendung in lösungsprozessierten niedermolekularen organischen Solarzellen gehören heute Donor-substituierte Diketopyrrolopyrrole (D-A-D Chromophor), Quadratsäurederivate (D-A-D Chromophor) und Akzeptor-substituierte Oligothiophene (A-D-A Chromophor), deren beste Vertreter Wirkungsgrade von 4-5% erzielen. Die vorliegende Arbeit basiert auf den Erkenntnissen der Arbeitsgruppen Würthner und Meerholz, die als erste Merocyaninfarbstoffe in organischen BHJ Solarzellen untersuchten.4 Gemäß der Bässler-Theorie85 sollte das hohe Grundzustandsdipolmoment dieser Verbindungen den Ladungsträgertransport erheblich behindern. Die erhaltenen, vielversprechenden Wirkungsgrade von 1.7% beim ersten Materialscreenin zeigen jedoch die Eignung dieser Fabstoffklasse für organische Solarzellen. Merocyanine bieten einige Vorteile: sie lassen sich einfach herstellen und aufreinigen, zeigen hohe Farbstärken und sind monodisperse Verbindungen. Zudem lässt sich der elektronische Charakter der Chromophore, also die Absorptions- und elektrochemischen Eigenschaften nahezu beliebig verändern, indem man die passende Donor-Akzeptor Kombination wählt. Deshalb ist diese Farbstoffklasse für die Applikation der organischen Solarzellen hochinteressant. Ziel dieser Doktorarbeit war es, ein tieferes Verständnis über das Potential und mögliche Beschränkungen von Merocyaninen in organische Solarzellen zu erlangen. Durch Untersuchung einer Reihe von Donor- und Akzeptoreinheiten wurde ein umfassender Datensatz generiert und analysiert, welcher sowohl die molekularen Materialien als auch die entsprechenden Solarzellen beinhaltet. Die Anordnung der Chromophore im Festkörper wurde bei ausgewählten Farbstoffen mittels Einkristall-Röntgenstrukturanalyse untersucht, um Erkenntnisse über das Packungsverhalten der Moleküle in den Solarzellen und dessen Relevanz für die Leistungsfähigkeit der Zellen zu gewinnen. Anhand von Korrelationen zwischen den molekularen Eigenschaften und den Kennzahlen der entsprechenden Solarzellen wurden mehrere Richtlinien zur Entwicklung von effizienten Chromophoren für organische Solarzellen abgeleitet. Die in dieser Arbeit eingesetzten Akzeptor- und Donoreinheiten sind im Folgenden abgebildet ...
KW  - organische Solarzelle
KW  - Merocyanine
KW  - organische Solarzellen
KW  - Merocyanin
KW  - organic solar cells
KW  - merocyanine dye
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-66879
ER  - 
TY  - THES
A1  - Baumann, Andreas
T1  - Charge Transport and Recombination Dynamics in Organic Bulk Heterojunction Solar Cells
T1  - Ladungstransport und Rekombination in organischen Heterogemisch-Solarzellen
N2  - The charge transport in disordered organic bulk heterojunction (BHJ) solar cells is a crucial process affecting the power conversion efficiency (PCE) of the solar cell. With the need of synthesizing new materials for improving the power conversion efficiency of those cells it is important to study not only the photophysical but also the electrical properties of the new material classes. Thereby, the experimental techniques need to be applicable to operating solar cells. In this work, the conventional methods of transient photoconductivity (also known as "Time-of-Flight" (TOF)), as well as the transient charge extraction technique of "Charge Carrier Extraction by Linearly Increasing Voltage" (CELIV) are performed on different organic blend compositions. Especially with the latter it is feasible to study the dynamics, i.e. charge transport and charge carrier recombination, in bulk heterojunction (BHJ) solar cells with active layer thicknesses of 100-200 nm. For a well performing organic BHJ solar cells the morphology is the most crucial parameter finding a trade-off between an efficient photogeneration of charge carriers and the transport of the latter to the electrodes. Besides the morphology, the nature of energetic disorder of the active material blend and its influence on the dynamics are discussed extensively in this work. Thereby, the material system of poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) and [6,6]-phenyl-C61 butyric acid methyl ester (PC61BM) serves mainly as a reference material system. New promising donor or acceptor materials and their potential for application in organic photovoltaics are studied in view of charge dynamics and compared with the reference system. With the need for commercialization of organic solar cells the question of the impact of environmental conditions on the PCE of the solar cells raises. In this work, organic BHJ solar cells exposed to synthetic air for finite duration are studied in view of the charge carrier transport and recombination dynamics. Finally, within the framework of this work the technique of photo-CELIV is improved. With the modified technique it is now feasible to study the mobility and lifetime of charge carriers in organic solar cells under operating conditions.
