Due to the exceptional properties, such as flexibility and semitransparency, organic photovoltaics (OPV) is a topic of high interest in science and industry. These stand-alone characteristics enable applications like the integration in cloths, wearables or even buildings, which are out of reach for the market dominating silicon photovoltaics. As many of the OPV technology milestones, such as efficiencies > 15 %, have already been reached, industrially relevant production processes which perfectly suit the particular applications have to be developed. Requirements for such process are (i) a high throughput, (ii) low production costs, (iii) efficient use of material, (iv) free choice of colour and (v) form, (vi) the option for fast and easy layout changes and (vii) the possibility to coat on almost any substrate surface. As none of the established OPV fabrication processes is able to fulfil these conditions, new processing techniques have to be developed. In this context, Drop-on-Demand (DOD) inkjet printing seems to be a very promising approach because it completely satisfies the above specified processing requirements. Modern printing machines reach throughput speeds of more than 1000 m²/h. At the same time, the deposition of every single picoliter-sized droplet allows extraordinarily efficient use of raw materials as well as direct patterning of the layers in any arbitrary shape. Therefore, the aim of this thesis is to develop a sophisticated inkjet process for manufacturing of OPV on an industrially relevant scale. This comprises the ink formulation, inkjet deposition of functional layers and the demonstration of fully printed large area free-form solar modules. In the first part of the work, the necessary foundation for digital printing of OPV is provided. This includes the development of electronic inks and printing studies on manufacturing of homogeneous layers. By applying the Ohnesorge theory, stable inks are designed, which offer satellite-free drop formation. This comprises an alcohol based silver nanowire (AgNW) ink, which is applied for manufacturing of semitransparent electrodes. The successful printing is the first time proof that nanowires with a length of ~30 µm can be ejected through inkjet nozzles in the same size range. Furthermore, the alcohol based inks are environmentally non-critical and perfectly suited for the mass production of OPV. The water-free nature of the inks also enables the application in perovskite solar cells. Another highly important aspect of OPV fabrication is the layer homogeneity. To be able to print defect-free wet films also on low energy surfaces, such as the highly hydrophobic polymer active layers, the wetting properties of inks and substrates are investigated and modified with surface active agents. However, as shown by experiments, this strategy does not always result in defect-free layers and well working solar cells. With the aim to provide a process that allows printing of homogeneous wet films on almost every surface, an alternative strategy, relying on inkjet printed anchoring points, is developed. These so-called ‚pinning centres‘ fix the wet film at the desired position on the substrate, thus preventing contraction or rupturing. Local modification of the substrate surface with pinning centres results in a precise spatial definition of wetting as well as dewetting areas. This allows convenient layer patterning with a resolution of ~6 µm. The second part of the work describes the development of stable and scalable printing processes for every single layer of the OPV structure. Starting with a well working reference device, stepwise replacement of the single blade coated layers with inkjet printed equivalents is demonstrated. Inkjet printed silver grids or AgNW layers are applied as semitransparent electrodes. Solar cells with an optimised silver grid base electrode reach efficiencies up to 5.66 %. This value is significantly higher than literature reports of similar structures. Even better results are achieved by applying digitally printed AgNW mesh electrodes. The visually homogeneous layers have an excellent balance of sheet resistance and transmittance (Rsq < 20 Ω/sq @ T > 90 %). Devices with AgNW-cathode and -anode reach efficiencies of 4.3 %, which is up to now the record for fully inkjet printed OPV. The third part of the work describes the transition from small scale solar cells to large area fully inkjet printed solar modules. For the first time, solar modules with four inkjet printed layers are demonstrated, reaching a geometrical fill factor (GFF: ratio of active module area to total module area) of 85 % and efficiency of 4.3 %. Furthermore, a novel strategy to realise the monolithical cell-to-cell interconnection without visually obstructive gaps in the active layer is introduced. This is achieved by inkjet printing of ‘silver bridges’, which penetrate subsequently applied layers, thereby forming a visually inconspicuous contact between top and base electrodes of adjacent cells. Applying this technology in combination with inkjet printed AgNWs and differently coloured active materials, solar modules of unique design with sizes up to 150 cm² are demonstrated for the first time. The last subchapter of the work describes the transfer of the developed processes from laboratory scale to a high-throughput single pass inkjet printer. The machine is equipped with four print stations, which contain four printheads each, ink circulation, hot air- as well as infrared (IR) drying stations and enables the deposition of all solar cell layers at throughput speeds of up to 5 m²/min. Fully inkjet printed solar modules with an active area of 10 cm² reach efficiencies of up to 4.7 %, which is even higher than the single cells with AgNW electrodes (4.3 %) that held up to now the efficiency record for fully inkjet printed devices.

