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  - Hammer, Maria
T1  - Charge transport in disordered organic and nanocrystalline inorganic semiconductors - Effect of charge carrier density variation
T1  - Ladungstransport in ungeordneten organischen und nanokristallinen anorganischen Halbleitern - Auswirkung der Ladungsträgerdichtevariation
N2  - The charge transport properties of disordered organic and nanocrystalline inorganic semiconductors as well as their combinations have been investigated in regard to the charge carrier density employing field-effect-transistor structures. The results were discussed in the framework of different theoretical models. In organic semiconductors the presence of positional and energetic disorder determines the transport of charges through the respective thin films and interfaces. The electronic disorder is characterized by statistically distributed and localized transport sites which were shown to form a Gaussian density of states. In this electronic environment the charge transport occurs via thermally activated hopping between the localized states and therefore depends on the temperature and the local electric field. Particularly, a dependence of the carrier mobility on the charge carrier concentration is observed due to filling of tail states. Inorganic nanocrystalline semiconductors, however, are expected to present a different electronic structure: Within the volume of a nanocrystallite the semiconductor is assumed to reflect the electronic properties of the crystalline bulk material. However, the outer shell is characterized by a relatively large density of surface states and correspondingly bending of the energy bands, which creates an energetic barrier between the adjacent particles. In a nanocrystalline thin film this characteristic can be rate-limiting for the inter-particle carrier transport as reflected by reduced charge carrier mobility. The effective barrier height can be reduced by controlled doping of the nanocrystals which results in improved majority carrier transfer rates across the barrier. However, doping results in the simultaneous increase of the defect density and consequently to enhanced limitation of the mobility due to charge carrier scattering. In the experiments, thin films of commercially available p- and n-type organic semiconductors (P3HT, and two derivatives of PCBM) were investigated in field-effect transistor structures. Further, sol-gel synthesized n-type nanocrystalline-ZnO (nc-ZnO) with varied doping concentration (agent: aluminum Al$^{3+}$) was introduced in order to establish an alternative way of customizing the charge transport properties of the neat material and in combination with the organic polymer semiconductor P3HT.
N2  - Der Ladungstransport in ungeordneten organischen und nanokristallinen anorganischen Halb\-leitern sowie in deren Mischsystemen wurde im Hinblick auf die Ladungsträgerdichte in Feldeffekttransistoren untersucht. Die Ergebnisse wurden anhand verschiedener theoretischer Modelle diskutiert. In organischen Halbleitern bestimmt die räumliche und energetische Unordnung den Ladungstransport durch die jeweiligen dünnen Schichten und Grenzflächen. Dabei ist die elektronische Unordnung charakterisiert durch statistisch verteilte und lokalisierte Transportzustände, die eine Gaußsche Zustandsdichte zeigen. In dieser elektronischen Umgebung ist der Ladungstransport durch thermisch aktiviertes Hüpfen zwischen lokalisierten Zuständen gekennzeichnet und hängt demzufolge von der Temperatur und dem lokalen elektrischen Feld ab. Insbesondere wurde eine Abhängigkeit der Mobilität von der Ladungsträgerdichte beobachtet, was eine Folge des Füllens energetisch tief liegender Zustände ist. Anorganische nanokristalline Halbleiter zeigen eine andere elektronische Struktur: Im Volumen des Nanokristalls kann man vereinfacht die elektrischen Eigenschaften des jeweiligen Einkristalls annehmen. Jedoch ist die äußere Hülle durch eine relativ hohe Dichte an Oberflächenzuständen und einer damit einhergehenden Energiebandverbiegung charakterisiert. Daher ergibt sich eine Energiebarriere zwischen den angrenzenden Kristalliten. In nanokristallinen dünnen Schichten kann diese Eigenschaft den Ladungstransport limitieren, was durch eine verringerte Beweglichkeit widergespiegelt wird. Die effektive Barrierenhöhe kann durch kontrollierte Dotierung der Nanokristalle vermindert werden, was die Transferraten über die Barriere erhöht. Jedoch führt Dotierung gleichzeitig zu einer Zunahme der Defektdichte und folglich zu einer weiteren Minderung der Beweglichkeit durch Streuprozesse der Ladungsträger. In den hier gezeigten Experimenten wurden dünne Schichten bestehend aus kommerziell erhältlichen organischen p- und n-Halbleitern (P3HT und zwei Derivate von PCBM) in Feldeffekttransistorstrukturen untersucht. Des weiteren wurde Sol--Gel synthetisiertes n-leitendes nanokristallines ZnO (nc-ZnO) mit variiertem Aluminium Dotierlevel eingeführt, was einen alternativen Weg aufzeigt, die Eigenschaften des Ladungstransports sowohl im reinen Material als auch in dessen Kombination mit dem organischen Polymer P3HT einzustellen.
KW  - Ladungstransport
KW  - Halbleiterschicht
KW  - organische ungeordnete Halbleiter
KW  - anorganische geordnete Halbleiter
KW  - Ambipolarer Ladungstransport
KW  - electronic transport in nanocrystalline materials
KW  - organic-inorganic hybrid nanostructures
KW  - charge carrier transport in organic thin films
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-55188
ER  -