N2  - Der Ladungstransport in ungeordneten organischen "bulk heterojunction" (Heterogemisch, Abk.: BHJ) Solarzellen stellt einen kritischen Prozess dar, der den Wirkungsgrad wesentlich beeinflusst. Aufgrund der großen Nachfrage neuer, vielversprechender Materialien für die organische Photovoltaik, ist es um so wichtiger nicht nur ihre photophysikalischen sondern auch deren elektrischen Eigenschaften zu charakterisieren. Gerade letztere erfordern experimentelle Messmethoden, die an funktionsfähigen Solarzellen angewandt werden können. Zur experimentellen Untersuchung des Landungstransportes in organischen Solarzellen werden in dieser Arbeit die Methoden der transienten Photoleitfähigkeit, auch bekannt als "Time-of-Flight" (TOF), sowie die transiente Ladungsextraktionsmethode "Charge Carrier Extraction by Linearly Increasing Voltage'' (CELIV) verwendet. Gerade Letztere ermöglicht es an Dünnschichtsystemen von nur wenigen 100 nm, eine typische Schichtdicke bei organischen Solarzellen, den Ladungstransport aber auch die Rekombination von Elektronen und Löchern zu untersuchen. Entscheidend für eine vielversprechende funktionsfähige organische BHJ Solarzelle ist dabei eine günstige Morphologie, die eine effiziente Generation von Ladungsträger, sowie deren Abführung zu den Elektroden erlaubt. Dabei wird in dieser Arbeit der Einfluss der räumlichen, als auch der der energetischen Unordnung der photoaktiven Schicht auf den Ladungstransport und der Rekombination der Ladungsträger untersucht. Das weit verbreitete Materialsystem bestehend aus Poly-3-(Hexyl) Thiophen (P3HT) und [6,6]-Phenyl C61 Buttersäure Methylester (PC61BM) dient dabei als Donator-Akzeptor Referenzsystem. Neuartige Donator- bzw. Akzeptor-Materialien und deren Potential für künftige Anwendungen in der organischen Photovoltaik werden hinsichtlich ihrer Ladungsträgereigenschaften mit dem Referenzmaterialsystem verglichen. Im Zuge der Kommerzialisierung organischer Solarzellen bzw. Solarmodulen ist die Anfälligkeit der Zellen gegenüber äußeren Umwelteinflüssen, wie Sauerstoff oder Wasser, in den Vordergrund des wissenschaftlichen Interesses gerückt. Dementsprechend wird in dieser Arbeit auch der Einfluss von synthetischer Luft auf den Transport und die Rekombination von Ladungsträgern und somit auf den Wirkungsgrad der Solarzelle untersucht und diskutiert. Schließlich wird im Rahmen dieser Arbeit eine Erweiterung der photo-CELIV Messmethode vorgestellt. Diese ermöglicht es die Lebensdauer und den Transport von Ladungsträgern in organischen Dünnschicht-Solarzellen unter realen Arbeitsbedingungen, d.h. Beleuchtung unter einer Sonne bei Raumtemperatur, zu bestimmen.
KW  - Photovoltaik
KW  - Ladungstransport
KW  - Rekombination
KW  - organische Photovoltaik
KW  - Ladungsträgerrekombination
KW  - photo-CELIV
KW  - organic solar cells
KW  - organic semicondcutors
KW  - recombination
KW  - photo-CELIV
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-64915
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schafferhans, Julia
T1  - Investigation of defect states in organic semiconductors: Towards long term stable materials for organic photovoltaics
T1  - Untersuchung elektronischer Störstellen in organischen Halbleitern: Auf dem Weg zu langzeitstabilen Materialien für die organische Photovoltaik
N2  - In this work, the trap states in the conjugated polymer P3HT, often used as electron donor in organic bulk heterojunction solar cells, three commonly used fullerene based electron acceptors and P3HT:PC61BM blends were investigated. Furthermore, the trap states in the blend were compared with these of the pure materials. Concerning the lifetime of organic solar cells the influence of oxygen on P3HT and P3HT:PC61BM blends was studied. The experimental techniques used to investigate the trap states in the organic semiconductors were (fractional) thermally stimulated current (TSC) and current based deep level transient spectroscopy (Q-DLTS). Fractional TSC measurements on P3HT diodes revealed a quasi-continuous trap distribution. The distribution suggested two different traps in P3HT with approximately Gaussian energy distributions and maxima at about 50 meV and 105 meV. Thereby, the former was attributed to the tail states within the regular Gaussian density of states due to the low activation energy. The latter, deeper traps, however, exhibited a strong dependence on oxygen. Exposure of the P3HT diodes to oxygen, ambient air and synthetic (dry) air all revealed an increase of the deeper traps density with