Paramagnetische Zustände in Organischen und Perowskit-Solarzellen

Organic and perovskite solar cells are promising candidates to produce a third generation of high performance, low cost photovoltaic devices. Higher power conversion efficiencies can be achieved, if the fundamental physics of charge transport processes under device operation is understood. In particular charge carrier interactions in their microscopic environment can influence transport and need to be investigated and identified. This thesis presents a study on paramagnetic states in organic and perovskite solar cells using Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy in combination with the Electrically Detected Magnetic Resonance (EDMR) technique. Firstly, a doping study on the organic small molecule spiro-OMeTAD, typically used as a hole transport material in perovskite solar cells, is presented. A detailed multi-frequency EPR analysis revealed that the origin of the EPR spectrum of doped spiro-OMeTAD is due to the hole introduced by doping. Doping efficiencies of the most commonly used p-dopants Li-TFSI and FK209 were determined as less than 2% and ~81%, respectively, indicating that FK209 is the main doping agent. A bias-dependent transient EPR and EDMR study on fully processed and encapsulated polymer/fullerene blend bulk heterojunction solar cells was conducted. The combined detection allowed the identification of light-induced spin-species and their involvement in photocurrent influencing processes. We found different spin-dependent processes that dominate at different time scales after optical excitation. Finally, paramagnetic states in perovskite materials and solar cells were investi- gated. Spin-dependent processes were detected in the organic transport layers of tin-based perovskite solar cells. Furthermore, from trEPR measurements signatures suggesting the existence of triplet excitons in a two-dimensional perovskite film were found.Organische und Perowskit-Solarzellen sind vielversprechende Dünnschichtsolarzellen, die eine leistungsstarke und kostengünstigen dritte Generation der Photovoltaik bilden. Ein besseres Verständnis der fundamentalen Transportprozesse der Ladungsträger unter Solarzellenbetrieb ist die Grundlage für weitere Erhöhungen im Wirkungsgrad der Energieumwandlung. Da die Wechselwirkung der Ladungsträger in ihrer mikroskopischen Umgebung den Transport beeinflusst, ist deren Charakterisierung besonders wichtig. Die vorliegende Arbeit untersucht paramagnetische Zustände in organischen und Perowskit-Solarzellen unter Verwendung der Elektronen Paramagnetischen Resonanz (EPR) Spektroskopie in Kombination mit der Elektrisch Detektierten Magnetischen Resonanz (EDMR) Technik. Im ersten Kapitel wird die Dotierung des organischen Halbleiters Spiro-OMeTAD, der typischerweise als Lochtransportmaterial in Perowskit-Solarzellen verwendet wird, untersucht. Mittels einer detaillierten Multifrequenz EPR-Analyse, wurde der Ursprung des EPR-Spektrums vom dotiertem Spiro-OMeTAD als Folge des durch Dotierung verursachten Lochs festgestellt. Dotiereffizienzen der am häufigsten verwendeten Dotanden Li-TFSI und FK209 wurden als weniger als 2% für Li-TFSI und ~81% für FK209 bestimmt, was darauf hinweist, dass FK209 der Hauptdotand ist. Eine spannungsabhängige transiente EPR- und EDMR-Studie an vollständig verarbeiteten und verkapselten Polymer/Fulleren “Heterojunction” Solarzellen wurde durchgeführt. Die kombinierte Detektion ermöglichte die Identifizierung von lichtinduzierten Spinspezies und deren Beteiligung an photostrombeeinflussenden Prozessen. Es wurden verschiedene spinabhängige Prozesse, die nach der optischen Anregung auf verschiedenen Zeitskalen dominieren, bestimmt. Schließlich wurden paramagnetische Zustände in Perowskit-basierten Materialien und Solarzellen untersucht. Spinabhängige Prozesse wurden in den organischen Trans- portschichten von Zinn-basierten Perowskitsolarzellen nachgewiesen. Zusätzlich wurde mittels transienten EPR-Messungen an einem zweidimensionalen Perowskitfilm Signaturen, die auf die Existenz von Triplett-Exzitonen schließen lassen, gefunden