Electronic properties of interfaces in polymer based organic photovoltaic cells

Der Schwerpunkt der vorgelegten Arbeit lag in der Bestimmung der Energieniveaus an allen Grenzflächen in bestimmten heterostrukturierten Polymer/Polymer- und Polymer/Molekül basierten Solarzellen. Die elektronische Charakterisierung erfolgte mittels Photoelektronenspektroskopie. Morphologie und Schichtdicke der aufgeschleuderten Filme wurden mit den komplementären Analysetechniken UV-vis Absorptionsspektroskopie, Rasterkraftmikroskopie sowie Röntgenphotoelektronenspektroskopie bestimmt. An der PEDT:PSS-Anode/Polymer-Grenzschicht wurden Änderungen im Vakuumniveau von bis zu 0,65 eV gemessen. Die Polymerabscheidung führte zu einer Erniedrigung der Substrataustrittsarbeit, auch wenn die Polymerionisationsenergie mehrere 100 meV größer als die ursprüngliche PEDT:PSS-Austrittsarbeit war. Eine detailierte Analyse der PEDT:PSS/Polymer Grenzflächen ausgehend von Submonolagen zu Multilagen zeigte verschiedene Ursachen für die Änderungen des Vakuumniveaus als verantwortlich. Zweitens: an Donator/Akzeptor-Grenzflächen wurden Änderungen im Vakuumniveau von bis zu 0,35 eV festgestellt, welche die solare Bandlücke (PVG) und folglich die Höchstgrenze der Leerlaufspannung (VOC) beeinflusst. Ein Vergleich aller Resultate der Grenzflächenanalyse mit den Solarzellen Parametern bestätigte PVG als obere Schranke von VOC. Der Energieunterschied zwischen PVG und VOC, der ein Maß für die Verluste in der Solarzelle darstellt, war für reine Polymerheteroübergänge größer als für Polymer/Molekül-Heterostrukturen mit einem Minimum bei 0,5 eV. Drittens: parallel zum Aufbau der Akzeptor/Kathoden-Grenzfläche veränderte sich das Vakuumniveau um ca. 1 eV, bedingt durch das Pinning des Kathoden-Ferminiveaus (EF) an unbesetzte Grenzflächenzuständen. Die energetische Lage dieser Zustände bezüglich EF entschied dabei über die Stärke der Diffusionsspannung in der Solarzelle, welche bei Beleuchtung der entstandenen Solarzellenstruktur durch eine lichtinduzierte Photospannung ausgeglichen wurde.The main focus of this work was to provide a comprehensive picture of the energy level alignment at the multitude of interfaces that occur in selected polymer/polymer and polymer/small molecule heterojunction photovoltaic cells. The electronic characterization was performed using photoelectron spectroscopy. Morphology and thickness of spin coated thin films was investigated using a complementary technique approach employing UV-vis absorption spectroscopy, atomic force microscopy, and X ray photoelectron spectroscopy. At the PEDT:PSS anode/polymer interface vacuum level shifts up to 0.65 eV were observed. Polymer deposition decreased the substrate work function (WF even though the polymer ionization energy was several 100 meV higher as the initial PEDT:PSS WF. An in depth analysis of the PEDT:PSS/polymer interface from sub-monolayer to multilayer coverage revealed highly diverse origins for the observed vacuum level shifts. Secondly, investigations of the donor/acceptor interfaces revealed vacuum level shifts up to 0.35 eV that influence the photovoltaic gap (PVG) at the heterojunction and, therefore, the upper limit of the open circuit voltage (VOC) in the device. Correlating device data and all results of the interface analysis, PVG was finally confirmed as an upper limit for VOC. The energy difference (eV) between PVG and experimentally determined VOC, which was assigned to losses in the device, was found to be higher for all polymer heterojunctions compared to polymer/small molecule cells with a minimum at eV = 0.5 eV. Third, cathode/acceptor interface formation was accompanied by interfacial vacuum level shifts of ca. 1 eV caused by Fermi level (EF) pinning at interfacial gap states. The exact position of the acceptor pinning level with respect to EF of the anode determines the strength of the built in field in the device that was found to be fully counterbalanced by a photovoltage induced by in situ illumination of the resulting OPVC-like sample structures