1,721,010 research outputs found
Langzeit Stabilisation der Organischen Solarzellen mittels Additiven
No full textOrganische Solarzellen (OPV) bestechen durch hohes wirtschaftliches
Potenzial. Große Anstrengungen wurden bereits in Hinblick auf die Effizienz
unternommen. Aktuelle Spitzenwirkungsgrade liegen bei 12%, vergleichbar mit
anorganischen Dünnschichtsolarzellen. Allerdings bleibt die Stabilität eine
Schwachstelle auf dem Weg zur Marktreife. Aufgrund ihrer organischen Natur,
ist OPV sehr empfindlich gegenüber Licht, Wärme, Sauerstoff und
Feuchtigkeit, wobei alle unter Standard-Arbeitsbedingungen gleichzeitig
vorliegen. In meiner Arbeit untersuche ich die Stabilisierung gegen
photooxidative Degradation, unter Verwendung zusätzlicher stabilisierender
Verbindungen, welche direkt in die Aktivschicht eingebracht werden. Hierzu
wurde eine Vielzahl an Verbindungen mit unterschiedlichen
Stabilisierungsmechanismen im Modell-System
Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl):Phenyl-C61-Buttersäure Methylester
(P3HT:[60]PCBM) getestet. Die hergestellten Solarzellen wurden unter
Beleuchtung, bei mäßiger Temperatur und in Gegenwart von Luft gealtert und
ihre Langzeitstabilität evaluiert. Eine enorme Zunahme der akkumulierten
Leistungserzeugung um einen Faktor größer 3, unter Verwendung von
Wasserstoffdonatoren und UV-Absorbern, konnte mittels spektroskopischer und
mikroskopischer Untersuchungen auf eine verringerte Bildung freier Radikale
zurückgeführt werden. Meine Arbeit unterstreicht das Potenzial von
Additiven zur Stabilisierung von OPV. Es muss allerdings beachtet werden,
dass das Additiv die Schichtmorphologie und photophysikalischen Prozesse
innerhalb der photoaktiven Schicht nicht negativ beeinflussen. Anhand des
Modellsystems P3HT:[60]PCBM, konnte gezeigt werden, dass die photoaktive
Schichten bestehend aus einer ternären Mischung von Polymer, Fulleren und
Stabilisator angewendet werden können, um die Lebensdauer von OPV
wesentlich zu verlängern. Dieser Ansatz kann prinzipiell auf andere OPV
Systeme übertragen werden, sofern das Additiv die geschilderten
Anforderungen erfüllt. Durch Zugabe kleinster Mengen kostengünstiger
Stabilisatoren kann, unabhängig von der intrinsischen photochemischen
Stabilität der eingesetzten Materialien, eine signifikante Verbesserung der
Lebensdauer und somit gesteigertem Wert des Gesamtsystems organische
Solarzelle erreicht werden. Daher haben diese Erkenntnisse eine große
Bedeutung für die Vermarktung von OPV.Organic solar cells (OSC) have a high commercial potential, although
certain issues still have to be resolved. Big efforts have already been
invested into perfecting the constituent materials with regard to
efficiency, and the current peak efficiency lies at 12 %, as reported by
Heliatek on vacuum deposited oligomer tandem solar cells. However, the
stability of devices remains their weak point. Due to their organic nature,
OSC are extremely sensitive to light, heat, oxygen and humidity, all of
which are commonly present in standard working conditions. In my thesis I
examine photooxidative stabilization by introducing stabilizing compounds
into the active layer. A variety of compounds with different stabilizing
mechanisms, including radical scavengers, hydrogen donors, UV absorbers and
hydroperoxide decomposers, were tested in the model active layer system
consisting of poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl):phenyl-C61-butyric acid
methyl ester (P3HT:[60]PCBM). Such devices were aged in lifetime setup at 1
Sun illumination at moderate temperature in air. A tremendous increase in
accumulated power generation, by over a factor of 3, was achieved with
stabilizers of hydrogen donor and UV absorber classes, which was
attributed, via spectroscopic and microscopic studies, to a reduction in
formation of free radicals. These results underscore the potential of
compounds known to successfully stabilize insulating plastic for
stabilization of OSC. However, unlike in the case of insulating plastics,
additional care has to be given that the energy levels of the additive are
not overlapping with the effective band gap of the photoactive layer and
that the resulting blend morphology does not disrupt the photoinduced
charge transfer. Using P3HT:[60]PCBM as the model system, the proof of
principle could be demonstrated that ternary blending OSC photoactive
layers of with antioxidants and UV absorbers can be applied to
substantially prolong the lifetime of devices. This approach could easily
be extended to other polymer:fullerene systems, under the condition that
its presence does not influence the morphology. These findings hold a great
importance for the commercialization of OSC, as they offer a route to
achieving highly reliable devices by adding small portions of cheap
stabilizer compounds, regardless of the intrinsic photochemical stability
of the polymer and the fulleren
Modulationsspektroskopie an GaN und AlGaN/GaN-Heterostrukturen
Get PDFThis work presents the optical characterisation of GaN and GaN/AlGaN/GaN HEMT
structures with Ga-polarity. Photoreflectance (PR), electroreflectance (ER),
photoluminescence (PL), and spectroscopic ellipsometry (SE) measurements have
been carried out for determination of the main properties. A GaN sample grown by
HVPE was used as unstrained reference and was investigated with PL and PR for
the determination of the transition energies of the excitons. The PR and PL
yielded transition energies of the free A and B-excitons of the GaN samples.
