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A dramatic efficiency improvement of bulk heterojunction solar cells based on electron-donating conjugated polymers in combination with soluble fullerene derivatives has been achieved over the past years. Certified and reported power conversion efficiencies now reach over 9% for single junctions and exceed the 10% benchmark for tandem solar cells. This trend brightens the vision of organic photovoltaics becoming competitive with inorganic solar cells including the realization of low-cost and large-area organic photovoltaics. For the best performing organic materials systems, the yield of charge generation can be very efficient. However, a detailed understanding of the free charge carrier generation mechanisms at the donor acceptor interface and the energy loss associated with it needs to be established. Moreover, organic solar cells are limited by the competition between charge extraction and free charge recombination, accounting for further efficiency losses. A conclusive picture and the development of precise methodologies for investigating the fundamental processes in organic solar cells are crucial for future material design, efficiency optimization, and the implementation of organic solar cells into commercial products.
In order to advance the development of organic photovoltaics, my thesis focuses on the comprehensive understanding of charge generation, recombination and extraction in organic bulk heterojunction solar cells summarized in 6 chapters on the cumulative basis of 7 individual publications.
The general motivation guiding this work was the realization of an efficient hybrid inorganic/organic tandem solar cell with sub-cells made from amorphous hydrogenated silicon and organic bulk heterojunctions. To realize this project aim, the focus was directed to the low band-gap copolymer PCPDTBT and its derivatives, resulting in the examination of the charge carrier dynamics in PCPDTBT:PC70BM blends in relation to by the blend morphology. The phase separation in this blend can be controlled by the processing additive diiodooctane, enhancing domain purity and size. The quantitative investigation of the free charge formation was realized by utilizing and improving the time delayed collection field technique. Interestingly, a pronounced field dependence of the free carrier generation for all blends is found, with the field dependence being stronger without the additive. Also, the bimolecular recombination coefficient for both blends is rather high and increases with decreasing internal field which we suggest to be caused by a negative field dependence of mobility. The additive speeds up charge extraction which is rationalized by the threefold increase in mobility.
By fluorine attachment within the electron deficient subunit of PCPDTBT, a new polymer F-PCPDTBT is designed. This new material is characterized by a stronger tendency to aggregate as compared to non-fluorinated PCPDTBT. Our measurements show that for F-PCPDTBT:PCBM blends the charge carrier generation becomes more efficient and the field-dependence of free charge carrier generation is weakened. The stronger tendency to aggregate induced by the fluorination also leads to increased polymer rich domains, accompanied in a threefold reduction in the non-geminate recombination coefficient at conditions of open circuit. The size of the polymer domains is nicely correlated to the field-dependence of charge generation and the Langevin reduction factor, which highlights the importance of the domain size and domain purity for efficient charge carrier generation. In total, fluorination of PCPDTBT causes the PCE to increase from 3.6 to 6.1% due to enhanced fill factor, short circuit current and open circuit voltage. Further optimization of the blend ratio, active layer thickness, and polymer molecular weight resulted in 6.6% efficiency for F-PCPDTBT:PC70BM solar cells.
Interestingly, the double fluorinated version 2F-PCPDTBT exhibited poorer FF despite a further reduction of geminate and non-geminate recombination losses. To further analyze this finding, a new technique is developed that measures the effective extraction mobility under charge carrier densities and electrical fields comparable to solar cell operation conditions. This method involves the bias enhanced charge extraction technique. With the knowledge of the carrier density under different electrical field and illumination conditions, a conclusive picture of the changes in charge carrier dynamics leading to differences in the fill factor upon fluorination of PCPDTBT is attained. The more efficient charge generation and reduced recombination with fluorination is counterbalanced by a decreased extraction mobility. Thus, the highest fill factor of 60% and efficiency of 6.6% is reached for F-PCPDTBT blends, while 2F-PCPDTBT blends have only moderate fill factors of 54% caused by the lower effective extraction mobility, limiting the efficiency to 6.5%.
To understand the details of the charge generation mechanism and the related losses, we evaluated the yield and field-dependence of free charge generation using time delayed collection field in combination with sensitive measurements of the external quantum efficiency and absorption coefficients for a variety of blends. Importantly, both the yield and field-dependence of free charge generation is found to be unaffected by excitation energy, including direct charge transfer excitation below the optical band gap. To access the non-detectable absorption at energies of the relaxed charge transfer emission, the absorption was reconstructed from the CT emission, induced via the recombination of thermalized charges in electroluminescence. For a variety of blends, the quantum yield at energies of charge transfer emission was identical to excitations with energies well above the optical band-gap. Thus, the generation proceeds via the split-up of the thermalized charge transfer states in working solar cells. Further measurements were conducted on blends with fine-tuned energy levels and similar blend morphologies by using different fullerene derivatives. A direct correlation between the efficiency of free carrier generation and the energy difference of the relaxed charge transfer state relative to the energy of the charge separated state is found. These findings open up new guidelines for future material design as new high efficiency materials require a minimum energetic offset between charge transfer and the charge separated state while keeping the HOMO level (and LUMO level) difference between donor and acceptor as small as possible.
