TY  - THES
A1  - Menekşe, Kaan
T1  - Fabrication of Organic Solar Cells, Screening of Non-Fullerene Acceptors and the Investigation of their Intermolecular Interactions
T1  - Herstellung von organischen Solarzellen, Screening von Nicht-Fulleren-Akzeptoren und die Untersuchung ihrer intermolekularen Wechselwirkungen
N2  - In this thesis, intermolecular acceptor-acceptor interactions in organic solar cells based on new non-fullerene acceptors are addressed. For this purpose, first the reproducibility of organic electronic devices was tested on a new facility for their fabrication. This was followed by the screening for new acceptor materials. Based on this, three molecular systems were investigated with regard to their acceptor-acceptor interactions and their influence on solar cell efficiency.
N2  - In der vorliegenden Doktorarbeit werden zwischenmolekulare Akzeptor-Akzeptor Wechselwirkungen in organischen Solarzellen auf Basis von neuen nichtfulleren Akzeptoren behandelt. Dazu wurde zuerst die Reproduzierbarkeit von organischen Bauteilelementen an einer neuen Anlage zur Fertigung ebendieser getestet. Anschließend erfolgte die Suche nach neuen Akzeptormaterialien. Darauf aufbauend wurden drei Molekülsysteme hinsichtlich ihrer Akzeptor-Akzeptor Wechselwirkungen und deren Einfluss auf die Solarzelleneffizienz untersucht.
KW  - Organische Solarzelle
KW  - Nicht-Fulleren Akzeptor
KW  - Non-Fullerene Acceptor
KW  - Intermolekulare Wechselwirkungen
KW  - Intermolecular Interactions
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-291124
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mahlmeister, Bernhard
T1  - Twisted Rylene Bisimides for Organic Solar Cells and Strong Chiroptical Response in the Near Infrared
T1  - Kernverdrillte Rylenbisimide für organische Solarzellen und starke chirooptische Eigenschaften im Nahinfrarot
N2  - The chirality of the interlocked bay-arylated perylene motif is investigated upon its material prospect and the enhancement of its chiroptical response to the NIR spectral region. A considerable molecular library of inherently chiral perylene bisimides (PBIs) was utilized as acceptors in organic solar cells to provide decent device performances and insights into the structure-property relationship of PBI materials within a polymer blend. For the first time in the family of core-twisted PBIs, the effects of enantiopurity on the device performance was thoroughly investigated. The extraordinary structural sensitivity of CD spectroscopy served as crucial analytical tool to bridge the highly challenging gap between molecular properties and device analytics by proving the excitonic chirality of a helical PBI dimer. The chirality of this perylene motif could be further enhanced on a molecular level by both the expansion and the enhanced twisting of the π-scaffold to achieve a desirable strong chiroptical NIR response introducing a new family of twisted QBI-based nanoribbons. These achievements could be substantially further developed by expanding this molecular concept to a supramolecular level. The geometrically demanding supramolecular arrangement necessary for the efficient excitonic coupling was carefully encoded into the molecular design. Accordingly, the QBIs could form the first J-type aggregate constituting a fourfold-stranded superhelix of a rylene bisimide with strong excitonic chirality. Therefore, this thesis has highlighted the mutual corroboration of experimental and theoretical data from the molecular to the supramolecular level. It has demonstrated that for rylene bisimide dyes, the excitonic contribution to the overall chiroptical response can be designed and rationalized. This can help to pave the way for new organic functional materials to be used for
chiral sensing or chiral organic light-emitting devices.
N2  - Die Chiralität des verzahnten Bucht-arylierten Perylenmotivs wurde im Hinblick auf seine Materialanwendung sowie die Verstärkung seiner chiroptischen Eigenschaften im NIR-Spektralbereich untersucht. Eine umfangreiche Molekülbibliothek von inhärent chiralen PBIs wurde als NFAs in OSCs verwendet, um sowohl gute Solarzelleneffizienzen sowie Einblicke in die Struktur-Eigenschafts-Beziehung von PBI Materialien innerhalb einer Polymermischung zu erhalten. Zum ersten Mal wurden für kernverdrillte PBIs die Auswirkungen der Enantiomerenreinheit auf die Effizienz von organischen Dünnfilmbauteilen untersucht. Die außerordentliche strukturelle Empfindlichkeit der CD Spektroskopie diente als entscheidendes Analysewerkzeug, um die hoch anspruchsvolle Lücke zwischen der Analytik molekularer Eigenschaften und der Bauteilanalytik zu schließen, indem die exzitonische Chiralität eines helikalen PBI-Dimers nachgewiesen wurde. Die Chiralität dieses Perylenmotivs konnte auf molekularer Ebene weiter verstärkt werden, indem das π-Gerüst sowohl erweitert als auch stärker verdrillt wurde, um wünschenswert starke chiroptische Eigenschaften im NIR-Bereich zu erzielen und so eine neue Molekülfamilie kernverdrillter QBIs zu definieren. Diese Errungenschaften konnten durch die Ausweitung dieses molekularen Konzepts auf eine supramolekulare Ebene noch erheblich weiterentwickelt werden. Die geometrisch anspruchsvolle supramolekulare Anordnung, die für die effiziente exzitonische Kopplung erforderlich ist, wurde sorgfältig in das molekulare Design kodiert. Dementsprechend stellt das präsentierte QBI in seiner vierfach versetzt gestapelten Superhelix das erste Rylenbisimid-J-Aggregat dar, welches eine starke exzitonische Chiralität zeigt.    
Somit hat die Arbeit hat die gegenseitige Bestätigung von experimentellen und theoretischen Daten von der molekularen bis hin zur supramolekularen Ebene herausgestellt und gezeigt, dass für Rylenbisimid-Farbstoffe der exzitonische Beitrag zu den chiroptischen Eigenschaften konzipiert, synthetisch realisiert und quantenmechanisch verstanden werden kann. Dies kann den Weg für neue organische Funktionsmaterialien ebnen, die für chirale Sensoren oder Licht emittierende Bauteile verwendet werden können.
KW  - Molekül
KW  - Chiralität <Chemie>
KW  - Exziton
KW  - Organische Solarzelle
KW  - Supramolekulare Chemie
KW  - organic solar cell
KW  - non-fullerene acceptor
KW  - perylene bisimide
KW  - quaterrylene bisimide
KW  - inherent chirality
KW  - excitonic chirality
KW  - supramolecular chemistry
KW  - self-assembly
KW  - near infrared chirality
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-346106
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brendel, Michael
T1  - Correlation between Interface Energetics of Molecular Semiconductors and Opto-Electronic Properties of Planar Organic Solar Cells
T1  - Der Zusammenhang zwischen der Energetik molekularer Halbleitergrenzflächen und den opto-elektronischen Eigenschaften planarer organischer Solarzellen
N2  - It was the scope of this work to gain a deeper understanding of the correlation between Interface energetics of molecular semiconductors in planar organic solar cells and the corresponding optoelectronic characteristics. For this aim, different approaches were followed. At first, a direct variation of donor/acceptor (D/A) interface energetics of bilayer cells was achieved by utilizing systematically modified donor compounds. This change could be correlated to the macroscopic device performance. At second, the impact of interface energetics was illustrated, employing a more extended device architecture. By introducing a thin interlayer between a planar D/A heterojunction, an energetic staircase was established. Exciton dissociation in such devices could be linked to the cascade energy level alignment of the photo-active materials. Finally, two different fullerene molecules C60 and C70 were employed in co-evaporated acceptor phases. The expected discrepancy in their electronic structure was related to the transport properties of the corresponding organic photovoltaic cells (OPVCs). The fullerenes are created simultaneously in common synthesis procedures. Next to the photo-physical relevance, the study was carried-out to judge on the necessity of separating the components from each other by purification which constitutes the cost-determining step in the total production costs.
N2  - Es war das Ziel dieser Arbeit ein tieferes Verständnis für die Beziehung zwischen der Grenzflächenenergetik der molekularen Halbleiter planarer, organischer Solarzellen und den zugehörigen opto-elektronischen Bauteileigenschaften zu gewinnen. Für diesen Zweck wurden verschiedene Ansätze verfolgt. Einerseits wurde eine Veränderung der Donator/Akzeptor (D/A) Grenzflächenenergetik von Bilagen-Solarzellen durch die Verwendung verschieden fluorierter Donatorverbindungen erreicht. Andererseits wurde der Einfluss der Grenzflächenenergetik anhand einer geänderten Bauteilarchitektur aufgezeigt. Durch das Einbringen einer dünnen Schicht zwischen der D/A Heterogrenzfläche, wurde eine energetische Treppe realisiert. In diesen Solarzellen konnte die Exzitonendissoziation mit der Kaskaden-Energielevel-Anpassung der molekularen Halbleiter in Verbindung gebracht werden. Abschließend wurden zwei verschiedene Fullerenmoleküle in ko-verdampften Akzeptorphasen eingesetzt. Der vermeintliche Unterschied in ihrer elektronischen Struktur wurde mit den Transporteigenschaften der organischen photovoltaischen Zellen korreliert. Auf herkömmlichen Syntheserouten werden die Fullerene simultan generiert. Neben Gründen der photo-physikalischen Relevanz, wurde die Studie durchgeführt, um die Notwendigkeit der Trennung der Komponenten voneinander zu beurteilen, da dieser Aufreinigungsschritt der Kosten-bestimmende Prozess für die Gesamtmaterialkosten ist
KW  - Organische Solarzelle
KW  - organic solar cell
KW  - planar heterojunction
KW  - interface energetics
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-155094
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gorenflot, Julien François
T1  - Optical study of the excited states in the semiconducting polymer poly(3-hexylthiophene) for photovoltaic applications
T1  - Untersuchung angeregter Zustände des halbleitenden Polymers Poly(3-hexylthiophene) mittels optischer Spektroskopie für Anwendungen in der Photovoltaik
N2  - In the course of this dissertation, we have presented the interest of using spectroscopic methods to unravel the physics of polymer semiconductors in photovoltaic applications. Applying photoluminescence and photoinduced absorption spectroscopy to the reference system P3HT:PCBM has enabled us to study the major steps of photocurrent generation in organic bulk heterojunctions, from excitons generation to charges extraction and loss mechanisms and thus to improve the understanding of those mechanisms.