Measurements from T=5K to the ambient temperature were accomplished to specify
the strain in GaN. SE at GaN and AlGaN-samples was used to obtain the layer
thicknesses. A first unknown structure at 3,72eV was observed at GaN/AlGaN/GaN
heterostructures. The following temperature-dependent photocurrent- and ER-
measurements clarified the origin of the signal. In consequence of these
experiments a thin AlGaN layer with about 15% Al was grown at the surface
instead of pure GaN. - PL measurements in the temperature range from 5K to 295K
were accomplished to determine the three free-excitons (A, B and C) in GaN. The
Comparison of these temperature-dependent transition energies to the unstrained
HVPE sample allows the determination of the strain condition at each
temperature. From ER measurements at the HEMT structures the FKOs were analysed
to achieve the internal electrical field of the barrier. - Thus the two-
dimensional electron gas (2DEG) density was determined in dependence on the DC
voltage. Measurements of the spectra at 5K, 80K and 295K prove the independence
of the threshold field of the 2DEG at these temperatures. The polarisation
gradients at the AlGaN/GaN interface were examined by means of the threshold
field from ER measurements. Optical results in comparison to XRD measurements
indicate a small deviation in the polarisation gradient. The reason for this
disagreement is probably caused by an incorrect used bowing parameter taken from
literature.In der vorliegenden Arbeit wurden die optischen Eigenschaften von GaN- und GaN/AlGaN/GaN-HEMT-Strukturen mit Ga-Polarität untersucht. Einen Schwerpunkt bildete die Charakterisierung der Proben durch Photoreflexion (PR), Photolumineszenz (PL) und Elektroreflexion (ER) und spektrale Ellipsometrie (SE). Als Referenz diente eine unverspannte GaN-Probe, die mit PL und PR zur Bestimmung der Exzitonenübergangsenergien untersucht wurde. Die Methode der Photoreflexion und Photolumineszenz wurden benutzt, um die Übergangsenergien der freien A- und B-Exzitonen der GaN-Proben zu ermitteln. Messungen von T=5K bis zur Raumtemperatur wurden durchgeführt, um eine Aussage zur Verspannung der GaN-Proben zu treffen. - Mittels Ellipsometriemessungen an den GaN-Proben und den Heterostrukturen wurden die Schichtdicken der einzelnen Proben bestimmt. Dabei wurde eine zunächst unbekannte Struktur an GaN/AlGaN/GaN-Proben bei ca. 3,72eV festgestellt. Anschließende temperaturabhängige Photostrom- und ER-Messungen dienten zur Klärung der Ursache des Signals. Als Konsequenz aus diesen Experimenten ergibt sich, dass beim Wachstum der abschließenden Deckschicht kein reines GaN entsteht, sondern eine dünne AlGaN-Schicht mit einem Al-Gehalt im Bereich von 15\%. - An den AlGaN/GaN-Strukturen wurden PL-Experimente im Temperaturbereich von 5K bis 295K durchgeführt um ebenfalls die drei charakteristischen Exzitonen vom GaN zu bestimmen. Mittels eines Vergleichs der Ergebnisse aus den PL- und PR-Experimenten im Bereich des GaN mit der HVPE-Probe konnten quantitative Aussagen über den Verspannungszustand der Proben abhängig von der Temperatur gemacht werden. - Aus den ER-Daten an den HEMT-Strukturen wurden die Franz-Keldysh-Oszillationen (FKO) zur genauen Bestimmung der internen elektrischen Felder in der Barriere analysiert. Daraus erhält man die 2DEG-Dichten in Abhängigkeit von der äußeren Gleichspannung. Messungen der ER-Spektren bei 5K, 80K und 295K beweisen die Unabhängigkeit der Verarmungsfeldstärke des 2DEG von der Temperatur. Die temperaturunabhängigen Polarisationsgradienten an der AlGaN/GaN-Grenzfläche wurden aus dem Experiment mit Hilfe der Feldstärke im Bereich der Verarmung des Elektronengases bestimmt. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit experimentellen Werten aus Röntgenmessungen, die den Al-Gehalt und die Gitterkonstanten der Proben liefern, zeigt leichte Abweichungen. Die Ursache dieser fehlenden Übereinstimmung liegt möglicherweise in einem falsch verwendeten Bowing-Parameter aus der Literatur.Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 200
Elektrische und strukturelle Eigenschaften von supraleitenden Schichten in Gallium- implantiertem Silizium und Germanium
Get PDFIn this work, a pioneering attempt to analyze the influence of
superconducting gallium-rich precipitates on the electrical transport
properties of heavily-doped silicon and germanium layers is presented. An