Aufgrund ihrer Flexibilität, Semitransparenz und potenziell günstiger Herstellungsverfahren erfreut sich die organische Photovoltaik (OPV) nach wie vor eines hohen Interesses in Wissenschaft und Industrie. Diese einzigartigen Eigenschaften ermöglichen Anwendungen, wie z.B. die Integration in Kleidung, „Wearables“ oder Gebäude, die der marktbeherrschenden Siliziumphotovoltaik weitgehend verschlossen bleiben. Da bereits viele der gesetzten Meilensteine bei der Technologieentwicklung, wie z.B. Wirkungsgrade von > 15 %, erreicht wurden, gilt es nun, einen industriell relevanten Herstellungsprozess zu entwickeln, der perfekt auf die speziellen Anwendungen zugeschnitten ist. Zu den Anforderungen an einen solchen Prozess gehören unter anderem ein (i) hoher Produktionsdurchsatz, (ii) niedrige Produktionskosten, (iii) effiziente Materialnutzung, die freie Wahl von (iv) Farbe und (v) Form der Solarzellen, die (vi) Möglichkeit, diese schnell und einfach zu ändern sowie die (vii) Beschichtung auf nahezu beliebigen Oberflächen. Da keine der etablierten OPV-Produktionsmethoden im Stande ist dies zu leisten, gilt es neue Herstellungswege zu erschließen. Speziell der Drop-on-Demand (DOD) Tintenstrahldruck erfüllt alle oben aufgeführten Bedingungen. Moderne Druckmaschinen erreichen Durchsatzgeschwindigkeiten von mehr als 1000 m²/h. Gleichzeitig erlaubt das gezielte Aufbringen jedes einzelnen pikolitergroßen Tintentropfens eine sehr effiziente Materialnutzung und direkte Strukturierung der aufgebrachten Schichten in jeglicher Form. Ziel dieser Arbeit ist es daher, einen vollständigen Prozess für den Tintenstrahldruck von OPV auf industrierelevantem Maßstab zu entwickeln. Dies umfasst die Tintenherstellung, den Druck funktioneller Schichten sowie die Produktion vollständig gedruckter großflächiger Freiformsolarmodule. Im ersten Teil der Arbeit werden die notwendigen Voraussetzungen für den Druck organischer Photovoltaik geschaffen. Dabei stehen die Tintenherstellung sowie Druckbarkeitsuntersuchungen im Vordergrund. Durch Anwendung der Ohnesorgetheorie werden stabile Elektroniktinten entwickelt, die ohne den Einsatz von umweltgefährdenden halogenierten Lösemitteln einen satellitenfreien Druck erlauben. Dies umfasst unter anderem eine alkoholbasierte Tinte für die Herstellung von semitransparenten Silbernanodrahtelektroden (Englisch: Silver nanowire - AgNW), durch deren Einsatz zum ersten Mal der Tintenstrahldruck von Nanodrähten mit einer Länge von ~30 µm durch Düsen mit vergleichbarem Durchmesser demonstriert wird. Die alkoholbasierten Tinten sind umweltfreundlich und eignen sich bestens für die Massenproduktion gedruckter OPV. Durch den Verzicht auf Wasser ist auch ein Einsatz in Perowskit-Solarzellen denkbar. Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Herstellung von gedruckten Solarzellen ist die Schichthomogenität. Um diese auch auf schwierig zu benetzenden Oberflächen, wie z.B. der hydrophoben Aktivschicht, sicherzustellen, wird das Benetzungsverhalten von verschiedenen Substraten und Tinten charakterisiert und durch den Einsatz von Tensiden gezielt beeinflusst. Praktische Versuche zeigen jedoch, dass dieser Ansatz nicht immer zu einer vollständigen Benetzung führt. Mit dem Ziel, auf nahezu beliebigen Oberflächen homogen drucken zu können, wird daher eine alternative Strategie basierend auf tintenstrahlgedruckten Ankerpunkten entwickelt. Diese sogenannten „Pinningzentren“ halten die Flüssigschicht auf dem Substrat in Position und verhindern so deren Zusammenziehen oder Aufreißen. Durch lokale Oberflächenmodifikation mit Pinningzentren lassen sich benetzende sowie entnetzende Areale auf der Oberfläche definieren, was die Strukturierung von aufgebrachten Schichten mit einer Genauigkeit von ~25 µm erlaubt. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die Entwicklung von stabilen und hochskalierbaren Druckprozessen für jede einzelne Lage der OPV-Multischichtstruktur. Beginnend mit einer gut funktionierenden Referenzzelle wird der Übergang zu einer vollständig tintenstrahldrucken Solarzelle durch sukzessives Ersetzen der einzelnen Schichten demonstriert. Als semitransparente Elektroden werden gedruckte Silberstege bzw. AgNW Schichten eingesetzt. Solarzellen mit einer geometrieoptimierten gedruckten Silberstegbodenelektrode erreichen Wirkungsgrade von bis zu 5,66 %. Dieser Wert ist deutlich höher als bisher in der Literatur publizierte Effizienzen ähnlicher Strukturen. Noch bessere Ergebnisse werden durch den Einsatz digital gedruckter AgNW-Schichten erzielt. Die visuell homogenen Elektroden zeigen ein hervorragendes Verhältnis von Schichtwiderstand und Transparenz (Rsq < 20 Ω/sq @ T > 90 %). Solarzellen mit AgNW-Kathode und -Anode erreichen Wirkungsgrade von bis zu 4,3 % und halten damit bisher die Rekordeffizienz für vollständig tintenstrahlgedruckte OPV. Der dritte Teil der Arbeit befasst sich mit einem Thema, welches von der Literatur kaum behandelt wird. In diesem Kapitel wird der Übergang von einzelnen kleinen Solarzellen zu großflächig, vollständig tintenstrahlgedruckten Solarmodulen beschrieben. Hierbei werden erstmals Module mit vier gedruckten Schichten demonstriert, welche über einen geometrischen Füllfaktor (GFF: Verhältnis von aktiver Modulfläche zu gesamter Modulfläche) von 85 % und Wirkungsgraden bis zu 4,3 % verfügen. Des Weiteren wird eine neue Methode zur monolithischen Serienverschaltung einzelner Solarzellen zum Modul eingeführt, welche ohne visuell störende Lücken in der Aktivschicht auskommt. Dies geschieht durch das Aufbringen von tintenstrahlgedruckten „Silberbrücken“ auf die Bodenelektroden, welche die anschließend aufgebrachten Schichten durchstoßen und so einen optisch unauffälligen Kontakt zwischen benachbarten Zellen herstellen. Durch Einsatz dieser Technologie in Kombination mit gedruckten AgNW-Elektroden sowie verschiedenfarbigen Aktivschichtmaterialien werden erstmals tintenstrahlgedruckte semitransparente Solarmodule mit freier Farb- und Formgestaltung auf Flächen von bis zu 150 cm² demonstriert. Das letzte Unterkapitel der Arbeit beschreibt den Transfer der Drucktechnologie vom Labormaßstab auf eine „Single-Pass“-Druckmaschine, welche im Rahmen einer Industriekooperation entwickelt wurde. Die Maschine verfügt über vier Druckstationen mit je vier Druckköpfen und Tintenzirkulation sowie Heißluft- und Infrarotöfen. Dies ermöglicht den Druck aller Schichten der Solarzelle mit Durchsatzgeschwindigkeiten von bis zu 5 m²/min. Vollständig gedruckte Solarmodule mit einer aktiven Fläche von 10 cm² erzielen Wirkungsgrade von bis zu 4,7 % und übertreffen damit sogar noch den zuvor aufgestellten Effizienzrekord der Einzelzellen mit AgNW-Kathode und -Anode.