The exciton binding energy, is the first obstacle to overcome for photocurrent generation in organic solar cell and the reason for the use of two materials, whose heterojunction act as a driving force for charge separation. We developed an original photoluminescence-detected field-induced exciton quenching method to investigate this energy. Absorption and photoluminescence spectra of pure P3HT show that, while both amorphous and crystalline domains participate in
absorption, the energy is then transferred to the crystalline domains, from where the photoluminescence is exclusively originating. The field dependence of this photoluminescence showed that an energy of no less than 420 meV is necessary to split excitons into non photon-emitting species. Comparing those results with energy levels obtained by absorption and photoelectron spectroscopies, confirmed that the formation of those species is only a first step toward dissociation into free charges. Indeed, photoemission spectroscopy and the onset
of photocurrent upon increasing the photon energy in a pure P3HT solar cell, concomitantly show that the energy level of a pair of free polarons is located 0.7 eV above the one of the exciton. The comprehensive analysis of those results originating from those different method enable us to draw a global picture of the states and energies involved in free polarons generation in pure material. This work has been widely acknowledged by the scientific community, published in Physical Review B in 2010 [1] and presented in national [2] and international [3] conferences.

The spectroscopy of excited states is used to detect the presence of wanted species (charges) and potentially unwanted neutral species upon photoexcitation. As such, it offers us the possibility to qualify the efficiency of charge generation and, if any, identify the competing processes and the generation of unwanted species. In the frame of the European Marie Curie Research Network SolarNType,[4] this possibility was used - in combination with morphological,
charge transport and devices characterizationsn - to study a number of new donor:acceptor blends. Thanks to those techniques, we were able to not only quantify the potential of those blends, but also to provide the chemist laboratories with a precious and detailed feedback on the strengths and weakness of the molecules, regarding charge generation, transport and extraction. The detailed study of terrylene-3,4:11,12-bis(dicarboximide) as electron acceptor for
solar cells application was published in the peer review journal Synthetic Metals and was chosen to illustrate the cover page of the issue [5].

Finally, in the last chapter, we have used time resolved photoinduced absorption to improve the understanding of the charge carrier loss mechanisms in P3HT:PCBM active layers. This comprehension is of prime importance because, the fact that this recombination is far weaker than expected from the Langevin theory, enable polarons to travel further without recombining and thus to build thicker and more efficient devices. A comprehensive analysis of steady-state
PIA spectra of pure P3HT, indicates that probing at 980 nm at a temperature between 140 and 250 K enables to monitor specifically polaron densities in both neat P3HT and P3HT:PCBM. Applying this finding to transient absorption enabled us to monitor, for the first time, the bimolecular recombination in pure P3HT, and to discover that - in sharp contrast with the blend - this recombination was in agreement with the Langevin theory. Moreover, it enables us to pinpoint the important role played by the existence of two materials and of energetical traps in the slow recombination and high recombination orders observed in the blend. This work has been published in the Journal of Applied Physics.[6]

Those new insights in the photophysics of polymer:fullerene photoactive layers could have a strong impact on the future developement of those materials. Consistent measurements of the binding energy of excitons and intermediate species, would enable to clarify the role played by excess thermal energy in interfacial states dissociation. Better understanding of blends
morphology and its influence on solar cells parameters and in particular on recombination could enable to reproduce the conditions of limited recombination on material systems offering some promising performances but with only limited active layer thicknesses. However, due to the number of parameters involved, further experimentation is required, before we can reach a quantitative modeling of bimolecular recombination.