innovative path for the fabrication of superconducting layers in commercial
silicon and germanium wafers by ion implantation and short term annealing
is demonstrated. Ion implantation via a thin dielectric cover layer was
used to introduce a gallium concentration far above the equilibrium solid
solubility limit into the silicon and germanium layers. To initiate the
redistribution of the implanted gallium, rapid thermal annealing was
subsequently employed. The redistribution of the gallium was investigated
and the formation of 10 nm thin gallium-rich layers at the cover
layer/semiconducting interface was observed. A new model describing the
redistribution mechanism was proposed. It has been observed, that for
gallium concentrations at the interface exceeding a critical value of 15
at.%, the layers could become superconducting at temperatures below 6 – 7
K. This critical temperature is comparable to formerly studied thin
amorphous gallium films. Therefore, for the first time it is demonstrated,
that gallium-rich precipitates lead a critical temperature comparable to
that of amorphous gallium. With increasing annealing time superconductor
insulator transition was observed. Such transitions are often studied as
function of layer thickness. Following the data available in the
literature, this phase transition is connected to the normal state sheet
resistance. As gallium-rich precipitates are hard to detect in germanium
due to the small differences in mass and electronic structure, the
structural investigations focus on the silicon layers. Most results of this
model system can be transferred to the properties of gallium in germanium.
This comparison shows that only the critical temperature of the
gallium-rich layers does not depend on the substrate material. Up to now,
superconductivity in gallium-doped germanium was only observed at
temperatures below 1 K. Based on the results presented in this thesis it
can be concluded, that the critical temperature of the superconducting
state in gallium-doped germanium is a suitable parameter to distinguish
between a doping related superconducting state and superconductivity
because of gallium clusters.Zielstellung der Dissertation ist die detaillierte Analyse der Auswirkungen
von supraleitenden Galliumausscheidungen auf das elektrische
Transportverhalten hochdotierter Silizium- und Germaniumschichten. Dafür
wird ein neues Verfahren zur Herstellung von supraleitenden Schichten in
kommerziellen Silizium- und Germanium-Wafern mit Hilfe von
Ionenimplantation und Kurzzeitausheilung entwickelt. Mittels
Ionenimplantation durch eine dünne dielektrische Deckschicht wurden
Galliumkonzentrationen weit über der Gleichgewichtslöslichkeit in die
Silizium- und Germaniumsubstrate eingebracht. Kurzzeitausheilverfahren
wurden verwendet, um die die Umverteilung des Galliums anzuregen. Die
resultierende Galliumverteilung wurde analysiert und es konnte ein Modell
entwickelt werden, welches die Ursache für die Ausbildung einer 10 nm
dünnen Gallium-reichen Schichten an der Deckschicht/Halbleiter-Grenzfläche
beschreibt. Übersteigt die Galliumkonzentration an der Grenzfläche den
kritischen Wert von 15 at.%, können die Schichten bei Temperaturen
unterhalb von 6 – 7 K supraleitend werden und zeigen damit eine ähnlich
kritische Temperatur wie bereits untersuchte dünne amorphe Galliumfilme. Es
wird somit erstmalig gezeigt, dass Gallium-reiche Ausscheidungen eine mit
reinem Gallium vergleichbare kritische Temperatur haben. Der bisher häufig
als Funktion der Schichtdicke erforschte Supraleiter-Isolator-Übergang
konnte in den Schichten durch die Variation der Ausheilzeit hervorgerufen
werden. Der normalleitende Schichtwiderstand ist als entscheidender
Parameter für den Phasenübergang anzusehen. Da sich Gallium-reiche
Ausscheidungen in Germanium wegen der geringen Differenz in Masse und
Elektronenstruktur nur schwer nachweisen lassen, erfolgten die
Strukturuntersuchungen hauptsächlich an Siliziumschichten. Die Ergebnisse
dieses Modellsystems lassen sich zum großen Teil auf das Verhalten von
Gallium in Germanium übertragen. Dieser Vergleich zeigt, dass außer der
kritischen Temperatur alle elektrischen Eigenschaften der Gallium-reichen
Schichten vom Substratmaterial abhängen. Supraleitung in Gallium-dotiertem
Germanium wurde bisher nur bei Temperaturen unterhalb von 1 K beobachtet.
