The aim of the presented dissertation is to clarify open questions concerning the development and control of the morphology in the active layer of polymer bulk heterojunction solar cells. The new findings hereby derived shall modify the existing models of the active layer morphology as found in today's literature. The experimental investigations were performed by X-ray diffraction, spectroscopic ellipsometry, and photoluminescence spectroscopy. In addition to those methods, light microscopy and differential scanning calorimetry were applied to investigate three chosen material systems: P3HT/PCBM-C60, P3HT/MDHE-C60, and P3HT/(MDHE)2-C60. On the basis of experimental results a morphological model is developed, which is discussed in the context of existing literature. The solar cells were electrically characterised by current-voltage and external quantum efficiency measurements. The structural model is set into relation with photovoltaic parameters of the polymer solar cell, such as short circuit photocurrent, open circuit voltage, fill factor, and power conversion efficiency. This contributes to the explanation and analysis of the electrical properties of the organic solar cell as a device. In summary, this work yields morphology-property-relations that are able to explain the interaction between physical properties, such as light absorption, charge carrier generation, and transport, with the morphology present within the active layer. Finally, the three investigated systems are compared and evaluated with respect to their applicability in polymer solar cells. Further on, the morphology-property-relations are used to develop a strategy to estimate the suitability of new two-component polymer-fullerene donor-acceptor systems for polymer solar cells. Based on these findings it becomes possible to evaluate the optimization potential for new materials. In conclusion, this helps to develop polymer solar cells with increased power conversion efficiency.
Zielstellung dieser Dissertation ist es, Fragen der Morphologieausbildung und der gezielten Morphologiesteuerung der aktiven Schichten von polymeren "Bulk-Heterojunction"-Solarzellen zu klären. Die hieraus neu gewonnenen Erkenntnisse werden unter Einbeziehung von aus der Literatur bekannten morphologischen Sachverhalten verwendet, um die bisherigen Vorstellungen vom strukturellen Aufbau der aktiven Solarzellenschicht weiter zu entwickeln und in einem Morphologie-Modell darzustellen. Die eigenen experimentellen Untersuchungen zur Schichtmorphologie wurden mit den Methoden Röntgendiffraktometrie, spektroskopische Ellipsometrie, Photolumineszenzspektroskopie sowie teilweise der Lichtmikroskopie und der differentiellen Kalorimetrie anhand von drei ausgewählten Materialsystemen P3HT/PCBM-C60, P3HT/MDHE-C60 und P3HT/(MDHE)2-C60 durchgeführt und zusammen mit in der Literatur untersuchten anderen Materialsystemen diskutiert. Das Morphologie-Modell wird in Beziehung zu den elektrischen Eigenschaften Füllfaktor, Kurzschlussstrom und Wirkungsgrad von polymeren Solarzellen diskutiert. Die hieraus resultierende Morphologie-Eigenschafts-Korrelation erläutert die bestehenden Zusammenhänge zwischen den physikalischen Eigenschaften der aktiven Solarzellenschicht, wie Lichtabsorption, Ladungsträgergeneration und -transport, mit dem morphologischen Aufbau der Solarzellenschicht und leistet somit einen Beitrag zur Erklärung und Analyse der elektrischen Eigenschaften der polymeren Solarzelle als Bauelement. Die elektrischen Eigenschaften werden anhand von Messungen der Strom-Spannungs-Charakteristik sowie der externen Quanteneffizienz bestimmt.Abschließend werden zunächst die drei untersuchten Materialsysteme verglichen und Aussagen bezüglich ihrer Eignung für polymere Solarzellen getroffen. Des Weiteren wird die Morphologie-Eigenschafts-Korrelation auch genutzt, um eine Strategie zu entwickeln, mit der eine Einschätzung der Eignung von neuartigen 2-Komponenten-Systemen auf der Basis von polymeren Donator- und Fulleren-Akzeptormaterialien für polymere Solarzellen erfolgen kann. Eine Bewertung des möglichen Optimierungspotentials der neuen Materialien wird hierdurch möglich, um letztendlich polymere Solarzellen mit einem gesteigerten Wirkungsgrad herstellen zu können.