[1] Deibel et al., Phys. Rev. B, 81:085202, 2010
[2] Gorenflot et al., Deutsche Physikalische Gesellschaft Frühjahrstagung 2010, CPP20:10, Regensburg, Germany, 2010
[3] Gorenflot et al., International Conference of Synthetic Metals, 7Ax:05, Kyoto, Japan, 2010
[4] Marie-Curie RTN "SolarNTyp" Contract No. MRTN-CT-2006-035533
[5] Gorenflot et al., Synth. Met., 161(23{24):2669-2676, 2012
[6] Gorenflot et al., J. Appl. Phys., 115(14):144502, 2014
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden die zugrundeliegenden Mechanismen, die während der Photostromgeneration in Polymer:Fulleren-Solarzellen stattfinden, von der Exzitonengeneration bis zur Ladungsträgerextraktion, mittels spektroskopischer Methoden untersucht. Nach der Absorption eines Photons ist die Exzitonenbindungsenergie das erste zu überwindende Hindernis, um einen Photostrom in organischen Halbleitern zu generieren. Diese begründet die Notwendigkeit, zwei unterschiedliche Halbleitermaterialien zu implementieren, deren energetischer Offset die treibende Kraft für Exzitonentrennung am Heterogrenzfläsche bildet. Zur Erforschung dieser Energie haben wir eine neuartige Methode entwickelt, mit welcher wurden Einfluss eines elektrischen Feldes auf die Exzitonen durch Photolumineszenzmessungen quantifizieren können. Aus Absorptions- und Photolumineszenzspektren ist ersichtlich, dass im reinen P3HT sowohl amorphe als auch kristalline Bereiche zur Absorption beitragen. Daraufhin erfolgt ein anschließender effektiver. Energietransfer zu den kristallinen Domänen, der durch die ausschließlich in diesen Bereichen auftretende Photolumineszenz nachgewiesen wird. Diese Exzitonen sind als interchain excitons bekannt, die bereits bei 0.42 eV; in nicht emittierende Spezies dissoziiert werden können, wie unsere feldabhängigen Photolumineszenzmessungen zeigen. Mit Hilfe komplementärer Methoden konnten wir nachweisen, dass diese Dissoziation nur ein erster Schritt zur Generation freier Ladungsträger ist. So konnte durch Photoelektronenspektroskopie 10 und Messungen der externen Quanteneffizienz gezeigt werden, dass die Erstellung freier Ladungsträger 0.7 eV benötigt. Die zusammenführende Analyse dieser Ergebnisse ermöglicht die Erstellung eines umfassenden Bildes der für die Photostromgeneration relevanten Energieniveaus in reinem P3HT. Desweiteren wurden die Ergebnisse dieser Arbeit national [1] als auch international [2] auf
Konferenzen präsentiert und im Jahr 2010 in Physical Review B [3] publiziert. Die Tatsache, dass diese bereits über 50 mal zitiert wurden, verdeutlicht die große Bedeutung der erlangten Resultate.

Durch die Verwendung der Quasi-Steady-State-Spektroskopie angeregter Spezies können unter Beleuchtung erwünschte (Ladungsträger) und unerwünschte (neutrale) Zustände detektiert werden. Im Rahmen des EU-Projekts "SolarNType" [4] wurden dazu mehrere, als Elektronenakzeptor dienende, Moleküle teilnehmender Institutionen untersucht. Mit Hilfe unserer spektroskopischen Methode und
durch ergänzende Messungen des Ladunsträgerstransports sowie der Morphologie und Strom-Spannungs-Charakteristiken der Solarzellen waren wir im Stande, nicht nur das Potential dieser Moleküle zu beurteilen, sondern auch unseren Projektmitarbeitern detaillierte und wertvolle Informationen über die Stärken und Schwächen der von ihnen synthetisierten Materialien zu geben. Die detaillierte Untersuchung von terrylene-3,4:11,12-bis(dicarboximide) als Elektronenakzeptor, welche wir für das Max-Planck-Institut in Mainz erstellten, wurde im Jahr 2012 in Synthetic Metals publiziert und für die Titelseite ausgewählt. [5] 

Im letzten Abschnitt werden die Ergebnisse transienter photoinduzierter Absorptionsmessungen diskutiert, welche zur Bestimmung der Rekombination freier Ladunsträger in P3HT:PCBM Mischschichten durchgeführt wurden. Diese Rekombination ist dafür bekannt, nicht der Langevin-Theorie zu folgen, was für Solarzellen von großer Bedeutung ist. Anstelle von Rekombination zweiter Ordnung nach der Langevin-Theorie, rekombinieren Ladungsträger in dieser Materialkombination unter höherer Ordnung und einem starken zusätzlichen Reduktionsfaktor. Dies hat zur Folge, dass die Ladungsträger weiter difundieren können, was die Erstellung dickerer und daher effizienterer Solarzellen ermöglicht. Durch umfassende Analysen der P3HT Quasi-Steady-State-Spektren wurde einspektraler sowie thermischer Bereich identifiziert, in dem in reinem P3HT ausschließlich Polaronen für die Absorption verantwortlich sind. Die Verwendung dieser Ergebnisse in transienten Absorptionsmessungen ermöglichte es erstmals, das Rekombinationsverhalten in reinen sowie mit PCBM gemischten P3HT Schichten zu vergleichen. Es zeigt sich, dass die Abnahme der Ladungsträgerdichte in reinem P3HT der Langevin-Theorie perfekt folgt. Demzufolge scheint die beobachtete limitierte Rekombination in gemischten P3HT:PCBM-Schichten aus der Präsenz zweier unterschiedlicher Materialien zu resultieren. Nach der Betrachtung mehrerer möglicher Mechanismen kommen wir zu dem Schluss, dass eine Kombination von energetischem Trapping und Phasenseparation für dieses Verhalten verantwortlich ist. Diese Ergebnisse wurden im Jahr 2014 in the Journal of Applied Physics publiziert. [6]

Die erlangten neuen Einblicke in die photophysischen Eigenschaften von Polymer:Fulleren-Mischschichten besitzen große Bedeutung für die weitere Entwicklung in diesem Bereich. Systematische Messungen der Bindungsenergien von Exzitonen sowie Polaronenpaaren scheinen eine vielversprechende Methode zu sein, die Bedeutung der Exzitonen-Überschussenergie für die Photostromgeneration zu verstehen. Ein besseres Verständnis der Mischungsmorphologie sowie ihren Einfluss auf die bimolekulare Rekombinationsdynamik bahnt den Weg zur Steigerung der Leistung in vielversprechenden Materialsystemen, die bisher durch die limitierte Dicke der Solarzellen eingeschränkt ist. Allerdings bedingt die große Anzahl an Faktoren, die in diesen Rekombinationsmechanismen eine Rolle spielen, weitere fundierte experimentelle Ergebnisse, bevor eine quantitative Modellierung der Prozesse erreicht werden kann.