Deshalb ist die kritische Temperatur ein geeigneter Parameter, um durch
Dotierung hervorgerufene Supraleitung in Germanium von supraleitenden
Ausscheidungen zu unterscheiden
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Get PDFThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Composite conjugated polymer/fullerene films: structure-property relation
Get PDFPlastiksolarzellen stellen aufgrund ihrer niedrigen Produktionskosten,
Flexibilität und niedrigem Gewicht eine vielversprechende Alternative zu
herkömmlichen, auf anorganischen Materialien basierenden Solarzellen, z. B.
Silizium, dar. Momentan wird die Vermarktung durch die relativ geringe Effizienz
im Vergleich zu den sehr häufig eingesetzten Siliziumsolarzellen behindert. Um
das Funktionsprinzip der Plastiksolarzellen zu verstehen und die Effizienz zu
steigern, müssen Informationen über die Struktur der Absorberschicht gewonnen
werden. Speziell der Zusammenhang zwischen dem strukturellen Aufbau der
Absorberschicht und deren optischen und elektrischen Eigenschaften ist von
herausragender Bedeutung.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Zusammenhang zwischen den strukturellen und
optischen Eigenschaften sowie dem Ladungsträgertransport von konjugierten
Polymer/Fulleren-Kompositschichten zu untersuchen, die als Absorberschichten in
Plastiksolarzellen verwendet werden. Wir haben damit begonnen, mittels Röntgen-
Diffraktometrie und Spektralellipsometrie reine Polythiophen-Schichten zu
untersuchen. Die Ergebnisse beider Methoden zeigen, dass sich auf der Oberfläche
des Substrates zunächst eine hoch geordnete Polythiophen-Grenzschicht ausbildet.
Danach findet man für das Polythiophen über der geordneten Grenzschicht eine
stetige Zunahme der Unordnung mit steigendem Abstand zum Substrat. Des Weiteren
wurden die für das Schichtwachstum wichtigen Parameter ermittelt und der
Zusammenhang zwischen der anisotropen Ladungsträgerbeweglichkeit und der
Schichtstruktur demonstriert. In einem nächsten Schritt wurden
Polythiophen/Fulleren-Kompositschichten untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass
das Tempern der Kompositschichten zur Ausbildung der Polythiophenkristalliten
führt. Ursache hierfür ist die verstärkte thermische Diffusion von
Fullerenmolekülen während des Temperprozesses. Die Ausbildung von
Polythiophenkristalliten hat zur Folge, dass die Absorption im sichtbaren
Spektralbereich verstärkt wird. Die festgestellte Erhöhung des Wirkungsgrades
von getemperten Polythiophen/Fulleren-Solarzellen nach dem Tempern wird durch
die verbesserte Absorption und die gestiegene Ladungsträgerbeweglichkeit
erklärt.Conjugated polymer/fullerene based plastic solar cells represent an exciting alternative to inorganic ones because of their low production costs, flexibility and low weight. At present, commercialisation of plastic solar cells is limited due to
their relatively low efficiency in comparison to silicon ones. In order to understand the operation of plastic solar cells and to increase their efficiency, more information about structure of absorber layer is needed. Especially the connection between structure and properties of the absorber layer is of great importance.
