Bowen Sun

• Organic solar cells (OSCs) represent a new generation of solar cells with a range of captivating attributes including low-cost, light-weight, aesthetically pleasing appearance, and flexibility. Different from traditional silicon solar cells, the photon-electron conversion in OSCs is usually accomplished in an active layer formed by blending two kinds of organic molecules (donor and acceptor) with different energy levels together. The first part of this thesis focuses on a better understanding of the role of the energetic offset and each recombination channel on the performance of these low-offset OSCs. By combining advanced experimental techniques with optical and electrical simulation, the energetic offsets between CT and excitons, several important insights were achieved: 1. The short circuit current density and fill-factor of low-offset systems are largely determined by field-dependent charge generation in such low-offset OSCs. Interestingly, it is strongly evident that such field-dependent charge generation originates from aOrganic solar cells (OSCs) represent a new generation of solar cells with a range of captivating attributes including low-cost, light-weight, aesthetically pleasing appearance, and flexibility. Different from traditional silicon solar cells, the photon-electron conversion in OSCs is usually accomplished in an active layer formed by blending two kinds of organic molecules (donor and acceptor) with different energy levels together. The first part of this thesis focuses on a better understanding of the role of the energetic offset and each recombination channel on the performance of these low-offset OSCs. By combining advanced experimental techniques with optical and electrical simulation, the energetic offsets between CT and excitons, several important insights were achieved: 1. The short circuit current density and fill-factor of low-offset systems are largely determined by field-dependent charge generation in such low-offset OSCs. Interestingly, it is strongly evident that such field-dependent charge generation originates from a field-dependent exciton dissociation yield. 2. The reduced energetic offset was found to be accompanied by strongly enhanced bimolecular recombination coefficient, which cannot be explained solely by exciton repopulation from CT states. This implies the existence of another dark decay channel apart from CT. The second focus of the thesis was on the technical perspective. In this thesis, the influence of optical artifacts in differential absorption spectroscopy upon the change of sample configuration and active layer thickness was studied. It is exemplified and discussed thoroughly and systematically in terms of optical simulations and experiments, how optical artifacts originated from non-uniform carrier profile and interference can manipulate not only the measured spectra, but also the decay dynamics in various measurement conditions. In the end of this study, a generalized methodology based on an inverse optical transfer matrix formalism was provided to correct the spectra and decay dynamics manipulated by optical artifacts. Overall, this thesis paves the way for a deeper understanding of the keys toward higher PCEs in low-offset OSC devices, from the perspectives of both device physics and characterization techniques.…
• Organische Solarzellen (OSZ) repräsentieren eine neue Generation von Solarzellen mit einer Vielzahl faszinierender Eigenschaften, darunter geringe Kosten, geringes Gewicht, ästhetisch ansprechendes Erscheinungsbild und Flexibilität. Im Gegensatz zu traditionellen Silizium-Solarzellen erfolgt die Umwandlung von Photonen in Elektronen in OSZ in der Regel in einer aktiven Schicht, die durch das Mischen von zwei Arten organischer Moleküle (Donator und Akzeptor) mit unterschiedlichen Energieniveaus gebildet wird. Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf ein besseres Verständnis der Rolle des energetischen Versatzes und jedes Rekombinationskanals auf die Leistung dieser OSCs mit geringem Versatz. Durch die Kombination fortschrittlicher experimenteller Techniken mit optischer und elektrischer Simulation wurden wichtige Erkenntnisse über die energetischen Versätze zwischen CT und Exzitonen erlangt: 1. Die Stromdichte im Kurzschluss und der Füllfaktor von Systemen mit geringem Versatz werden weitgehend durch feldabhängigeOrganische Solarzellen (OSZ) repräsentieren eine neue Generation von Solarzellen mit einer Vielzahl faszinierender Eigenschaften, darunter geringe Kosten, geringes Gewicht, ästhetisch ansprechendes Erscheinungsbild und Flexibilität. Im Gegensatz zu traditionellen Silizium-Solarzellen erfolgt die Umwandlung von Photonen in Elektronen in OSZ in der Regel in einer aktiven Schicht, die durch das Mischen von zwei Arten organischer Moleküle (Donator und Akzeptor) mit unterschiedlichen Energieniveaus gebildet wird. Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf ein besseres Verständnis der Rolle des energetischen Versatzes und jedes Rekombinationskanals auf die Leistung dieser OSCs mit geringem Versatz. Durch die Kombination fortschrittlicher experimenteller Techniken mit optischer und elektrischer Simulation wurden wichtige Erkenntnisse über die energetischen Versätze zwischen CT und Exzitonen erlangt: 1. Die Stromdichte im Kurzschluss und der Füllfaktor von Systemen mit geringem Versatz werden weitgehend durch feldabhängige Ladungsgenerierung in solchen OSZ mit geringem Versatz bestimmt. Interessanterweise ist deutlich erkennbar, dass eine feldabhängige Ladungsgenerierung aus einer feldabhängigen Exzitonen-Dissociationsausbeute resultiert. 2. Der reduzierte energetische Versatz geht mit einem stark erhöhten bimolekularen Rekombinationskoeffizienten einher, der nicht allein durch die Wiederbevölkerung von Exzitonen aus CT-Zuständen erklärt werden kann. Dies deutet auf die Existenz eines anderen dunklen Zerfallsweges neben CT hin. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit lag auf der technischen Perspektive. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von optischen Artefakten in der differentiellen Absorptionsspektroskopie auf die Änderung der Probekonfiguration und der aktiven Schichtdicke untersucht. Es wird anhand optischer Simulationen und Experimente ausführlich und systematisch dargelegt und diskutiert, wie optische Artefakte, die durch ein nicht gleichmäßiges Ladungsprofil und Interferenzen verursacht werden, nicht nur die gemessenen Spektren, sondern auch die Zerfalldynamik in verschiedenen Messbedingungen manipulieren können. Am Ende dieser Studie wurde eine generalisierte Methodik auf Basis eines inversen optischen Übertragungsmatrixformalismus bereitgestellt, um die durch optische Artefakte manipulierten Spektren und Zerfalldynamiken zu korrigieren. Insgesamt ebnet diese Arbeit den Weg für ein tieferes Verständnis der Schlüsselaspekte für höhere Wirkungsgrade in OSZ mit geringem Versatz, sowohl aus Sicht der Gerätephysik als auch der Charakterisierungstechniken.…