TY  - THES
A1  - Auerhammer, Nina A.
T1  - Energy Transfer and Excitonic Interactions in Conjugated Chromophore Arrangements of Bodipys and Pyrenes and Squaraines
T1  - Energie Transfer und Exzitonische Wechselwirkungen in Konjugierten Chromophor Anordnungen von Bodipys und Pyrenen und Squarainen
N2  - In this work the energy transfer and excitonic coupling in different chromophore arrangements were investigated. A difference in the coupling strength was introduced by varring the connecting unit and the spacial orientation relative to each other.
The synthesis of the 2,7-substituted pyrene compounds could be optimised and good yields of HAB 1 and HAB 2 and small amounts of HAB 2 could be achieved by cobalt-catalysed trimerisation or Diels Alder reaction in the end. Absorption and fluorescence spectra reveal strong intramolecular interactions between the pyrene molecules in the HAB 1. Excitation spectra recorded at the high and low energy fluorescence suggest the contribution of two components to the spectra. One being similar to the ground state aggregate and a second species similar to undisturbed pyrene. All these feature can be accounted to two different fluorescent states which are due to electronical decoupling in the excited state. Due to the strong intramolecular coupling already in the ground state of the molecule, no energy transfer could be studied, as the six pyrene units cannot be seen as separate spectroscopic entities between which energy could be transferred.
In the second part of this thesis dye conjugates of different size and alignment were synthesised to study the interaction of the transition-dipole moments. Therefore a systematic investigation of Sonogashira conditions was performed in order to obtain good yields of the desired compounds and keep dehalogenation at a minimum level. Nevertheless only the symmetrical triads could be purified as the asymmeric triads and pentades proved to decompose during purification.
The pyrene containing triads Py2B and Py2SQB show small interactions already in the ground state represented by red shifts of the spectra and a broadening of the bands. Nevertheless, these interactions are in the weak coupling regime and energy transfer between the constituents is possible. On the contrary in the TA spectra it is obvious that always the whole triad, at least to some extend is excited. To question if the excitation of the high energy state is deactivated by energy transfer or rather IC in a superchromophore could not be distinguished in the course of this work. At present additional time-dependent calculations of the dynamics are in progress to get a deeper understanding of the photophysical processes taking place in the triads.
The dye conjugates B2SQB-3 and (SQB)2B-4 can be assigned to the strong interaction range and hence are describable by exciton theory. The transition-dipole moments proved to be more than additive and increase for both compounds from absorption to fluorescence. This can be explained by an enhancement of the coupling in the relaxed excited state compared to the absorption into the Franck-Condon state due to a more steep potential energy surface in the excited state and hence smaller fluctuations.
In the last part of this thesis the influence of disrupting electronical communication by implementing a rigid non-conjugated bridge in a bichromophoric trans-squaraine system was tested. While the flexible linked squaraines show complex spectra due to different conformers the SQA2Anth compound is rigified and no rotation is possible. This change in flexibility is represented in the steady-state spectra where just one main absorption and fluorescence band is present due to a single allowed excitonic state. The system proves to own an excited state that is completely delocalised over the whole molecule.
N2  - Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Energietransfer und Exzitonenkopplung in Farbstoffen. Durch Variation der Verbrückungseinheit und der räumlichen Orientierung der Chromophore relativ zueinander konnte die Kopplungsstärke beeinflußt werden.
Die Synthese von 2,7-substituierten Pyrenverbindungen konnte optimiert werden und schließlich gelang es mittels kobalt-katalisierten Trimerisierung oder Diels Alder Reaktionen gute Ausbeuten von HAB 1 und HAB 2 sowie geringere Mengen an HAB 3 zu isolieren. Absorption- und Fluoreszenzspektren deuten auf starke Wechselwirkungen unter den Chromophoren hin, die bereits im Grundzustand deutlich werden. Anregungsspektren bei verschiedenen Wellenzahlen zeigen, dass zwei verschiedene Spezies, wovon eine den Aggregaten die im Grundzustand vorhanden sind ähneln, zu den beobachteten spektralen Eigenschaften beitragen und ein weiteres größere Ähnlichkeit mit dem Pyrenmonomer aufweist. Betrachtet man all diese Eigenschaften im Gesamten kann man schlußfolgern, dass zwei fluoreszierende Zustände für die Desaktivierung verantwortlich sind, was sich auf elektronische Entkopplung im angeregten Zustand zurückführen lässt.
