Alexander Johannes Wagenpfahl

• Continuously increasing energy prices have considerably influenced the cost of living over the last decades. At the same time increasingly extreme weather conditions, drought-filled summers as well as autumns and winters with heavier rainfall and worsening storms have been reported. These are possibly the harbingers of the expected approaching global climate change. Considering the depletability of fossil energy sources and a rising distrust in nuclear power, investigations into new and innovative renewable energy sources are necessary toContinuously increasing energy prices have considerably influenced the cost of living over the last decades. At the same time increasingly extreme weather conditions, drought-filled summers as well as autumns and winters with heavier rainfall and worsening storms have been reported. These are possibly the harbingers of the expected approaching global climate change. Considering the depletability of fossil energy sources and a rising distrust in nuclear power, investigations into new and innovative renewable energy sources are necessary to prepare for the coming future. In addition to wind, hydro and biomass technologies, electricity generated by the direct conversion of incident sunlight is one of the most promising approaches. Since the syntheses and detailed studies of organic semiconducting polymers and fullerenes were intensified, a new kind of solar cell fabrication became conceivable. In addition to classical vacuum deposition techniques, organic cells were now also able to be processed from a solution, even on flexible substrates like plastic, fabric or paper. An organic solar cell represents a complex electrical device influenced for instance by light interference for charge carrier generation. Also charge carrier recombination and transport mechanisms are important to its performance. In accordance to Coulomb interaction, this results in a specific distribution of the charge carriers and the electric field, which finally yield the measured current-voltage characteristics. Changes of certain parameters result in a complex response in the investigated device due to interactions between the physical processes. Consequently, it is necessary to find a way to generally predict the response of such a device to temperature changes for example. In this work, a numerical, one-dimensional simulation has been developed based on the drift-diffusion equations for electrons, holes and excitons. The generation and recombination rates of the single species are defined according to a detailed balance approach. The Coulomb interaction between the single charge carriers is considered through the Poisson equation. An analytically non-solvable differential equation system is consequently set-up. With numerical approaches, valid solutions describing the macroscopic processes in organic solar cells can be found. An additional optical simulation is used to determine the spatially resolved charge carrier generation rates due to interference. Concepts regarding organic semiconductors and solar cells are introduced in the first part of this work. All chapters are based on previous ones and logically outline the basic physics, device architectures, models of charge carrier generation and recombination as well as the mathematic and numerical approaches to obtain valid simulation results. In the second part, the simulation is used to elaborate issues of current interest in organic solar cell research. This includes a basic understanding of how the open circuit voltage is generated and which processes limit its value. S-shaped current-voltage characteristics are explained assigning finite surface recombination velocities at metal electrodes piling-up local space charges. The power conversion efficiency is identified as a trade-off between charge carrier accumulation and charge extraction. This leads to an optimum of the power conversion efficiency at moderate to high charge carrier mobilities. Differences between recombination rates determined by different interpretations of identical experimental results are assigned to a spatially inhomogeneous recombination, relevant for almost all low mobility semiconductor devices.…