The chemical nature, the number length of integrated building blocks, as well as their sequence structure impact the phase morphology of multiblock copolymers (MBC) consisting of two non-miscible block types. We hypothesized that a strictly alternating sequence should favour phase segregation and in this way the elastic properties. A library of well-defined MBCs composed of two different hydrophobic, semi-crystalline blocks providing domains with well-separated melting temperatures (T(m)s) were synthesized from the same type of precursor building blocks as strictly alternating (MBCsalt) or random (MBCsran) MBCs and compared. Three different series of MBCsalt or MBCsran were synthesized by high-throughput synthesis by coupling oligo(e-caprolactone) (OCL) of different molecular weights (2, 4, and 8 kDa) with oligotetrahydrofuran (OTHF, 2.9 kDa) via Steglich esterification in which the molar ratio of the reaction partners was slightly adjusted. Maximum of weight average molecular weight (M-w) were 65,000 g center dot mol(-1), 165,000 g center dot mol(-1), and 168,000 g center dot mol(-1) for MBCsalt and 80,500 g center dot mol(-1), 100,000 g center dot mol(-1), and 147,600 g center dot mol(-1) for MBCsran. When Mw increased, a decrease of both Tms associated to the melting of the OCL and OTHF domains was observed for all MBCs. T-m (OTHF) of MBCsran was always higher than Tm (OTHF) of MBCsalt, which was attributed to a better phase segregation. In addition, the elongation at break of MBCsalt was almost half as high when compared to MBCsran. In this way this study elucidates role of the block length and sequence structure in MBCs and enables a quantitative discussion of the structure-function relationship when two semi-crystalline block segments are utilized for the design of block copolymers.
The Venus flytrap is a fascinating plant with a finely tuned mechanical bi-stable system, which can switch between mono- and bi-stability. Here, we combine geometrical design of compliant mechanics and the function of shape-memory polymers to enable switching between bi- and mono-stable states. Digital design and modelling using the Chained Beam Constraint Model forecasted two geometries, which were experimentally realized as structured films of cross-linked poly[ethylene-co-(vinyl acetate)] supported by digital manufacturing. Mechanical evaluation confirmed our predicted features. We demonstrated that a shape-memory effect could switch between bi- and mono-stability for the same construct, effectively imitating the Venus flytrap.
Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung und Charakterisierung von thermoresponsiven Filmen auf Goldelektroden durch Fixierung eines bereits synthetisierten thermoresponsiven Polymers. Als Basis für die Entwicklung der responsiven Grenzfläche dienten drei unterschiedliche Copolymere (Polymere I, II und III) aus der Gruppe der thermisch schaltbaren Poly(oligo(ethylenglykol)methacrylate).
Die turbidimetrischen Messungen der Copolymere in Lösungen haben gezeigt, dass der Trübungspunkt vom pH-Wert, der Gegenwart von Salzen sowie von der Ionenstärke der Lösung abhängig ist. Nach der Charakterisierung der Polymere in Lösung wurden Experimente der kovalenten Kopplung der Polymere I bis III an die Oberfläche der Gold-Elektroden durchgeführt. Während bei Polymeren I und II die Ankopplung auf einer Amidverbrückung basierte, wurde bei Polymer III als alternative Methode zur Immobilisierung eine photoinduzierte Anbindung unter gleichzeitiger Vernetzung gewählt. Der Nachweis der erfolgreichen Ankopplung erfolgte bei allen Polymeren elektrochemisch mittels Cyclovoltammetrie und Impedanzspektroskopie in K3/4[Fe(CN)6]-Lösungen. Wie die Ellipsometrie-Messungen zeigten, waren die erhaltenen Polymer-Filme unterschiedlich dick. Die Ankopplung über Amidverbrückung lieferte dünne Filme (10 – 15 nm), während der photovernetzte Film deutlich dicker war (70-80 nm) und die darunter liegende Oberfläche relativ gut isolierte.