The aim of this work was to study the correlation between structural, optical and transport properties of conjugated polymer/fullerene films, which are used as absorber layer in plastic solar cells. We start by investigation of pristine polythiophene films. From X-ray diffraction and spectroscopic ellipsometry studies
it follows, that the polythiophene films consist of a highly ordered interface layer. After this interface layer the order of the polymer drops off with increasing distance from the substrate. The decisive for growth of the film parameters were established. A correlation between the anisotropic charge carrier mobilities and the film structure was shown. After this, the polythiophene/fullerene films were investigated. We found, that annealing of such films supports the formation of polythiophene crystallites due to enhanced diffusion of fullerene at elevated temperatures. The crystallisation of polythiophene leads to an increased optical absorption in visible region due to stronger interchain interaction between
polythiophene molecules. The observed increase of the efficiency of the polythiophene/fullerene solar cells after annealing was explained by improved optical absorption together with improved hole mobility
Einfluss der Elektroden auf die Stabilität von Polymersolarzellen
Get PDFOrganic photovoltaics is about to become a competitor fort he
established inorganic thin film photovoltaic technologies. It inhibits
several important advantages: flexibility, light weight, and potential
semi-transparency and production speed. Even the photovoltaic power
conversion efficiency is reaching comparable values. At the moment the
devices’ lifetime is the limiting factor for commercialization. For the
degradation mechanisms of the devices, analogies can be seen for the
between organic photovoltaics and organic light emitting diodes. For both
cases, the current collecting electrodes were identified as the major
reason for degradation.The experimental approach of this thesis to
elucidate the different degradation pathways in organic photovoltaic
devices is to use several imaging methods together with standard current
voltage characteristics. In combination with the knowledge about the layer
structure of the device under test, not only lateral information but also
in depth information can be derived to some extent. Distinct conclusions
about device degradation can be derived by applying all these methods with
timely resolution. The advantages of imaging methods about direct methods
for material analysis are reduced costs, low time consumption and that they
are non-destructive.The main results of this thesis include new insights to
the process of oxidation of different electrode materials, the stabilizing
influence of a titanium oxide interlayer, the influence of substrates and
encapsulations on the degradation of organic solar cells and last but not
least to the intrinsic degradation. A polymer solar cell in conventional
architecture with several years of lifetime could be demonstrated.Die organische Photovoltaik ist im Begriff zu einer
marktwirtschaftlichen Konkurrenz zur etablierten anorganischen
Dünnschichtphotovoltaik zu werden. Die Vorteile liegen auf der Hand: das
Zusammenspiel aus Flexibilität, geringem Gewicht, potentieller
Semitransparenz und sehr hoher Produktionsgeschwindigkeit kann in seiner
Gesamtheit im Moment keine andere Technologie vorweisen. Auch die geringe
Energieeffizienz, welche lange Zeit der größte Schwachpunkt der
organischen Photovoltaik war, ist im Begriff an die etablierte anorganische
Dünnschichtphotovoltaik heran zu reichen. Im Moment ist die Lebensdauer
der Bauelemente der limitierende Faktor. Bei den Ursachen der limitierten
Bauelementlebensdauer sind Parallelen zu den organischen Leuchtdioden zu
erkennen. In beiden Fällen wurden die instabilen Elektroden als der
Hauptgrund der Degradation identifiziert.Der experimentelle Ansatz dieser
Arbeit zur eingehenden Untersuchung von Degradationsmechanismen von
organischen Solarzellen ist der Einsatz von verschiedenen bildgebenden
Methoden in Kombination und mit zeitlicher Auflösung, welcher in dieser
Arbeit so das erste mal demonstriert wurde. Im Zusammenspiel mit den
dazugehörigen I-V-Kennlinien und dem Wissen über den Zellaufbau kann so
nicht nur eine laterale Informationen über die Probe generiert werden,
sondern auch eine gewisse Tiefeninformation. Zusammen mit den zeitlich
aufgelösten Informationen sind so Aussagen über materialbezogene
