KIP-Veröffentlichungen

Das Ziel dieser Doktorarbeit ist das Erlangen eines besseren Verständnisses der Energieniveaus in organischen, mehrlagigen Bauelementen. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit einer neuen Klasse von nicht-fullerenen Akzeptoren in organischen Solarzellen, den sogenannten N-Heteroazenen. Eine gezielte Variation der Seitenketten erlaubt eine Verdreifachung der Effizienz, teilweise durch eine verbesserte Oberflächenbeschaffenheit der Schichten. Messungen mit transienter Absorptionsspektroskopie zeigen eine ungewöhnliche, vom elektrischen Feld abhängige Ladungsseparation im Gegensatz zu gewöhnlichen Fulleren-Akzeptoren. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Entwicklung einer neuartigen Methode dargestellt, welche es ermöglicht die Anpassung der Energieniveaus zu untersuchen. Hierfür wird ultraviolette Photoemissionsspektroskopie mit einem essenziell schadenfreiem Ätzen mittels Argon Cluster-Atomen kombiniert. Wir zeigen die Effektivität unserer Methode für mehrere hochmoderne, leistungsfähige Photovoltaik-Systeme und demonstrieren, dass deren geschätzte photovoltaische Bandlücken hervorragend sowohl mit der Energie der Charge-Transfer-Komplexen übereinstimmen, als auch mit den zugehörigen Leerlaufspannungen korrelieren. Zudem stellen wir die Vielseitigkeit unserer Methode dar, indem wir die Auswirkung von Degradation auf die Entwicklung der Energetik, vertikale Schichtenbildung, Injektionsbarrieren in verborgenen Schichten, Seitenkettenvariationen, Moleküldotierung und die energetische Anpassung in ternär gemischten Systemen untersuchen. Zusammengefasst, diese Arbeit demonstriert das Potenzial und die vielfältige Verwendbarkeit unserer neuartigen Methode, die für ein besseres Verständnis der vertikalen Zusammensetzung und energetischen Anpassung in dünnen, organischen Filmen genutzt werden kann. Dieses Verständnis hat eine entscheidende Rolle für die zukünftige Entwicklung optoelektronischer, organischer Bauelemente.

The aim of this thesis is to achieve a better understanding of the energetic alignment in organic multi-layered devices. The first part of this thesis is dedicated to the investigation of a new class of non-fullerene acceptor materials, N-Heteroacenes, in organic solar cells. Intentionally varying the side chain structure enables a threefold increase in device performance, partly due to an improved active layer morphology. In addition, by employing transient absorption spectroscopy, an uncommon electric field-dependent charge separation is found, starkly different than for the case of conventional fullerene acceptors. In the second part of this thesis, a novel method for the investigation of energy level alignment in organic layers is developed, based on combining ultra-violet photoemission spectroscopy and essentially damage-free argon gas cluster etching. The efficacy of the technique is shown on several state-of-the-art high-performance photovoltaic systems, with estimated photovoltaic gaps being in excellent agreement with charge transfer state energies, and in direct correlation with corresponding open-circuit voltages. Furthermore, the versatility of the technique is exemplified by its application to study the evolution of the energetic alignment upon environmental degradation, vertical stratification, injection barriers at buried interfaces, side-chain variation, molecular doping and the energetic alignment in ternary blend systems. This work demonstrates the potential and wide applicability of our novel technique for understanding the vertical composition and energetic alignment in organic thin films. This understanding is crucial towards the future development of optoelectronic organic devices.