Elektrochemische Temperaturexperimente an Polymer-modifizierten Oberflächen in Lösungen in Gegenwart von K3/4[Fe(CN)6] zeigten, dass auch die immobilisierten Polymere I bis III responsives Temperaturverhalten zeigen. Bei Elektroden mit den immobilisierten Polymeren I und II ist der Temperaturverlauf der Parameterwerte diskontinuierlich – ab einem kritischen Punkt (37 °C für Polymer I und 45 °C für Polymer II) wird zunächst langsame Zunahme der Peakströme wird deutlich schneller. Das Temperaturverhalten von Polymer III ist dagegen bis 50 °C kontinuierlich, der Peakstrom sinkt hier durchgehend.
Weiterhin wurde mit den auf Polymeren II und III basierten Elektroden deren Anwendung als responsive Matrix für Bioerkennungsreaktionen untersucht. Es wurde die Ankopplung von kleinen Biorezeptoren, TAG-Peptiden, an Polymer II- und Polymer III-modifizierten Elektroden durchgeführt. Das hydrophile FLAG-TAG-Peptid verändert das Temperaturverhalten des Polymer II-Films unwesentlich, da es die Hydrophilie des Netzwerkes nicht beeinflusst. Weiterhin wurde der Effekt der Ankopplung der ANTI-FLAG-TAG-Antikörper an FLAG-TAG-modifizierte Polymer II-Filme untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Antikörper spezifisch an FLAG-TAG-modifiziertes Polymer II binden. Es wurde keine unspezifische Anbindung von ANTI-FLAG-TAG an Polymer II beobachtet. Die Temperaturexperimente haben gezeigt, dass die thermische Restrukturierung des Polymer II-FLAG-TAG-Filmes auch nach der Antikörper-Ankopplung noch stattfindet. Der Einfluss der ANTI-FLAG-TAG-Ankopplung ist gering, da der Unterschied in der Hydrophilie zwischen Polymer II und FLAG-TAG bzw. ANTI-FLAG-TAG zu gering ist.
Für die Untersuchungen mit Polymer III-Elektroden wurde neben dem hydrophilen FLAG-TAG-Peptid das deutlich hydrophobere HA-TAG-Peptid ausgewählt. Wie im Falle der Polymer II Elektrode beeinflusst das gekoppelte FLAG-TAG-Peptid das Temperaturverhalten des Polymer III-Netzwerkes nur geringfügig. Die gemessenen Stromwerte sind geringer als bei der Polymer III-Elektrode. Das Temperaturverhalten der FLAG-TAG-Elektrode ähnelt dem der reinen Polymer III-Elektrode – die Stromwerte sinken kontinuierlich bis die Temperatur von ca. 40 °C erreicht ist, bei der ein Plateau beobachtet wird. Offensichtlich verändert FLAG-TAG auch in diesem Fall nicht wesentlich die Hydrophilie des Polymer III-Netzwerkes. Das an Polymer III-Elektroden gekoppelte hydrophobe HA-TAG-Peptid beeinflusst dagegen im starken Maße den Quellzustand des Netzwerkes. Die Ströme für die HA-TAG-Elektroden sind deutlich geringer als die für die FLAG-TAG-Polymer III-Elektroden, was auf geringeren Wassergehalt und dickeren Film zurückzuführen ist. Bereits ab 30 °C erfolgt der Anstieg von Stromwerten, der bei Polymer III- bzw. bei Polymer III-FLAG-TAG-Elektroden nicht beobachtet werden kann. Das gekoppelte hydrophobe HA-TAG-Peptid verdrängt Wasser aus dem Polymer III-Netzwerk, was in der Stauchung des Films bereits bei Raumtemperatur resultiert. Dies führt dazu, dass der Film im Laufe des Temperaturanstieges kaum noch komprimiert. Die Stromwerte steigen in diesem Fall entsprechend des Anstiegs der temperaturabhängigen Diffusion des Redoxpaares. Diese Untersuchungen zeigen, dass das HA-TAG-Peptid als Ankermolekül deutlich besser für eine potentielle Verwendung der Polymer III-Filme für sensorische Zwecke geeignet ist, da es sich deutlich in der Hydrophilie von Polymer III unterscheidet.
Active fibers can serve as artificial muscles in robotics or components of smart textiles. Here, we present an origami hand robot, where single fibers control the reversible movement of the fingers. A recovery/contracting force of 0.2 N with a work capacity of 0.175 kJ kg(-1) was observed in crosslinked poly[ethylene-co-(vinyl acetate)] (cPEVA) fibers, which could enable the bending movement of the fingers by contraction upon heating. The reversible opening of the fingers was attributed to a combination of elastic recovery force of the origami structure and crystallization-induced elongation of the fibers upon cooling.