Aufgrund der starken elektronischen Kopplung im Grundzustand und die Ausbildung von intramolekularen Aggregaten war es nicht möglich Energietransfer an diesem System zu studieren, da die sechs Pyreneinheiten nicht getrennt betrachtet werden können.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Farbstoffkonjugate verschiedener Größe und Anordnung synthetisiert um die Wechselwirkung der Übergangsdipolmomente zu studieren. Dazu wurde ein systematsiches Reaktionscreening der Sonogashira-Kupplung durchgeführt, um Bedingungen zu finden, unter denen sich Dehalogenierung in Grenzen hält, jedoch gute Ausbeuten der gewünschten Endprodukte erzielt werden können. Trotzdem konnten nur die symmetrischen Trimere erfolgreich isoliert, da sich herausstellte, dass sowohl die unsymmetrischen Trimere als auch die Pentamere zu instabil für eine vollständige Aufreinigung sind.
Die pyren-beinhaltenden Triaden Py2B und Py2SQB zeigen geringfügige Wechselwirkungen im Grundzustand, die sich durch eine Rotverschiebung und Verbreiterung der Absorptionsbanden zeigen. Allerding lässt sich diese Kopplung dem sehr schwachen Wechselwirkungsbereich zuordnen, sodass Energietransfer zwischen den Chromophoren möglich ist. Im Gegensatz dazu zeigt sich im TA Spektrum, dass gleichzeitig mehrere Teile der Triade angeregt sind und dass die Anregung nicht auf ein Chromophor lokalisiert ist. Die Frage, ob die Desaktivierung des angeregten Zustands durch Energietransfer oder interne Konversion in einem Superchromophor stattfindet, konnte im Zuge dieser Arbeit nicht geklärt werden. Aktuell sind zusätzliche Rechnungen (DFT) in Arbeit um ein besseres Verständnis von den ablaufenden, photophysikalischen Prozessen zu bekommen.
Die Farbstoffkonjugate B2SQB-3 und (SQB)2B-4 lassen sich dem Bereich der starken Kopplung zuordnen und können daher mit der Exzitonentheorie beschrieben werden. Die Übergangsdipolmomente zeigen ein Verhalten, dass mehr als additiv ist und nehmen von der Absorption zur Fluoreszenz zu. Das lässt sich durch eine Verstärkung der Kopplung im relaxierten angeregten Zustand in Vergleich zur Absorption in den Franck-Condon Zustand erklären. Der Grund für dieses Phänomen ist eine deutlich schmalere, steilere Energiepotentialfläche im angeregten Zustand.
Im letzten Teil dieser Arbeit wurde die elektronische Kommunikation in einem trans-Squaraindimer durch Einfügen einer nicht-konjugierten Brücke untersucht. Während die flexiblen Dimere komplexe Spektren aufgrund unterschiedlicher Konformere aufweisen, enthält SQA2Anth eine starre Brücke, die Rotationen verhindert. Diese Änderung der Flexibilität zeigt sich in den stationären Spektren durch eine Hauptabsorptions- und Fluoreszenzbande, da nur ein exzitonischer Zustand erlaubt ist. Das System weißt einen angeregten Zustand auf, der über das gesamte Molekül delokalisiert ist.
KW  - Chromophor
KW  - Energieaufnahme
KW  - Exziton
KW  - Pyrenderivate
KW  - Sonogashira-Hagihara-Reaktion
KW  - Bodipy
KW  - Hexaarylbenzene
KW  - Squaraine
KW  - Energy Transfer
KW  - Excitons
KW  - Pyrene
KW  - Sonogashira
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-166721
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  - 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  -