German Title: Untersuchung des Ladungstransports in organischen Halbleitern mittels Kelvin Rastersondenmikroskopie

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Abstract

In this work the potential distribution within organic solar cells was investigated. Using a focused ion beam micrometer sized holes were milled into the cells such that the cross sections became accessible by scanning Kelvin probe microscopy (SKPM). SKPM measurements were performed on Poly(3-hexylthiophen) (P3HT) and [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) solar cells under illumination and under different bias voltages. In a bilayer solar cell the applied bias voltage drops at the interface between P3HT and anode and within the organic layer. In a bulk heterojunction solar cell the potential drops at the interface between P3HT and the anode and at the interface between the PCBM and cathode. In solar cells which were inverted due to altered contact materials there is no potential drop at the contacts, but the potential uniformly drops within the organic material. It can be concluded that an inverted device structure is more favorable for this morphology of the bulk heterojunction. The open circuit voltage exhibited a similar distribution within the device as an external applied bias voltage. Furthermore, SKPM measurements were performed on solar cells with S-shaped current-voltage characteristics. It was mapped that the S-shape behavior results from a transport barrier at the cathode interface.

Translation of abstract (German)

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde der Potentialverlauf innerhalb organischer Solarzellen untersucht. Dazu wurde in die Zellen ein wenige Mikrometer großes Loch mit einem fokussierten Ionenstrahl gefräst, so dass der Querschnitt der Zellen für Raster-Kelvin Mikroskopie (SKPM) zugänglich wurde. SKPM Messungen unter Beleuchtung und unter angelegter elektrischer Spannung wurden mit diesem Verfahren an Solarzellen aus Poly(3-hexylthiophen) (P3HT) und [6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) durchgeführt. In Solarzellen, in denen die Materialien in einer Zweischichtstruktur aufgebracht sind, fällt eine angelegte Spannung zwischen P3HT und Anode und über der gesamten organischen Schicht ab. In einer Zelle mit interpenetrierendem Schichtsystem (bulk heterojunction) findet der Potentialabfall bei angelegter Spannung am Kontakt zur Anode und am Kontakt zur Kathode statt. Invertiert man die Solarzellen durch Änderung der Kontaktmaterialien, so kann kein Potentialabfall an den Kontakten beobachtet werden, sondern das gesamte Potential fällt über der organischen Schicht ab. Daraus lässt sich schließen, dass invertierte Kontakte für diese Morphologie des interpenetrierenden Systems bevorzugt sind. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die offene Klemmspannung am selben Ort abfällt wie eine von außen angelegte Spannung. SKPM Messungen wurden zudem an Solarzellen mit S-förmigen Strom-Spannungs-Kennlinien vorgenommen. Es konnte direkt abgebildet werden, dass die besagte S-Form aus einer Transportbarriere am Kontakt zur Kathode resultiert.