[1] Gorenflot et al., Deutsche Physikalische Gesellschaft Frühjahrstagung 2010, CPP20:10, Regensburg, Germany, 2010
[2] Gorenflot et al., International Conference of Synthetic Metals, 7Ax:05, Kyoto, Japan, 2010
[3] Deibel et al., Phys. Rev. B, 81:085202, 2010
[4] Marie-Curie RTN "SolarNTyp" Contract No. MRTN-CT-2006-035533
[5] Gorenflot et al., Synth. Met., 161(23{24):2669-2676, 2012
[6] Gorenflot et al., J. Appl. Phys., 115(14):144502, 2014
KW  - Organische Solarzelle
KW  - Fotovoltaik
KW  - Organischer Halbleiter
KW  - Renewable energies
KW  - Solar energy
KW  - Excited states spectroscopy
KW  - Organic semiconductors
KW  - Semiconductors physics
KW  - Plastic electronics
KW  - Excitons
KW  - Experimental physics
KW  - Disordered semiconductor
KW  - Charges recombination
KW  - Spectroscopy
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-116730
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zusan, Andreas
T1  - The Effect of Morphology on the Photocurrent Generation in Organic Solar Cells
T1  - Der Einfluss der Morphologie auf die Generierung von Photostrom in organischen Solarzellen
N2  - Organic solar cells have great potential to become a low-cost and clean alternative to conventional photovoltaic technologies based on the inorganic bulk material silicon. As a highly promising concept in the field of organic photovoltaics, bulk heterojunction (BHJ) solar cells consist of a mixture of an electron donating and an electron withdrawing component. Their degree of intermixing crucially affects the generation of photocurrent. In this work, the effect of an altered blend morphology on polaron pair dissociation, charge carrier transport, and nongeminate recombination is analyzed by the charge extraction techniques time delayed collection field (TDCF) and open circuit corrected transient charge extraction (OTRACE). Different comparative studies cover a broad range of material systems, including polymer and small-molecule donors in combination with different fullerene acceptors. The field dependence of polaron pair dissociation is analyzed in blends based on the polymer pBTTT-C16, allowing a systematic tuning of the blend morphology by varying the acceptor type and fraction. The effect of both excess photon energy and intercalated phases are minor compared to the influence of excess fullerene, which reduces the field dependence of photogeneration. The study demonstrates that the presence of neat fullerene domains is the major driving force for efficient polaron pair dissociation that is linked to the delocalization of charge carriers. Furthermore, the influence of the processing additive diiodooctane (DIO) is analyzed using the photovoltaic blends PBDTTT-C:PC71BM and PTB7:PC71BM. The study reveals amulti-tiered alteration of the blend morphology of PBDTTT-C based blends upon a systematic increase of the amount of DIO. Domains on the hundred nanometers length scale in the DIO-free blend are identified as neat fullerene agglomerates embedded in an intermixed matrix. With the addition of the additive, 0.6% and 1% DIO already substantially reduces the size of these domains until reaching the optimum 3% DIO mixture, where a 7.1% power conversion efficiency is obtained. It is brought into connection with the formation of interpenetrating polymer and fullerene phases. Similar to PBDTTT-C, the morphology of DIO-free PTB7:PC71BM blends is characterized by large fullerene domains being decreased in size upon the addition of 3% DIO. OTRACE measurements reveal a reduced Langevin-type, super-second order recombination in both blends. It is demonstrated that the deviation from bimolecular recombination kinetics cannot be fully attributed to the carrier density dependence of the mobility but is rather related to trapping in segregated PC71BM domains. Finally, with regard to small-molecule donors, a higher yield of photogeneration and balanced transport properties are identified as the dominant factors enhancing the efficiency of vacuum deposited MD376:C60 relative to its solution processed counterpart MD376:PC61BM. The finding is explained by a higher degree of dimerization of the merocyanine dye MD376 and a stronger donor-acceptor interaction at the interface in the case of the vacuum deposited blend.
N2  - Organische Solarzellen sind dank der Möglichkeit einer preisgünstigen und umweltfreundlichen Herstellung eine erfolgversprechende Alternative zu konventionellen Photovoltaiktechnologien, bei denen heutzutage hauptsächlich Silizium zum Einsatz kommt. Ein aussichtsreiches Konzept ist dabei die Heterogemisch (bulk heterojunction , BHJ)-Solarzelle. Deren aktive Schicht besteht aus einer Elektron-gebenden und einer Elektron-entziehenden Komponente, wobei die Generierung von Photostrom entscheidend von der Durchmischung beider Materialien abhängt. Dieser Einfluss der Morphologie auf die Trennung von Polaronpaaren, den Transport von freien Ladungsträgern und deren nichtgeminale Rekombination wird durch die Verwendung der Ladungsextraktionsmethoden time delayed collection field  (TDCF) sowie open circuit corrected transient charge extraction  (OTRACE) in dieser Arbeit im Detail untersucht. Die vorgestellten Studien umfassen mit Polymeren und kleinen Molekülen als Donatoren sowie verschiedenen Fulleren-Akzeptoren unterschiedlichste Materialsysteme.
Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der feldabhängigen Trennung von Polaronpaaren in Solarzellen, die unter Verwendung des Polymers pBTTT-C16 hergestellt werden. Das Materialsystem erlaubt eine systematische Anpassung der Morphologie durch Art und Anteil des Akzeptors. Die Untersuchungen zeigen, dass sowohl Überschussenergie als auch interkalierte Phasen lediglich eine geringe Auswirkung auf die Photogenerierung haben, diese jedoch stark von der Fullerenmenge im Gemisch beeinflusst wird. Das Ergebnis verdeutlicht, dass reine Fullerendomänen die treibende Kraft für eine effiziente Trennung von Polaronpaaren sind, was mit der Delokalisierung von Ladungsträgern verknüpft wird. Im zweiten Teil wird der Einfluss des Additivs Diiodooktan (DIO) auf das Materialsystem PBDTTT-C:PC71BM untersucht. Die Studie zeigt eine mehrstufige Änderung der Morphologie bei einer schrittweisen Erhöhung der verwendeten DIO Menge. Wird das Heterogemisch PBDTTT-C:PC71BM ohne DIO hergestellt, ist dessen Nanostruktur durch große Agglomerate geprägt, die als reine Fullerendomänen identifiziert werden. Bereits die Verwendung von 0.6% und 1% DIO führt zu einer deutlichen Verkleinerung dieser Domänen, wobei erst die maximale Effizienz der mit 3% DIO hergestellten Solarzelle mit der Ausbildung von vernetzten Polymer- und Fullerenphasen in Verbindung gebracht wird. Vergleichbar zu PBDTTT-C weist auch PTB7:PC71BM große Fullerendomänen und deren bessere Dispersion durch die Verwendung von 3% DIO auf. In beiden Fällen zeigt OTRACE eine reduzierte Langevin-artige Rekombination sowie die Abweichung von einem bimolekularen Verhalten. Da diese erhöhte Rekombinationsordnung nicht mit der Ladungsträgerdichtenabhängigkeit der Mobilität erklärt werden kann, wird sie dem Einfangen von Ladungsträgern in Fullerendomänen zugeordnet. Im letzten Teil wird gezeigt, dass eine ergiebigere Photogenerierung sowie ausgeglichene Transporteigenschaften eine erhöhte Bauteileffizienz von aufgedampften MD376:C60 Solarzellen im Vergleich zum flüssigprozessierten Pendant MD376:PC61BM bedingen. Die Beobachtung wird mit einer verbesserten Dimerisation des Merocyanins MD376 und einer stärkeren Donator-Akzeptor-Wechselwirkung an der Grenzfläche erklärt.
KW  - Organische Solarzelle
KW  - Photostrom
KW  - Ladungsträgergenerierung
KW  - geminale Rekombination
KW  - nichtgeminale Rekombination
KW  - Elektronentransport
KW  - Photovoltaik
KW  - Rekombination
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-117852
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gieseking, Björn
T1  - Excitation Dynamics and Charge Carrier Generation in Organic Semiconductors
T1  - Anregungsdynamik und Ladungsträgergenerierung in organischen Halbleitern
N2  - The transport of optically excited states, called excitons, as well as their conversion into charges define the two major steps allowing for the operation of organic photovoltaic (OPV) devices. Hence, a deep understanding of these processes, the involved mechanisms as well as possible loss channels is crucial for further improving the efficiency of organic solar cells. For studying the aforementioned processes spectroscopic methods like absorption and emission measurements are useful tools. As many of the processes take place on a sub-nanosecond (ns) timescale ultrafast spectroscopic methods are required. Due to this reason two experiments based on a femtosecond laser system were built and employed in this work, namely picosecond (ps) time-resolved photoluminescence (PL) and transient absorption (TA) spectroscopy.