Degradationsprozesse innerhalb der Solarzellstruktur möglich. Die Vorteile
dieser bildgebenden Methoden gegenüber direkten Methoden zur
Materialuntersuchung sind die im Vergleich geringen Kosten, der geringe
Zeitaufwand und die Zerstörungsfreiheit.Die Alterung von organischen
Solarzellen wurde in dieser Arbeit durch künstliche Beleuchtung simuliert
und durch Bestimmung ihrer I-V-Kennlinien in-situ ihre Lebensdauer
bestimmt.Als Ergebnis konnten durch die oben genannten Methoden neue
Erkenntnisse über die Oxidation von Elektroden verschiedenen Materials,
den stabilisierenden Einfluss von Titanoxidzwischenschichten auf die
Grenzfläche Aktivschicht – Kathode, die Wirkung von Substraten und
Versiegelungen auf die Degradation von Polymersolarzellen, aber auch den
Anteil der intrinsischen Degradation gewonnen werden. Eine normale
Solarzellarchitektur mit potentiell mehreren Jahren Lebensdauer unter
realen Bedingungen wurde vorgestellt
Variations on the Author
Get PDF“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Get PDFWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Excited State Properties in Dicyanovinyl-Oligothiophene Donor Materials for Small Molecule Organic Solar Cells
Get PDFKey issues in improving small molecule organic solar cells (SMOSC) are the need for new absorber materials and optimized active layer morphology. This thesis deals with the improvement of SMOSC on the donor material side. Promising donor materials (D) are provided by dicyanovinyl endcapped oligothiophenes DCV2-nT (n = 3, . . . , 6) synthesized in the group of Prof. Bäuerle at the University of Ulm. Here, DCV2-nT (n = 3, 5) with different alkyl side chains are characterized. Side chain variations mainly influence the aggregation of molecules in pristine films as well as in blend films with the commonly used acceptor (A) fullerene C60. With changes in the layer morphology, important physical properties in thin film like absorption spectra, energy levels, as well as excited state properties are changed. The focus of this work are excited state properties accessed by photoinduced absorption spectroscopy (PIA). PIA probes the long living excited states in pristine and blend films, i. e. triplet excitons, anions, and cations.
For a series of four dicyanovinyl-terthiophenes DCV2-3T (without side chains, with two methyl, two butyl, and four butyl side chains) a systematic study of the effect of alkyl side chains on the aggregation in neat and blend film is discussed. In consequence the efficiency of the energy transfer mechanism between DCV2-3T and C60 is affected. It turns out that in solution spectra and cyclic voltammetry (CV) measurements, the variation of alkyl side chains has almost no influence. However, in thin film there is strong impact on the molecular arrangement confirmed by strongly varying absorption spectra, ionization potentials, and surface roughnesses. Furthermore, PIA measurements reveal that the energy transfer efficiency between D and A in general decreases with increasing side chain length, but is most efficient for a compound with methyl side chains.
For blends of dicyanovinyl-quinquethiophenes (DCV2-5T) with C60, the layer morphology is influenced by two different methods. On one hand substrate heating is applied while deposition of the active layer, on the other hand DCV2-5Ts with different alkyl side chains (four methyl and four butyl side chains) are used. Deposition on a heated substrate (80°C) results in an improved solar cell performance, assigned to the formation of a sufficient phase separation of D and A phase in the active layer. This leads to reduced recombination losses and closed percolation paths. The morphological change can be correlated to an increased lifetime of cations. In blends deposited on a heated substrate, the donor cation lifetime increases by almost one order of magnitude from around 10 μs to ≈ 80 μs. This increase of carrier lifetime is both detected optically by PIA as well as electrically by impedance spectroscopy. The increase in lifetime is consequently assigned to a better spatial separation of positive and negative charges induced by the phase separation.
Comparing DCV2-5T with methyl and butyl side chains results in a similar effect: The dicyanovinyl-quinquethiophene with methyl side chains leads to an improved solar cell device performance compared to devices comprising the compound with butyl side chains as donor. The improved device performance is again accompanied by an increase in cation lifetime detected by PIA.:Contents
Publications
1. Introduction