• Stetig steigende Preise für Energie haben die Lebenshaltungskosten in Deutschland über die letzten Jahrzehnte maßgeblich beeinflusst. Gleichzeitig werden scheinbar extremere Wetterbedingungen, dürrere Sommer, ebenso wie regen und sturmreichere Winter aufgezeichnet. Dies könnten bereits heute die Vorboten eines kommenden, globalen Klimawandels sein. Berücksichtigt man die Endlichkeit fossiler Energieträger und die wachsende Ablehnung gegenüber nuklearer Energieerzeugung, führt kein Weg an einer genaueren Erforschung innovativer, erneuerbarerStetig steigende Preise für Energie haben die Lebenshaltungskosten in Deutschland über die letzten Jahrzehnte maßgeblich beeinflusst. Gleichzeitig werden scheinbar extremere Wetterbedingungen, dürrere Sommer, ebenso wie regen und sturmreichere Winter aufgezeichnet. Dies könnten bereits heute die Vorboten eines kommenden, globalen Klimawandels sein. Berücksichtigt man die Endlichkeit fossiler Energieträger und die wachsende Ablehnung gegenüber nuklearer Energieerzeugung, führt kein Weg an einer genaueren Erforschung innovativer, erneuerbarer Energiequellen vorbei. Neben Wind- und Wasserkraft stellt die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom einen der erfolgversprechendsten Ansätze dar. Seit Beginn der Synthese und der genaueren Untersuchungen organischer, halbleitender Polymere und Fullerene innerhalb der letzten Jahre, wurde eine neue Arte der Solarzellenherstellung, neben den bereits etablierten Technologien, denkbar. Zusätzlich zu klassischen Aufdampfverfahren können Solarzellen aus organischen Materialien in Lösung hergestellt und auf verschiedenartigste Materialien wie Plastik, Stoff oder Papier aufgebracht werden. Aufgrund der Unordnung in den aktiven Schichten verhalten sich solche Solarzellen jedoch anders als solche aus anorganischen Materialien. Eine organische Solarzelle ist ein komplexes elektrisches Bauteil, welches durch eine Anzahl physikalischer Effekte maßgeblich beeinflusst wird. So ist, beispielsweise, die Verteilung erzeugter Ladungsträger durch optische Interferenzeffekte bestimmt. Ladungstransport und Ladungsträgerrekombination stellen weitere Einflussfaktoren dar. Die experimentell gemessenen Strom-Spannungs-Kennlinien sind somit stets makroskopische Kombination mehrerer Effekte. Änderungen einzelner Parameter führen zu einer komplexen Änderung des elektrischen Verhaltens des Bauteils. Folgerichtig ist es notwendig, ein Modell zu entwickeln, welches das Verhalten organischer Solarzellen bei sich ändernden Umgebungsbedingungen, allgemeingültig vorhersagen kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde, zu diesem Zweck, eine eindimensionale, numerische Simulation entwickelt. Basierend auf Drift- und Diffusionsgleichungen für Elektronen, Löcher und Exzitonen kann der Ladungstransport in organischen Halbleitern beschrieben werden. Benötigte Generations- und Rekombinationsraten werden durch entsprechende Ratengleichungen bestimmt. Über die Poisson-Gleichung wird zudem das auftretende elektrische Feld innerhalb der Solarzelle berücksichtigt. Das resultierende differentielle Gleichungssystem ist jedoch nicht analytisch lösbar. Nur mit Hilfe spezieller numerischer Methoden, können gültige Lösungen gefunden werden. Hiermit kann das Verhalten organischer Solarzellen sehr gut beschrieben. Eine zusätzliche optische Simulation kann dazu benutzt werden, optische Interferenzeffekte zu berücksichtigen. Im des ersten Teiles dieser Arbeit werden Methoden und Modellvorstellungen für Prozesse in organischer Solarzellen vorgestellt. Die Kapitel bauen aufeinander auf und gehen nacheinander auf die grundlegende Physik, die Bauteilarchitektur, die Modelle der Ladungsträgergeneration und -rekombination, ebenso wie auf die benötigten mathematischen und numerischen Methoden ein. Beiträge zur aktuellen Forschung werden im zweiten Abschnitt vorgestellt. Diese Umfassen ein grundlegendes Verständnis der offenen Klemmspannung organischer Solarzellen. Diese wird entweder durch Oberflächenrekombination an den Elektroden oder durch Injektionsbarrieren limitiert. S-förmige Verformungen von gemessenen und simulierten Strom-Spannungs-Kennlinien konnten durch endliche Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten erklärt werden. Aufgrund verminderter Extraktions- und Injektionseigenschaften entsteht eine spannungsabhängige Raumladungszone, welche diese oft beobachtete Verformung verursacht. Der Wirkungsgrad organischer Solarzellen konnte als Kompromiss zwischen Ladungsträgeranhäufung und -extraktion im Bauteil identifiziert werden. Dies führt letztendlich zu einem Optimum der Solarzelleneffizienz bei moderaten bis hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten. Abweichungen experimentell unterschiedlich bestimmter Rekombinationsraten konnten auf eine räumlich inhomogene Verteilung der Ladungsträgerrekombination zurückgeführt werden. Diese wird durch selektive Kontakte erzeugt und ist für alle halbleitenden Bauelemente mit niedriger Mobilität relevant.…