English Title: Coherent Crystals and their Significance in Organic Solar Cells

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Abstract

In organischen Halbleiterschichten aus Donor- und Akzeptormaterialien besteht einenger Zusammenhang zwischen der Dynamik photoelektrischer Prozesse und den vor-handenen Energiezuständen. Diese werden durch die Eigenschaften der Materialienselbst bestimmt, sind aber auch von der Wechselwirkung der Moleküle miteinanderabhängig und damit von deren relativen Orientierung sowie deren räumlichen Di-stanz. Die Energiezustände sind also direkt von der Morphologie der organischenSchicht mitbestimmt. In dieser Arbeit wird die Morphologie funktioneller Schichtenunter anderem von organischen Solarzellen visualisiert, welche aus einem Polymerund einem Nicht-Fulleren Akzeptor, im Speziellen PBDB -T und ITIC, gemischtwerden. Die Visualisierung der Morphologie erfolgt mittels Hellfeld Transmissions-elektronenmikroskopie (TEM) sowie analytischer TEM und wird mit den jeweili-gen Bauteilparametern korreliert. Durch Kryo-TEM Tomographie wurden kohären-te PBDB -T und ITIC Kristalle am Donor-Akzeptor-Übergang von PBDB -T:ITICMischschichten gefunden. Dabei dominieren ITIC Kristallstrukturen eines spezifi-schen Polymorphs. Mit diesen Resultaten demonstriert die vorliegende Arbeit Mög-lichkeiten zum visuellen Nachweis spezifischer morphologischer Eigenschaften vonorganischen Funktionsmaterialien. Diese Visualisierung ist grundlegend für die Mo-dellierung der genauen Anordnung von PBDB -T und ITIC Molekülen in der Misch-schicht und damit wegweisend für eine Simulation und Optimierung des Modellsys-tems PBDB -T:ITIC und darauf aufbauender Systeme.

Translation of abstract (English)

The dynamics of photoelectric processes within organic donor acceptor blends arestrongly related to the equilibrium between free polarons and charge transfer states.These energy states are determined by the properties of the molecules themselvesand also by the interaction of the molecules with each other and therefore depen-dent of their relative orientation and spatial distance. Hence, the energy states aredetermined by the morphology of the organic blend. In this thesis the morphologyof functional layers for organic solar cells and others, which are blends of a donorpolymer and a non-fullerene acceptor particularly PBDB -T and ITIC, is visuali-zed by transmission electron microscopy (TEM) and analytical TEM for correlationwith the corresponding device parameters. Using cryo-TEM tomography, coherentPBDB -T and ITIC crystals were revealed at the donor acceptor interface within ablend. The crystal configuration of a specific ITIC polymorph was dominant. Theresults of this thesis demonstrate ways of visually identifying specific morphologicalproperties of functional carbon materials. This visualization offers ways for simula-ting and optimizing model systems based on PBDB -T:ITIC.