By analyzing the PL decay dynamics in the prototypical organic semiconductor rubrene, the feasibility of a new approach for improving the efficiency of organic solar cells by harvesting triplet excitons generated by singlet fission was examined. Singlet fission describes a process where two triplet excitons are generated via a photoexcited singlet exciton precursor state if the energy of the two triplets is comparable with the energy of the singlet. For this purpose the influence of characteristic length scales on the exciton dynamics in different rubrene morphologies exhibiting an increasing degree of confinement was analyzed. The results show that the quenching at interfacial states efficiently suppresses the desired fission process if these states are reached by excitons during migration. Since interfacial states are expected to play a significant role in thin film solar cells and are easily accessible for the migrating excitons, the results have to be considered for triplet-based OPV.

While the aforementioned approach is only investigated for model systems so far, the efficiency of disordered organic bulk heterojunction (BHJ) solar cells could be significantly enhanced in the last couple of years by employing new and more complex copolymer donor materials. However, little is known about the photophysics and in particular the excitation dynamics of these systems. By carrying out a systematic optical study on the prominent copolymer PCDTBT and its building blocks we were able to identify the nature of the two characteristic absorption bands and the coupling mechanism between these levels. The latter mechanism is based on an intrachain partial charge transfer between two functional subunits and our time-resolved measurements indicate that this coupling governs the photophysical properties of solar cells based on these copolymers. The efficient coupling of functional subunits can be seen as a key aspect that guarantees for the success of the copolymer approach.

Another important issue concerns the optimization of the morphology of BHJ solar cells. It arises from the discrepancy between the exciton diffusion length \mbox{($\approx$ 10 nm)} and the absorption length of solar irradiation ($\approx$ 100 nm). Due to this reason, even for devices based on new copolymer materials, processing parameters affecting the morphology like annealing or employing processing additives are of major importance. In our combined optical, electrical and morphological study for solar cells based on the high-efficient copolymer PBDTTT-C we find a direct correlation between additive content and intermixing of the active layer. The observed maximum in device efficiency can be attributed to a morphology guaranteeing for an optimized balance between charge generation and transport. Our results highlight the importance of understanding the influence of processing parameters on the morphology of the BHJ and thus on the efficiency of the device.
N2  - Der Transport optischer Anregungen, genannt Exzitonen, sowie deren Umwandlung in Ladungsträger stellen die beiden wesentlichen Mechanismen dar, welche die Funktion von organischer Photovoltaik (OPV) erst ermöglichen. Daher ist ein genaues Verständnis dieser Prozesse, der beteiligten Mechanismen sowie möglicher Verlustkanäle von essentieller Bedeutung, um die Effizienz organischer Solarzellen weiter zu steigern. Für die Untersuchung der genannten Vorgänge bieten sich grundsätzlich spektroskopische Methoden, wie etwa die Untersuchung der Absorptions- und Emissioncharakteristiken, an. Da sich viele der erwähnten Prozesse auf der sub-Nanosekunden (ns) Zeitskala abspielen, werden für deren Unteruchung hoch-zeitaufgelöste Messmethoden benötigt. Aus diesem Grund wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Messmethoden, basierend auf einem Femtosekunden-Lasersystem aufgebaut und verwendet. Hierbei handelt es sich um die Picosekunden (ps) zeitaufgelöste Photolumineszenz-Spektroskopie (PL) und die transiente Absorptionsspektroskopie (TA).  

Anhand des prototypischen organischen Halbleiters Rubren habe ich mich mit der Fragestellung beschäftigt, inwieweit ein alternativer Ansatz zur Erhöhung der Effizienz von organischen Solarzellen, basierend auf der Nutzung von Triplet Exzitonen, welche durch Singlet Fission generiert wurden, genutzt werden könnte. Bei der Singlet Fission werden aus einem optisch angeregten Singlet Exziton zwei Triplet Exzitonen erzeugt, unter der Voraussetzung, dass die Summe der Energien der beiden Triplets in etwa der Energie des Singlet Exzitons entspricht. Hierfür wurde der Einfluss von charakteristischen Längenskalen auf die Exzitonendynamik in verschiedenen Rubren-Morphologien, die ein zunehmend begrenztes Anregungsvolumen aufweisen, untersucht. Dabei zeigt sich, dass durch den Einfluss von Grenzflächenzuständen der erwünschte Singlet Fission Prozess effizient unterdrückt wird, sollten diese Zustände von Exzitonen während ihrer Migration erreicht werden. Dieser Sachverhalt ist bei einer möglichen Realisierung von Triplet-basierter OPV zu berücksichtigen, da in Dünnschicht-Solarzellen solche Grenzflächenzustände eine relevante Rolle spielen und für Exzitonen gut zugänglich sind.

Während der oben genannte Ansatz bis jetzt nur für Modellsysteme untersucht wird, konnte die Effizienz ungeordneter organischer ''bulk heterojunction'' (heterogemisch, BHJ) Solarzellen in den vergangenen Jahren durch die Verwendung neuer, komplexerer Donormaterialen signifikant gesteigert werden. Allerdings war eine genaue Kenntnis der dahinter stehenden Photophysik und insbesondere der Anregungsdynamik dieser Systeme nicht vorhanden. Anhand einer systematischen optischen Studie am prominenten Copolymer PCDTBT und seiner Bausteine konnte die Natur der angeregten Zustände und deren Kopplungsmechanismus, basierend auf einem teilweisen Ladungsübertrag zwischen zwei funktionalen Gruppen des Copolymers identifiziert werden. Die Ergebnisse der zeitaufgelösten Messungen deuten darauf hin, dass dieser interne Kopplungsmechanismus die Photophysik von organischen Solarzellen, basierend auf diesen Copolymeren bestimmt. Diese effiziente Kopplung ist ein wesentlicher Grund für den Erfolg des Copolymerkonzeptes. 