exposure time in the same manner. While the lower limit of the trap density in non aged P3HT samples was in the range of (1.0 − 1.2)×10^22 m^−3, it was more than doubled after an exposure of 50 h to air. An increase of the trap density with oxygen exposure time was also seen in the Q-DLTS measurements accompanied with an increase of the temperature dependence of the emission rates, indicating an enhanced formation of deeper traps. Due to the raise in density of the deeper traps, the charge carrier mobility in P3HT significantly decreased, as revealed by photo-CELIV measurements, resulting in a loss in mobility of about two orders of magnitude after 100 h exposure to synthetic air. The increased trap density was attributed to p-doping of P3HT by the transfer of an electron to adsorbed oxygen. This effect was partially reversible by applying vacuum to the sample for several hours or, more significantly, by a thermal treatment of the devices in nitrogen atmosphere. The trap states in the methanofullerenes PC61BM, bisPC61BM and PC71BM were investigated by TSC measurements. PC61BM yielded a broad quasi-continuous trap distribution with the maximum of the distribution at about 75 meV. The comparison of the TSC spectra of the three methanofullerenes exhibited significant differences in the trap states with higher activation energies of the most prominent traps in bisPC61BM and PC71BM compared to PC61BM. This probably originates from the different isomers bisPC61BM and PC71BM consist of. Each of the isomers yields different LUMO energies, where the lower ones can act as traps. The lower limit of the trap density of all of the three investigated fullerene derivatives exhibited values in the order of 10^22 m^−3, with the highest for bisPC61BM and the lowest for PC61BM. By applying fractional TSC measurements on P3HT:PC61BM solar cells, it was shown that the trap distribution in the blend is a superposition of the traps in pure P3HT and PC61BM and additional deeper traps in the range of about 250 meV to 400 meV. The origin of these additional traps, which can not be related to the pure materials, was attributed to a higher disorder in the blend and P3HT/PC61BM interfaces. This conclusion was supported by standard TSC and Q-DLTS measurements performed on pristine and annealed P3HT:PC61BM blends, exhibiting a higher ratio of the deep traps in the pristine samples. The lower limit of the trap density of the investigated annealed solar cells was in the range of (6−8)×10^22 m^−3, which was considerably higher than in the pure materials. The influence of oxygen on P3HT:PC61BM solar cells was investigated by exposure of the devices to synthetic air under specific conditions. Exposure of the solar cells to oxygen in the dark resulted in a strong decrease in the power conversion efficiency of 60 % within 120 h, which was only caused by a loss in short-circuit current. Simultaneous illumination of the solar cells during oxygen exposure strongly accelerated the degradation, resulting in an efficiency loss of 30 % within only 3 h. Thereby, short-circuit current, open-circuit voltage and fill factor all decreased in the same manner. TSC measurements revealed an increase of the density of deeper traps for both degradation conditions, which resulted in a decrease of the mobility, as investigated by CELIV measurements. However, these effects were less pronounced than in pure P3HT. Furthermore, an increase of the equilibrium charge carrier density with degradation time was observed, which was attributed to oxygen doping of P3HT. With the aid of macroscopic simulations, it was shown that the doping of the solar cells is the origin of the loss in short-circuit current for both degradation conditions.
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden die elektronischen Störstellen in dem konjugierten Polymer P3HT, welches häufig als Elektronendonator in organischen Mischabsorbersolarzellen verwendet wird, in drei auf Fullerenen basierenden Elektronenakzeptoren und im P3HT:PC61BM Gemisch untersucht. Des Weiteren wurden die Störstellen im Gemisch mit denen der reinen Materialien verglichen. Im Hinblick auf die Lebensdauer organischer Solarzellen wurde der Einfluss von Sauerstoff auf P3HT und das P3HT:PC61BM Gemisch untersucht. Die verwendeten Methoden zur Untersuchung der Störstellen waren (fraktionierte) thermisch stimulierte Ströme (TSC) und strombasierte transiente Störstellenspektroskopie (Q-DLTS). Fraktionierte TSC Messungen an P3HT Dioden ergaben eine quasi-kontinuierliche