Die Kombination von Polymeren mit Peptiden vereint die Eigenschaften beider Stoffklassen miteinander. Dabei können die strukturbildenden Eigenschaften der Peptide genutzt werden, um Polymere zu organisieren. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Polymer-Peptid-Konjugat verwendet, das sich in Wasser zu Bändern anordnet. Die treibende Kraft für diesen Prozess ist die Anordnung des Peptidteils zu β-Faltblattstrukturen. Das Polymer-Peptid-Aggregat besitzt einen Peptidkern mit funktionalen Oberflächen, der lateral von einer Polyethylenoxidschale umgeben ist. Durch Änderung der Peptidsequenz war es bisher möglich, die Eigenschaften dieser Fasern zu variieren. In der Arbeit wird ein modularer Ansatz zur vielfältigen Modifizierung einer Polymer-Peptid-Faser entwickelt. So ist es möglich, die Eigenschaften der Fasern einzustellen, ohne die strukturbildende β-Faltblattsequenz verändern zu müssen. Um weitere Funktionen an den Fasern anzubringen, wurde die 1,3-dipolaren Addition verwendet. Diese Reaktion beschreibt die konzertierte Umlagerung eines Azides mit einem Alkin. Sie ist in den meisten Lösungsmitteln unter hohen Ausbeuten durchführbar. Im Rahmen der Arbeit wird die Erzeugung von Aziden untersucht und auf die Polymer-Peptid-Fasern übertragen. Der Diazotransfer stellte dabei die Methode der Wahl dar, so können Azidgruppen aus Aminen gewonnen werden. Unter Verwendung der 1,3-dipolaren Addition konnten verschiedene alkinfunktionale Moleküle kovalent an die azidfunktionalisierten Polymer-Peptid-Fasern gebunden werden. So wurde ein Fluoreszenzfarbstoff an die Fasern gebunden, der eine Abbildung der Fasern mittels konfokaler Mikroskopie erlaubte. Weiterhin wurden die Eigenschaften der Fasern durch Addition dreier carboxylfunktionaler Moleküle modifiziert. Diese Fasern konnten weiter genutzt werden, um Kalzium zu binden. Dabei variierte die Anzahl der gebundenen Kalziumionen in Abhängigkeit der jeweiligen Fasermodifikation erheblich. Weitere Untersuchungen, die Morphologie von Kalziumcarbonatkristallen betreffend, werden aktuell durchgeführt. Die kovalente Anbringung eines reduzierenden Zuckers an die Polymer-Peptid-Fasern erlaubt die Abscheidung von Silber aus Tollens Reagenz. Durch eine Entwicklung analog zur Schwarz-Weiss-Photographie können in nachfolgenden Arbeiten so Silberdrähte in Nanogröße erzeugt werden. An die azidfunktionalen Fasern können weitere funktionale Moleküle angebracht werden, um die Eigenschaften und das Anwendungsspektrum der Polymer-Peptid-Fasern zu erweitern.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Ansatz verfolgt, die besonderen Eigenschaften der Strukturbildung sequenzdefinierter Peptide mit den vielseitigen Materialeigenschaften synthetischer Blockcopolymere zu kombinieren. Dazu wurde ein synthetisches Polymer kovalent mit einer definierten Peptidsequenz verknüpft. Der Peptidblock (die Organisationseinheit) wurde speziell designt, um später die Strukturbildung des Peptid-Polymerkonjugates induzieren und leiten zu können. Als Organisationsmotiv diente hierbei das aus der Natur bekannte β-Faltblatt Strukturmotiv. Das Peptidsegment wurde in einer festphasengebundenen Synthese aufgebaut. Dabei wurden temporäre Stör-Segmente (Switch-Segmente) in die Peptidsequenz integriert. Diese Segmente unterdrücken die Aggregationstendenz während der Synthese und können durch einen pH-abhängigen Schaltvorgang in das natürliche Peptidrückgrat überführt werden. Zusätzlich zu der verbesserten Ausbeute und Reinheit der entsprechenden Peptide war auf diese Weise eine kontrollierte Aktivierung der Mikrostrukturbildung möglich. Mit Hilfe zwei verschiedener Synthesestrategien (Kupplungs- bzw. Polymerisationsstrategie) wurde ein Satz von definierten Peptid-Polymerkonjugaten mit unterschiedlich großen Polymersegmenten synthetisiert. Diese wurden anschließend im Hinblick auf ihre Strukturbildungseigenschaften in organischen Lösungsmitteln untersucht. Durch mikroskopische Verfahren (AFM, TEM), konnte für alle Konjugate, die Bildung faserartiger Aggregate mit Dimensionen im Nano- bis Mikrometerbereich beobachtet werden. Genauere Untersuchungen zeigten, dass die Peptidsegmente in diesen Faserstrukturen ein β-Faltblatt ausbilden. Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass die Strukturbildung der Konjugate tatsächlich durch den Peptidblock gesteuert und kontrolliert wurde.