Ein weiterer wichtiger Aspekt betrifft die Optimierung der Morphologie der aktiven Schicht von BHJ Solarzellen, welcher sich aus der Diskrepanz zwischen Exzitonendiffusionslänge ($\approx$ 10 nm) und Absorptionslänge des Sonnenlichts \mbox{($\approx$ 100 nm)} ergibt. Aus diesem Grund sind auch bei BHJ Zellen, basierend auf neuartigen Copolymeren die Prozessparameter, welche die Morphologie beeinflussen --- wie das Ausheizen der Zelle oder die Zugabe von Additiven --- von großer Bedeutung. Unsere kombinierte optische, elektrische und morphologische Studie an Solarzellen, basierend auf dem hocheffizienten Copolymer PBDTTT-C zeigt dabei einen direkten Zusammenhang von Additivkonzentration und Durchmischungsgrad der aktiven Schicht. Das beobachtete Effizienzmaximum ergibt sich dabei für diejenige Morphologie, welche ein optimiertes Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Transport von Ladungsträgern aufweist. Die Ergebnisse verdeutlichen, wie wichtig das Verständnis der Auswirkungen einzelner Prozessparameter auf die Morphologie und damit die Effizienz von BHJ Solarzellen ist.
KW  - Organische Solarzelle
KW  - Photovoltaik
KW  - Organischer Halbleiter
KW  - Charge Carrier Generation
KW  - Singlet Fission
KW  - Experimental Physics
KW  - Ultrafast Spectroscopy
KW  - Organic Semiconductors
KW  - Organic Photovoltaics
KW  - Excitons
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-101625
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wagenpfahl, Alexander Johannes
T1  - Numerical simulations on limitations and optimization strategies of organic solar cells
T1  - Numerische Simulationen von Limitierungen und Optimierungsstrategien organischer Solarzellen
N2  - Continuously increasing energy prices have considerably influenced the cost of living over the last decades. At the same time increasingly extreme weather conditions, drought-filled summers as well as autumns and winters with heavier rainfall and worsening storms have been reported. These are possibly the harbingers of the expected approaching global climate change. Considering the depletability of fossil energy sources and a rising distrust in nuclear power, investigations into new and innovative renewable energy sources are necessary to prepare for the coming future. 

In addition to wind, hydro and biomass technologies, electricity generated by the direct conversion of incident sunlight is one of the most promising approaches. Since the syntheses and detailed studies of organic semiconducting polymers and fullerenes were intensified, a new kind of solar cell fabrication became conceivable. In addition to classical vacuum deposition techniques, organic cells were now also able to be processed from a solution, even on flexible substrates like plastic, fabric or paper. 

An organic solar cell represents a complex electrical device influenced for instance by light interference for charge carrier generation. Also charge carrier recombination and transport mechanisms are important to its performance. In accordance to Coulomb interaction, this results in a specific distribution of the charge carriers and the electric field, which finally yield the measured current-voltage characteristics. Changes of certain parameters result in a complex response in the investigated device due to interactions between the physical processes. Consequently, it is necessary to find a way to generally predict the response of such a device to temperature changes for example.
 
In this work, a numerical, one-dimensional simulation has been developed based on the drift-diffusion equations for electrons, holes and excitons. The generation and recombination rates of the single species are defined according to a detailed balance approach. The Coulomb interaction between the single charge carriers is considered through the Poisson equation. An analytically non-solvable differential equation system is consequently set-up. With numerical approaches, valid solutions describing the macroscopic processes in organic solar cells can be found. An additional optical simulation is used to determine the spatially resolved charge carrier generation rates due to interference.

Concepts regarding organic semiconductors and solar cells are introduced in the first part of this work. All chapters are based on previous ones and logically outline the basic physics, device architectures, models of charge carrier generation and recombination as well as the mathematic and numerical approaches to obtain valid simulation results. 

In the second part, the simulation is used to elaborate issues of current interest in organic solar cell research. This includes a basic understanding of how the open circuit voltage is generated and which processes limit its value. S-shaped current-voltage characteristics are explained assigning finite surface recombination velocities at metal electrodes piling-up local space charges. The power conversion efficiency is identified as a trade-off between charge carrier accumulation and charge extraction. This leads to an optimum of the power conversion efficiency at moderate to high charge carrier mobilities. Differences between recombination rates determined by different interpretations of identical experimental results are assigned to a spatially inhomogeneous recombination, relevant for almost all low mobility semiconductor devices.
N2  - Stetig steigende Preise für Energie haben die Lebenshaltungskosten in Deutschland über die letzten Jahrzehnte maßgeblich beeinflusst. Gleichzeitig werden scheinbar extremere Wetterbedingungen, dürrere Sommer, ebenso wie regen und sturmreichere Winter aufgezeichnet. Dies könnten bereits heute die Vorboten eines kommenden, globalen Klimawandels sein. Berücksichtigt man die Endlichkeit fossiler Energieträger und die wachsende Ablehnung gegenüber nuklearer Energieerzeugung, führt kein Weg an einer genaueren Erforschung innovativer, erneuerbarer Energiequellen vorbei.

Neben Wind- und Wasserkraft stellt die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom einen der erfolgversprechendsten Ansätze dar. Seit Beginn der Synthese und der genaueren Untersuchungen organischer, halbleitender Polymere und Fullerene innerhalb der letzten Jahre, wurde eine neue Arte der Solarzellenherstellung, neben den bereits etablierten Technologien, denkbar. Zusätzlich zu klassischen Aufdampfverfahren können Solarzellen aus organischen Materialien in Lösung hergestellt und auf verschiedenartigste Materialien wie Plastik, Stoff oder Papier aufgebracht werden. Aufgrund der Unordnung in den aktiven Schichten verhalten sich solche Solarzellen jedoch anders als solche aus anorganischen Materialien.

Eine organische Solarzelle ist ein komplexes elektrisches Bauteil, welches durch eine Anzahl physikalischer Effekte maßgeblich beeinflusst wird. So ist, beispielsweise, die Verteilung erzeugter Ladungsträger durch optische Interferenzeffekte bestimmt. Ladungstransport und Ladungsträgerrekombination stellen weitere Einflussfaktoren dar. Die experimentell gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien sind somit stets makroskopische Kombination mehrerer Effekte. Änderungen einzelner Parameter führen zu einer komplexen Änderung des elektrischen Verhaltens des Bauteils. Folgerichtig ist es notwendig, ein Modell zu entwickeln, welches das Verhalten organischer Solarzellen bei sich ändernden Umgebungsbedingungen, allgemeingültig vorhersagen kann. 

Im Rahmen dieser Arbeit wurde, zu diesem Zweck, eine eindimensionale, numerische Simulation entwickelt. Basierend auf Drift- und Diffusionsgleichungen für Elektronen, Löcher und Exzitonen kann der Ladungstransport in organischen Halbleitern beschrieben werden. Benötigte Generations- und Rekombinationsraten werden durch entsprechende Ratengleichungen bestimmt. Über die Poisson-Gleichung wird zudem das auftretende elektrische Feld innerhalb der Solarzelle berücksichtigt. Das resultierende differentielle Gleichungssystem ist jedoch nicht analytisch lösbar. Nur mit Hilfe spezieller numerischer Methoden, können gültige Lösungen gefunden werden. Hiermit kann das Verhalten organischer Solarzellen sehr gut beschrieben. Eine zusätzliche optische Simulation kann dazu benutzt werden, optische Interferenzeffekte zu berücksichtigen.

Im des ersten Teiles dieser Arbeit werden Methoden und Modellvorstellungen für Prozesse in organischer Solarzellen vorgestellt. Die Kapitel bauen aufeinander auf und gehen nacheinander auf die grundlegende Physik, die Bauteilarchitektur, die Modelle der Ladungsträgergeneration und -rekombination, ebenso wie auf die benötigten mathematischen und numerischen Methoden ein.

Beiträge zur aktuellen Forschung werden im zweiten Abschnitt vorgestellt.  Diese Umfassen ein grundlegendes Verständnis der offenen Klemmspannung organischer Solarzellen. Diese wird entweder durch Oberflächenrekombination an den Elektroden oder durch Injektionsbarrieren limitiert.