2. Organic semiconductors
2.1. Introduction
2.2. Optical excitations in organic semiconductors
2.2.1. Energy levels: single molecules to molecular solids
2.2.2. Absorption and emission spectra
2.3. Transport in organic semiconductors
2.3.1. Exciton motion
2.3.2. Charge transport
2.3.3. Amorphous organic semiconductors
3. Organic photovoltaics
3.1. Introduction
3.2. Solarenergyconversion
3.2.1. Quasi Fermi levels
3.2.2. p-n junction
3.3. Organic solar cells
3.3.1. Charge generation mechanisms
4. Experimental methods
4.1. Sample preparation
4.2. Photoinduced absorption spectroscopy
4.2.1. PIA setup
4.2.2. Recombination dynamics
4.3. Solar cell characterization
4.3.1. External quantum efficiency
4.3.2. J-V characteristics
4.4. Absorption and emission spectroscopy
4.5. Determination of energy levels
4.5.1. Ultraviolet photo electron emission spectroscopy
4.5.2. Cyclic voltammetry
4.6. Atomic force microscopy
4.7. Density functional theory calculations
4.8. Impedance spectroscopy
5. Dicyanovinyl-oligothiophenes
5.1. Introduction
5.2. The DCV2-nT:C60 interface
5.3. Processability
6. Side chain variations on DCV2-3T
6.1. Introduction
6.2. Density functional theory calculations
6.2.1. Excited state transitions
6.3. Absorption and Emission in solution and thin film
6.3.1. Blend layer absorption spectra
6.3.2. Photoluminescence spectra of neat and blend films
6.4. Energy levels of the DCV2-3T series
6.5. Atomic force microscopy
6.6. Photoinduced absorption spectroscopy
6.6.1. PIA signatures of charged states
6.6.2. Recombination dynamics
6.6.3. Efficiency of the ping pong effect
6.7. Conclusion
7. Influencing the morphology of DCV2-5T:C60 blend layers
7.1. Introduction
7.2. Properties of the DCV2-5T:C60 interface
7.2.1. Analysis of the DCV2-5T triplet transition
7.2.2. Analysis of the DCV2-5T cation transitions
7.2.3. Suggested energy level scheme for neat and blend layer
7.3. Temperature evolution of excited state properties
7.4. Effect of substrate heating on excited state lifetime and generation rate
7.4.1. Solar cell devices
7.4.2. Photoinduced absorption
7.4.3. Impedance spectroscopy
7.5. Conclusion
8. Side chain variations on DCV2-5T
8.1. Introduction
8.2. Atomic force microscopy
8.3. Energy levels
8.4. Mip solar cells
8.4.1. Flat heterojunctions
8.4.2. Bulk heterojunctions
8.4.3. Discussion of Voc
8.5. Photoinduced absorption
8.5.1. Comparison at room temperature
8.6. Conclusion
9. Conclusion and Outlook
9.1. Conclusion
9.2. Outlook
A. Appendix
BibliographyDie Entwicklung neuer Absorber-Materialien sowie die Morphologie der photo- aktiven Schicht sind zentrale Themen hinsichtlich der Optimierung organischer Solarzellen aus kleinen Molekülen. In der vorliegenden Arbeit werden diese beiden Aspekte von Seiten des Donor-Materials (D) her behandelt. Die Material- klasse der Dicyanovinyl-Oligothiophene DCV2-nT(n=3,...,6) (synthetisiert in der Arbeitsgruppe von Prof. Bäuerle an der Universität Ulm) dient dabei als Ausgangspunkt. Insbesondere werden DCV2-nT-Moleküle (n = 3, 5) mit verschiedenen Alkyl-Seitenketten charakterisiert. Die Variation der Seitenketten beeinflusst in erster Linie die Anordnung der Moleküle in Einzel- sowie in Mischschichten mit dem typischerweise verwendeten Akzeptor-Material Fulleren C60 (A). Als Folge der Schichtmorphologie ändern sich physikalische Eigenschaften wie u. a. Absorptions- spektren, Energieniveaus sowie die Eigenschaften angeregter Zustände. Angeregte Zustände, wie Triplett-Exzitonen, Anionen und Kationen werden in dieser Arbeit mittels photoinduzierter Absorptionsspektroskopie (PIA) charakterisiert.
Anhand einer Serie von vier Dicyanovinyl-Tertiophenen DCV2-3T (ohne Seiten- ketten, mit zwei Methyl-, zwei Butyl-, und vier Butyl-Seitenketten) werden systematisch Einflüsse der Seitenketten auf die Aggregation der Moleküle in Einzel- und Mischschichten untersucht. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Effekt der Seitenketten auf den Energie-Transfer-Mechanismus zwischen D und A. In Lösungsmittelspektren und Cyclovoltammetrie-Messungen ist fast keine Änderung durch die Seitenketten erkennbar. Im Dünnfilm hingegen besteht ein starker Einfluss auf die molekulare Anordnung, erkennbar in einer starken Variation der Absorptionsspektren, Ionisationspotentiale und Oberflächen-Topographie. PIA- Messungen zeigen weiterhin, dass im Allgemeinen die Effizienz des Energie-Transfer- Mechanismus mit zunehmender Länge der Alkyl-Ketten abnimmt. Der effizienteste Transfer besteht jedoch für die Verbindung mit Methyl-Seitenketten.