Störstellenverteilung. Die Verteilung lies darauf schließen, dass in P3HT zwei verschiedene Störstellen mit jeweils annähernd gaußförmiger energetischer Verteilung vorliegen, deren Maxima Aktivierungsenergien von 50 meV und 105 meV besitzen. Erstere wurde dabei den Ausläufern der regulären gaußförmigen DOS zugewiesen. Die tiefere Störstelle wies eine starke Abhängigkeit von Sauerstoffexposition auf. Das gezielte Aussetzten von P3HT Dioden an Sauerstoff, ergab eine Zunahme in der Dichte der tieferen Störstellen mit zunehmender Expositionszeit. Während die untere Abschätzung der Störstellendichte für ungealterte P3HT Proben im Bereich von (1.0 − 1.2)x10^22 m^−3 lag, hat sich diese nach 50 Std. an Luft mehr als verdoppelt. Eine Zunahme der Störstellendichte durch Sauerstoffexposition wurde ebenfalls mit Q-DLTS Messungen beobachtet. Die Zunahme der Störstellenkonzentration führte zu einer signifikanten Abnahme der Ladungsträgerbeweglichkeit, wie mittels photo-CELIV Messungen gezeigt wurde. Die Beweglichkeitsabnahme betrug dabei etwa zwei Größenordnungen nach 100 Std. Exposition an synthetischer Luft. Die erhöhte Störstellendichte wurde der p-Dotierung des Polymers zugeschrieben, welche durch Elektronentransfer von P3HT auf angelagerten Sauerstoff hervorgerufen wird. Dieser Effekt war teilweise reversibel, u.a. durch Tempern der Proben in Stickstoffatmosphäre. Die Störstellen in den Methanofullerenen PC61BM, bisPC61BM und PC71BM wurden mittels TSC Messungen untersucht. Dabei ergaben sich wesentliche Unterschiede in den Störstellenspektren, mit höheren Aktivierungsenergien der ausgeprägtesten Störstellen in bisPC61BM und PC71BM verglichen mit PC61BM. Dies ist auf die verschiedenen Isomere, aus denen bisPC61BM und PC71BM bestehen, zurückzuführen. Jedes der Isomere besitzt verschiedene LUMO Niveaus, wobei die tiefer liegenden als Störstellen fungieren können. Die untere Abschätzung der Störstellendichte aller drei untersuchten Methanofullerene lag in der Größenordnung von 10^22 m^−3, mit der höchsten Störstellenkonzentration für bisPC61BM und der niedrigsten für PC61BM. Mittels fraktionierter TSC Messungen an P3HT:PC61BM Solarzellen wurde gezeigt, dass die Störstellenverteilung im Gemisch eine Überlagerung der Störstellen der Einzelmaterialien und zusätzlicher tiefer gelegener Ladungsträgerfallen mit Aktivierungsenergien von etwa 250 meV bis 400 meV ist. Diese zusätzlichen Störstellen wurden der höheren Unordnung im Gemisch und P3HT/PC61BM Grenzflächen zugeschrieben. Diese Folgerung wurde durch TSC und DLTS Messungen gestützt, welche an ungetemperten und getemperten P3HT/PC61BM Gemischen durchgeführt wurden und einen erhöhten Anteil tiefer Störstellen in der ungetemperten Solarzelle darlegten. Die untere Abschätzung der Störstellendichte lag für die untersuchten getemperten Solarzellen im Bereich von (6 − 8)x10^22 m^−3 und somit deutlich höher als in den Einzelmaterialien. Der Einfluss von Sauerstoff auf P3HT:PC61BM Solarzellen wurde durch gezielte Exposition der Proben an synthetischer Luft untersucht. Die Exposition der Solarzellen an synthetischer Luft im Dunklen resultierte in einer starken Abnahme der Solarzelleneffizienz von 60 % innerhalb von 120 Std., was alleine von der Abnahme des Kurzschlussstroms herrührte. Gleichzeitige Beleuchtung der Solarzellen während der Sauerstoffexposition führte zu einer starken Beschleunigung des Effizienzverlustes. Hierbei nahmen Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung und Füllfaktor gleichsam ab. TSC Messungen zeigten eine Zunahme in der Konzentration der tieferen Störstellen für beide Degradationsbedingungen, was zu einer Abnahme der Ladungsträgerbeweglichkeit führte, wie mittels CELIV Messungen gezeigt wurde. Jedoch waren diese beiden Effekte weniger ausgeprägt als in reinem P3HT. Des Weiteren wurde eine Zunahme der Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration mit zunehmender Degradationszeit beobachtet, was auf Sauerstoffdotierung des P3HT zurückgeführt wurde. Unter Zuhilfenahme makroskopischer Simulationen konnte gezeigt werden, dass die Dotierung der Solarzellen die Ursache für die Abnahme des Kurzschlussstroms ist.
KW  - Organischer Halbleiter
KW  - Störstellenverteilung
KW  - Degradation <Technik>
KW  - TSC
KW  - P3HT
KW  - Fullerenderivate
KW  - Polymere
KW  - Organische Solarzelle
KW  - DLTS
KW  - organic solar cells
KW  - trap distribution
KW  - organic semiconductors
KW  - methanofullerenes
KW  - conjugated polymers
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-57669
ER  -