S-förmige Verformungen von gemessenen und simulierten Strom-Spannungs-Kennlinien konnten durch endliche Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten erklärt werden. Aufgrund verminderter Extraktions- und Injektionseigenschaften entsteht eine spannungsabhängige Raumladungszone, welche diese oft beobachtete Verformung verursacht.

Der Wirkungsgrad organischer Solarzellen konnte als Kompromiss zwischen Ladungsträgeranhäufung und -extraktion im Bauteil identifiziert werden. Dies führt letztendlich zu einem Optimum der Solarzelleneffizienz bei moderaten bis hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten.

Abweichungen experimentell unterschiedlich bestimmter Rekombinationsraten konnten auf eine räumlich inhomogene Verteilung der Ladungsträgerrekombination zurückgeführt werden. Diese wird durch selektive Kontakte erzeugt und ist für alle halbleitenden Bauelemente mit niedriger Mobilität relevant.
KW  - Organische Solarzelle
KW  - Fotovoltaik
KW  - Organischer Halbleiter
KW  - s-shape
KW  - Doppeldiode
KW  - Simulation
KW  - Solarzelle
KW  - Rekombination
KW  - Strom-Spannungs-Kennlinie
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-90119
N1  - zu ergänzende PACS-Nummern wären: 88.40.jr und 81.05.Fb (Quelle: http://www.aip.org/publishing/pacs/pacs-alphabetical-index)
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sperlich, Andreas
T1  - Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy of Conjugated Polymers and Fullerenes for Organic Photovoltaics
T1  - Elektron-Paramagnetische Resonanz-Spektroskopie von konjugierten Polymeren und Fullerenen für die organische Photovoltaik
N2  - In the presented thesis, the various excited states encountered in conjugated organic semiconductors are investigated with respect to their utilization in organic thin-film solar cells. Most of these states are spin-baring and can therefore be addressed by means of magnetic resonance spectroscopy. The primary singlet excitation (spin 0), as well as positive and negative polaronic charge carriers (spin 1/2) are discussed. Additionally, triplet excitons (spin 1) and charge transfer complexes are examined, focussing on their differing spin-spin interaction strength. For the investigation of these spin-baring states especially methods of electron paramagnetic resonance (EPR) are best suited. Therefore according experimental methods were implemented in the course of this work to study conjugated polymers, fullerenes and their blends with continuous wave as well as time-resolved EPR and optically detected magnetic resonance.
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den vielfältigen Anregungszuständen in konjugierten organischen Halbleitern mit Hinblick auf deren Verwendung in organischen Dünnschicht-Solarzellen. Diese verschiedenen Zustände sind zumeist Spin-behaftet und daher mit Methoden der Magnetresonanz adressierbar. Es wird unterschieden zwischen Singulett-Exzitonen (Spin 0) als primärer Photoanregung, sowie positiven und negativen polaronischen Ladungsträgern (Spin 1/2). Des Weiteren werden Triplet-Exzitonen (Spin 1) und Ladungstransferkomplexe behandelt, die sich durch unterschiedlich starke Spin-Spin Wechselwirkung auszeichnen. Zur Untersuchung dieser Spin-behafteten Zustände bieten sich insbesondere Methoden der Elektron-Paramagnetischen Resonanz-Spektroskopie (EPR) an. Im Zuge dieser Arbeit wurden dafür entsprechede Messmethoden der Dauerstrich (cw) EPR, zeitaufgelösten, transienten EPR und der optisch detektierten Magnetresonanz (ODMR) implementiert und zur Erforschung von konjugierten Polymeren, Fullerenen und deren Mischungen eingesetzt.
KW  - Organische Solarzelle
KW  - Fotovoltaik
KW  - Organischer Halbleiter
KW  - organische Photovoltaik
KW  - organische Halbleiter
KW  - organic photovoltaic
KW  - organic solar cells
KW  - Elektronenspinresonanz
KW  - Fullerene
KW  - Konjugierte Polymere
KW  - Photovoltaik
KW  - Spektroskopie
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-81244
ER  - 
TY  - THES
A1  - Förtig, Alexander
T1  - Recombination Dynamics in Organic Solar Cells
T1  - Rekombinationsdynamiken in organischen Solarzellen
N2  - Neben herkömmlichen, konventionellen anorganischen Solarzellen — hauptsächlich auf Silizium basierend — ist die Organische Photovoltaik (OPV) auf dem besten Wege in naher Zukunft eine kostengünstige, umweltfreundliche, komplementäre Technolgie darzustellen. Die Produktionskosten, die Lebenszeit der Solarzellen sowie deren Wirkungsgrad müssen dabei weiter optimiert werden, um einen Markteintritt der OPV zu ermöglichen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Effizienz organischer Solarzellen und deren Limitierung durch die Rekombination von Ladungsträgern. Um funktionsfähige Zellen zu untersuchen, werden zeitaufgelöste Experimente wie die Messung der transienten Photospannung (TPV), des transienten Photostroms (TPC), die Ladungsextraktion (CE) sowie die time delayed collection field (TDCF) Methode angewandt. Untersucht werden sowohl flüssig prozessierte als auch aufgedampfte Proben, unterschiedliche Materialzusammensetzungen und verschiedene Probengeometrien. Das Standardmaterialsystem der OPV, P3HT:PC61BM, wird bei verschiedenen emperaturen und Beleuchtungsstärken auf die Lebenszeit und Dichte der photogenerierten Ladungsträger überprüft. Für den Fall spannungsunabhängiger Generation von Ladungsträgern zeigt sich die Anwendbarkeit der Shockley-Gleichung auf organische Solarzellen. Des Weiteren wird ein konsistentes Modell erläutert, welches den Idealtitätsfaktor direkt mit der Rekombination von freien mit gefangenen, exponentiell verteilten Ladungsträgern verknüpft. Ein Ansatz, bekannt unter der Bezeichung j=V Rekonstruktion, ermöglicht es, den leistungslimitierenden Verlustmechanismus in unbehandelten und thermisch geheizten P3HT:PC61BM Solarzellen zu identifizieren. Dieses Verf ahren, welches TPV, CE und TDCF Messungen beinhaltet, wird auf Proben basierend auf dem neuartigen, low-band gap Polymer PTB7 in Verbindung mit dem Fulleren PC71BM ausgeweitet. Während in der Zelle hergestellt aus reinem Chlorbenzol beträchtliche geminale wie nichtgeminale Verluste zu beobachten sind, erleichtert die Zugabe eines Lösungsmittelzusatzes die Polaronenpaartrennung, was zu einer starken Reduktion geminaler Verluste führt. In einer Kooperation mit dem IMEC Institut in Leuven, werden abschließend die beiden bedeutensten Probenarchitekturen organischer Solarzellen, die planare und die Mischübergang Struktur, jeweils basierend auf CuPC und C60, bezüglich nichtgeminaler Rekombination und Ladungsträgerverteilung miteinander verglichen. Neben den beiden experimentellen Techniken um TPV und CE werden makroskopische Simulationen herangezogen, um den Ursprung unterschiedlichen Voc vs. Lichtintensität–Verhaltens zu erklären.