The degradation of polymers is described by mathematical models based on bond cleavage statistics including the decreasing probability of chain cuts with decreasing average chain length. We derive equations for the degradation of chains under a random chain cut and a chain end cut mechanism, which are compared to existing models. The results are used to predict the influence of internal molecular parameters. It is shown that both chain cut mechanisms lead to a similar shape of the mass or molecular mass loss curve. A characteristic time is derived, which can be used to extract the maximum length of soluble fragments l of the polymer. We show that the complete description is needed to extract the degradation rate constant k from the molecular mass loss curve and that l can be used to design polymers that lose less mechanical stability before entering the mass loss phase.
Ziel der Arbeit war die Entwicklung von farbstoffmarkierten Polymeren, die einen temperaturgetriebenen Knäuel-Kollaps-Phasenübergang in wässriger Lösung ("thermo-responsive Polymere") zeigen und diesen in ein optisches Signal übersetzen können. Solche Polymere unterliegen innerhalb eines kleinen Temperaturintervalls einer massiven Änderung ihres Verhaltens, z B. ihrer Konformation und ihres Quellungsgrads. Diese Änderungen sind mit einem Wechsel der Löseeigenschaften von hydrophil zu hydrophob verbunden. Als Matrixpolymere wurden Poly-N-isopropylacrylamid (polyNIPAm), Poly(oligoethylen-glykolacrylat) (polyOEGA) und Poly(oligoethylenglykolmethacrylat) (polyOEGMA) ein-gesetzt, in die geeignete Farbstoffen durch Copolymerisation eingebaut wurden. Als besonders geeignet, um den Phasenübergang in ein optisches Signal zu übersetzen, erwiesen sich hierfür kompakte, solvatochrome Cumarin- und Naphthalimidderivate. Diese beeinträchtigten weder das Polymerisationsverhalten noch den Phasenübergang, reagierten aber sowohl bezüglich Farbe als auch Fluoreszenz stark auf die Polarität des Lösemittels. Weiterhin wurden Systeme entwickelt, die mittels Energietransfer (FRET) ein an den Phasenübergang gekoppeltes optisches Signal erzeugen. Hierbei wurde ein Cumarin als Donor- und ein Polythiophen als Akzeptorfarbstoff eingesetzt. Es zeigte sich, dass trotz scheinbarer Ähnlichkeit bestimmte Polymere ausgeprägt auf einen Temperaturstimulus mit Änderung ihrer spektralen Eigenschaften reagieren, andere aber nicht. Hierfür wurden die molekularen Ursachen untersucht. Als wahrscheinliche Gründe für das Ausbleiben einer spektralen Änderung in Oligo(ethylenglykol)-basierten Polymeren sind zum einen die fehlende Dehydratationseffektivität infolge des Fehlens eines selbstgenügenden Wasserstoffbrückenbindungsmotivs zu nennen und zum anderen die sterische Abschirmung der Farbstoffe durch die Oligo(ethylenglykol)-Seitenketten. Als Prinzipbeweis für die Nützlichkeit solcher Systeme für die Bioanalytik wurde ein System entwickelt, dass die Löslichkeitseigenschaft eines thermoresponsiven Polymers durch Antikörper-Antigen-Reaktion änderte. Die Bindung selbst kleiner Mengen eines Antikörpers ließ sich so direkt optisch auslesen und war bereits mit dem bloßen Auge zu erkennen.
Among the high-performance and engineering polymers, polyimides and the closely related polyetherimide (PEI) stand out by their capability to react with nucleophiles under relatively mild conditions. By targeting the phthalimide groups in the chain backbone, post-functionalization offers a pathway to adjust surface properties such as hydrophilicity, solvent resistance, and porosity. Here, we use ultrathin PEI films on a Langmuir trough as a model system to investigate the surface functionalization with ethylene diamine and tetrakis(4-aminophenyl)porphyrin as multivalent nucleophiles. By means of AFM, Raman spectroscopy, and interfacial rheology, we show that hydrolysis enhances the chemical and mechanical stability of ultrathin films and allows for the formation of EDC/NHS-activated esters. Direct amidation of PEI was achieved in the presence of a Lewis acid catalyst, resulting in free amine groups rather than cross-linking. When comparing amidation with hydrolysis, we find a greater influence of the latter on material properties.