In Mischschichten aus Dicyanovinyl-Quinquethiophenen (DCV2-5T) und C60 werden hier zwei Methoden zur Beeinflussung der Schichtmorphologie verfolgt. Zum einen wird die aktive Schicht auf einem geheizten Substrat abgeschieden, zum anderen werden DCV2-5T-Moleküle mit Methyl- und Butyl-Seitenketten als Donor verwendet. Das Abscheiden der aktiven Schicht auf einem geheizten Substrat (80 °C) führt zu einer verbesserten Solarzellenleistung, was auf die Bildung einer hin- reichenden Phasenseparation von D- und A-Phasen in der aktiven Schicht zurückzuführen ist. Die Phasenseparation bewirkt eine Reduktion von Rekombinationsverlusten und die Bildung geschlossener Perkolationspfade. Die morphologische Änderung korreliert mit einem Anstieg der Ladungsträger-Lebensdauer um fast eine Größenordnung von etwa 10 μs auf ≈ 80 μs. Der Anstieg kann sowohl optisch durch
PIA, als auch elektrisch mittels Impedanz-Spektroskopie detektiert werden. Eine höhere Lebensdauer der Ladungsträger kann letztlich auf eine größere räumlichen Separation der positiven und negativen Ladungsträger zurückgeführt werden, induziert durch die Phasenseparation.
Ein Vergleich von DCV2-5T-Molekülen mit Methyl- und Butyl-Seitenketten führt zu ähnlichen Resultaten: Solarzellen mit DCV2-5T substituiert mit Methyl- Seitenketten sind effizienter als die der butyl-substituierten Moleküle. Dies korreliert wiederum mit einer signifikant erhöhten Lebensdauer der Ladungsträger in Mischschichten der methyl-substituierten Verbindung.:Contents
Publications
1. Introduction
2. Organic semiconductors
2.1. Introduction
2.2. Optical excitations in organic semiconductors
2.2.1. Energy levels: single molecules to molecular solids
2.2.2. Absorption and emission spectra
2.3. Transport in organic semiconductors
2.3.1. Exciton motion
2.3.2. Charge transport
2.3.3. Amorphous organic semiconductors
3. Organic photovoltaics
3.1. Introduction
3.2. Solarenergyconversion
3.2.1. Quasi Fermi levels
3.2.2. p-n junction
3.3. Organic solar cells
3.3.1. Charge generation mechanisms
4. Experimental methods
4.1. Sample preparation
4.2. Photoinduced absorption spectroscopy
4.2.1. PIA setup
4.2.2. Recombination dynamics
4.3. Solar cell characterization
4.3.1. External quantum efficiency
4.3.2. J-V characteristics
4.4. Absorption and emission spectroscopy
4.5. Determination of energy levels
4.5.1. Ultraviolet photo electron emission spectroscopy
4.5.2. Cyclic voltammetry
4.6. Atomic force microscopy
4.7. Density functional theory calculations
4.8. Impedance spectroscopy
5. Dicyanovinyl-oligothiophenes
5.1. Introduction
5.2. The DCV2-nT:C60 interface
5.3. Processability
6. Side chain variations on DCV2-3T
6.1. Introduction
6.2. Density functional theory calculations
6.2.1. Excited state transitions
6.3. Absorption and Emission in solution and thin film
6.3.1. Blend layer absorption spectra
6.3.2. Photoluminescence spectra of neat and blend films
6.4. Energy levels of the DCV2-3T series
6.5. Atomic force microscopy
6.6. Photoinduced absorption spectroscopy
6.6.1. PIA signatures of charged states
6.6.2. Recombination dynamics
6.6.3. Efficiency of the ping pong effect
6.7. Conclusion
7. Influencing the morphology of DCV2-5T:C60 blend layers
7.1. Introduction
7.2. Properties of the DCV2-5T:C60 interface
7.2.1. Analysis of the DCV2-5T triplet transition
7.2.2. Analysis of the DCV2-5T cation transitions
7.2.3. Suggested energy level scheme for neat and blend layer
7.3. Temperature evolution of excited state properties
7.4. Effect of substrate heating on excited state lifetime and generation rate
7.4.1. Solar cell devices
7.4.2. Photoinduced absorption
7.4.3. Impedance spectroscopy
7.5. Conclusion
8. Side chain variations on DCV2-5T
8.1. Introduction
8.2. Atomic force microscopy
8.3. Energy levels
8.4. Mip solar cells
8.4.1. Flat heterojunctions
8.4.2. Bulk heterojunctions
8.4.3. Discussion of Voc
8.5. Photoinduced absorption
8.5.1. Comparison at room temperature
8.6. Conclusion
9. Conclusion and Outlook
9.1. Conclusion
9.2. Outlook
A. Appendix
Bibliograph
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