N2  - Besides established, conventional inorganic photovoltaics—mainly based on silicon—organic photovoltaics (OPV) are well on the way to represent a lowcost, environment friendly, complementary technology in near future. Production costs, solar cell lifetime and performance are the relevant factors which need to be optimized to enable a market launch of OPV. In this work, the efficiency of organic solar cells and their limitation due to charge carrier recombination are investigated. To analyze solar cells under operating conditions, time-resolved techniques such as transient photovoltage (TPV), transient photocurrent (TPC) and charge extraction (CE) are applied in combination with time delayed collection field (TDCF) measurements. Solution processed and evaporated samples of different material composition and varying device architectures are studied. The standard OPV reference system, P3HT:PC61BM, is analyzed for various temperatures in terms of charge carrier lifetime and charge carrier density for a range of illumination intensities. The applicability of the Shockley Equation for organic solar cells is validated in case of field-independent charge photogeneration. In addition, a consistent model is presented, directly relating the ideality factor to the recombination of free with trapped charge carriers in an exponential density of states. An approach known as j=V reconstruction enables to identify the performance limiting loss mechanism of as-prepared and thermally treated P3HT:PC61BM solar cells. This procedure, involving TPV, CE and TDCF measurements, is extended to samples based on the rather new, low-band gap polymer PTB7 in combination with PC71BM. While in the devices processed from pure chlorobenzene solution considerable geminate and nongeminate losses are observed, the use of a solvent additive facilitates efficient polaron pair dissociation minimizing geminate recombination. Finally, in collaboration with the IMEC institute in Leuven, the two main organic solar cell device architectures, planar and bulk heterojunction—both based on CuPc and C60—are directly compared in terms of nongeminate recombination and charge carrier distribution. Two experimental techniques, TPV and CE, as well as a macroscopic device simulation are applied to reveal the origin of different Voc vs. light intensity dependence.
KW  - Organische Solarzelle
KW  - Fotovoltaik
KW  - Organischer Halbleiter
KW  - physics
KW  - solar cell
KW  - recombination
KW  - organic semiconductors
KW  - Physik
KW  - Solartechnik
KW  - Energietechnik
KW  - Solarzelle
KW  - Rekombination
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-83895
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kern, Julia
T1  - Field Dependence of Charge Carrier Generation in Organic Bulk Heterojunction Solar Cells
T1  - Feldabhängige Ladungsträgergenerierung in organischen Bulk Heterojunction-Solarzellen
N2  - In the field of organic photovoltaics, one of the most intensely researched topics to date is the charge carrier photogeneration in organic bulk heterojunction solar cells whose thorough understanding is crucial for achieving higher power conversion efficiencies. In particular, the mechanism of singlet exciton dissociation at the polymer–fullerene interface is still controversially debated.
This work addresses the dissociation pathway via relaxed charge transfer states (CTS) by investigating its field dependence for reference material systems consisting of MDMO-PPV and one of the fullerene derivatives PC61BM, bisPCBM and PC71BM. Field dependent photoluminescence (PL(F)) and transient absorption (TA(F)) measurements give insight into the recombination of charge transfer excitons (CTE) and the generation of polarons, respectively. Optically detected magnetic resonance and atomic force microscopy are used to characterize the morphology of the samples.
The comparison of the experimental field dependent exciton recombination recorded by PL(F) and the theoretical exciton dissociation probability given by the Onsager–Braun model yields the exciton binding energy as one of the key parameters determining the dissociation efficiency. The binding energies of both the singlet exciton in neat MDMO-PPV and the CTE in MDMO-PPV:PC61BM 1:1 are extracted, the latter turning out to be significantly reduced with respect to the one of the singlet exciton.
Based on these results, the field dependence of CTE dissociation is evaluated for MDMO-PPV:PC61BM blends with varying fullerene loads by PL(F) and TA(F). For higher PC61BM contents, the CTE binding energies decrease notably. This behavior is ascribed to a larger effective dielectric constant for well-intermixed blends and to an interplay between dielectric constant and CTE delocalization length for phase separated morphologies, emphasizing the importance of high dielectric constants for the charge carrier photogeneration process.
Finally, the CTE binding energies are determined for MDMO-PPV blends with different fullerene derivatives, focusing on the influence of the acceptor LUMO energy. Here, the experimental results suggest the latter having no or at least no significant impact on the binding energy of the CTE. Variations of this binding energy are rather related to different trap levels in the acceptors which seem to be involved in CTS formation.
N2  - Einer der aktuellen Forschungsschwerpunkte im Bereich der organischen Photovoltaik ist die Ladungsträgergenerierung in „Bulk Heterojunction-Solarzellen“, deren Verständnis für das Erreichen höherer Wirkungsgrade essentiell ist. In diesem Zusammenhang wird derzeit vor allem der Dissoziationsmechanismus der Singulett-Exzitonen an der Donator–Akzeptor-Grenzfläche kontrovers diskutiert.
Die vorliegende Arbeit adressiert die Dissoziation über relaxierte Ladungstransferzustände (CTS) durch die Untersuchung der Feldabhängigkeit des Prozesses für Referenzsysteme aus MDMO-PPV und den Fullerenderivaten PC61BM, bisPCBM sowie PC71BM. Feldabhängige Photolumineszenz (PL(F)) und transiente Absorption (TA(F)) geben Aufschluss über Rekombination der Ladungstransfer-Exzitonen (CTE) bzw. Polaronengenerierung, während die Morphologie der Proben durch optisch detektierte
Magnetresonanz und Rasterkraftmikroskopie charakterisiert wird.
Durch den Vergleich der experimentellen feldabhängigen Exzitonenrekombination mit der theoretischen Dissoziationswahrscheinlichkeit nach dem Onsager–Braun-Modell lässt sich die Bindungsenergie der Exzitonen ermitteln, welche die Dissoziationseffizienz entscheidend beeinflusst. Diese Bindungsenergie wird sowohl für das Singulett-Exziton in reinem MDMO-PPV als auch für das CTE in MDMO-PPV:PC61BM 1:1 bestimmt, wobei letztere deutlich geringer als die des Singulett-Exzitons ist.
Ausgehend von diesen Ergebnissen wird die Feldabhängigkeit der CTE-Dissoziation
für MDMO-PPV:PC61BM-Gemische mit unterschiedlichen Fullerenanteilen durch PL(F) und TA(F) untersucht. Für höhere PC61BM-Konzentrationen nimmt die CTE-Bindungsenergie merklich ab. Dieses Verhalten ist für gut durchmischte Systeme einer höheren dielektrischen Konstante und für phasenseparierte Systeme dem Zusammenspiel zwischen Dielektrizitätskonstante und Delokalisation der CTE zuzuschreiben.
Schließlich werden die CTE-Bindungsenergien für Gemische aus MDMO-PPV und unterschiedlichen
Fullerenderivaten bestimmt, wobei der Einfluss des LUMO-Niveaus der Akzeptoren im Fokus steht. Dieses scheint jedoch keine oder nur eine geringe Bedeutung für die CTE-Bindungsenergie zu besitzen. Die beobachteten Variationen der Bindungsenergie sind vielmehr auf die Fallenzustände der Akzeptoren zurückzuführen, welche offenbar an der Ausbildung der CTS beteiligt sind.
KW  - Organische Solarzelle
KW  - organic photovoltaics
KW  - charge transfer state
KW  - bulk heterojunction
KW  - binding energy
KW  - charge carrier generation
KW  - Bindungsenergie
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-91963
ER  -