Hannah Bürckstümmer

• The technology of organic photovoltaics offers the possibility of low-cost devices due to easy fabrication procedures and low material consumption and at the same time high flexibility concerning the applied substrates or design features such as the color palette. Owing to these benefits, this research field is highly active, being reflected by the continuously rising number of publications. Chapter 1 gives an extensive overview of a part of these reports, namely the field of solution-processed BHJ organic solar cells using small molecules asThe technology of organic photovoltaics offers the possibility of low-cost devices due to easy fabrication procedures and low material consumption and at the same time high flexibility concerning the applied substrates or design features such as the color palette. Owing to these benefits, this research field is highly active, being reflected by the continuously rising number of publications. Chapter 1 gives an extensive overview of a part of these reports, namely the field of solution-processed BHJ organic solar cells using small molecules as electron-donating materials. In the early years of this research area (2006-2008), well known hole transporting materials such as triphenylamine based chromophores, oligothiophenes and polyaromatic hydrocarbons were applied. However, many of these dyes lacked absorption at longer wavelengths and were therefore limited in their light harvesting qualities. Later, chromophores based on low band gap systems consisting of electron-donating and electron-accepting units showing internal charge transfer overcame this handicap. Today, donor-substituted diketopyrrolopyrroles (D-A-D chromophores), squaraines (D-A-D chromophores) and acceptor substituted oligothiophenes (A-D-A chromophores) are among the most promising dyes for small molecule based organic solar cells with PCEs of 4-5%. This work is based on the findings of the groups of Würthner and Meerholz, which tested merocyanine dyes for the first time in organic BHJ solar cells.4 According to the Bässler theory85, the high dipolarity of these dyes should hamper the charge transport, but the obtained first results with PCE of 1.7% proved the potenital of this class of dyes for this application. Merocyanine dyes offer the advantages of facile synthesis and purification, high tinctorial strength and monodispersity. Additionally, the electronic structure of the dyes, namely the absorption as well as the electrochemical properties, can be adjusted by using the right combination of donor and acceptor units. For these reasons, this class of dye is highly interesting for the application in organic solar cells. It was the aim of the thesis to build more knowledge about the potential and limitations of merocyanines in BHJ photovoltaic devices. By screening a variety of donor and acceptor groups a comprehensive data set both for the molecular materials as well as for the respective solar devices was generated and analyzed. As one focus, the arrangement of the chromophores in the solid state was investigated to gain insight about the packing in the solar cells and its relevance for the performance of the latter. To do so, X-ray single crystal analyses were performed for selected molecules. By means of correlations between molecular properties and the characteristics of the corresponding solar cells, several design rules to generate efficient chromophores for organic photovoltaics were developed. The different donor and acceptor moieties applied in this work are depicted in the following ...…
• Die Technologie der organischen Photovoltaik eröffnet die Chance, kostengünstige Solarzellen herzustellen, da einfache Produktionstechniken genutzt werden können und nur geringe Materialmengen benötigt werden. Gleichzeitig bietet sie hohe Flexibilität bezüglich des Designs, sowohl was die eingesetzten Substrate als auch die gewünschte Farbpalette betrifft. Aufgrund dieser Vorteile ist der Forschungsbereich der organischen Solarzellen hochaktuell, was sich auch in der stetig wachsenden Zahl an Publikationen widerspiegelt. Kapitel 1 bietet einenDie Technologie der organischen Photovoltaik eröffnet die Chance, kostengünstige Solarzellen herzustellen, da einfache Produktionstechniken genutzt werden können und nur geringe Materialmengen benötigt werden. Gleichzeitig bietet sie hohe Flexibilität bezüglich des Designs, sowohl was die eingesetzten Substrate als auch die gewünschte Farbpalette betrifft. Aufgrund dieser Vorteile ist der Forschungsbereich der organischen Solarzellen hochaktuell, was sich auch in der stetig wachsenden Zahl an Publikationen widerspiegelt. Kapitel 1 bietet einen umfassenden Literaturüberblick über den Bereich der lösungs-prozessierten organischen BHJ Solarzellen basierend auf niedermolekularen Materialien. In den frühen Jahren dieses Forschungsbereiches (2006-2008) wurden hauptsächlich altbekannte organische Lochleitermaterialien wie triphenylaminbasierte Moleküle, Oligothiophene oder polyaromatische Hydrocarbonverbindungen eingesetzt. Viele dieser Verbindungen zeigten jedoch Defizite betreffend der Absorption, da sie nur bei relativ kurzen Wellenlängen absorbierten und dadurch nur einen Bruchteil des eingestrahlten Sonnenlichts nutzen konnten. Später wurde dieser Nachteil durch sogenannte „low band gap“ Systeme, welche elektronengebenden und elektronenziehenden Einheiten aufweisen, oder durch Kombinationen der klassischen elektronenreichen Lochleiter mit Akzeptoreinheiten überwunden. Zu den vielversprechendsten Verbindungsklassen für die Anwendung in lösungsprozessierten niedermolekularen organischen Solarzellen gehören heute Donor-substituierte Diketopyrrolopyrrole (D-A-D Chromophor), Quadratsäurederivate (D-A-D Chromophor) und Akzeptor-substituierte Oligothiophene (A-D-A Chromophor), deren beste Vertreter Wirkungsgrade von 4-5% erzielen. Die vorliegende Arbeit basiert auf den Erkenntnissen der Arbeitsgruppen Würthner und Meerholz, die als erste Merocyaninfarbstoffe in organischen BHJ Solarzellen untersuchten.4 Gemäß der Bässler-Theorie85 sollte das hohe Grundzustandsdipolmoment dieser Verbindungen den Ladungsträgertransport erheblich behindern. Die erhaltenen, vielversprechenden Wirkungsgrade von 1.7% beim ersten Materialscreenin zeigen jedoch die Eignung dieser Fabstoffklasse für organische Solarzellen. Merocyanine bieten einige Vorteile: sie lassen sich einfach herstellen und aufreinigen, zeigen hohe Farbstärken und sind monodisperse Verbindungen. Zudem lässt sich der elektronische Charakter der Chromophore, also die Absorptions- und elektrochemischen Eigenschaften nahezu beliebig verändern, indem man die passende Donor-Akzeptor Kombination wählt. Deshalb ist diese Farbstoffklasse für die Applikation der organischen Solarzellen hochinteressant. Ziel dieser Doktorarbeit war es, ein tieferes Verständnis über das Potential und mögliche Beschränkungen von Merocyaninen in organische Solarzellen zu erlangen. Durch Untersuchung einer Reihe von Donor- und Akzeptoreinheiten wurde ein umfassender Datensatz generiert und analysiert, welcher sowohl die molekularen Materialien als auch die entsprechenden Solarzellen beinhaltet. Die Anordnung der Chromophore im Festkörper wurde bei ausgewählten Farbstoffen mittels Einkristall-Röntgenstrukturanalyse untersucht, um Erkenntnisse über das Packungsverhalten der Moleküle in den Solarzellen und dessen Relevanz für die Leistungsfähigkeit der Zellen zu gewinnen. Anhand von Korrelationen zwischen den molekularen Eigenschaften und den Kennzahlen der entsprechenden Solarzellen wurden mehrere Richtlinien zur Entwicklung von effizienten Chromophoren für organische Solarzellen abgeleitet. Die in dieser Arbeit eingesetzten Akzeptor- und Donoreinheiten sind im Folgenden abgebildet ...…