Motiviert durch die zunehmende Bedeutung von optoelektronischen Bauteilen, die durch lösungsbasierte Beschichtungsverfahren wie z.B. Tintenstrahl- oder Tiefdruck realisiert werden, zielt diese Arbeit auf die definierte Präparation und Charakterisierung von funktionalen Grenzflächen von lösungsprozessierten organischen Halbleitern. Die Photoelektronenspektroskopie (PES) ist eine etablierte und aussagekräftige Methode für die Untersuchung der chemischen und elektronischen Ober- und Grenzflächeneigenschaften von anorganischen aber auch organischen Halbleiterkontakten und wird in dieser Arbeit beispielhaft auf Donor/Akzeptor-Grenzflächen organischer Solarzellen (OPV) angewendet. Voraussetzung für die Bestimmung eines kompletten Energiebanddiagramms, das die Anpassung der Energieniveaus, Grenzflächendipol und Bandverbiegung beinhaltet, sind jedoch kontrollierte Probenpräparationsbedingungen, die für gewöhnlich durch den schrittweisen Aufbau der zu untersuchenden Grenzfläche, beginnend bei (Sub-)Monolagen, im Ultrahochvakuum (UHV) erreicht werden. Für die meisten organischen Materialien, die für eine Flüssigprozessierung ausgelegt sind, ist eine definierte Schritt-für-Schritt-Deposition jedoch nicht möglich. Die daraus resultierenden Herausforderungen in Bezug auf PES-Grenzflächencharakterisierung aus Lösung werden im Rahmen dieser Arbeit erarbeitet.

Die vorgestellten Grenzflächen bestimmen wesentliche Prozesse innerhalb der Solarzellen. Daher ist das Verständnis ihrer elektronischen Eigenschaften und wie diese möglicherweise durch Herstellungsbedingungen beeinflusst werden von zentraler Bedeutung. Zur Charakterisierung der Donor/Akzeptor-Grenzfläche einer typischen „Bulk Heterojunction“ Solarzelle basierend auf Poly(3-hexylthiophen) (P3HT) und Phenyl-C61-Buttersäure Methylester (PCBM) werden verschiedene Ansätze zur Präparation der Grenzfläche diskutiert. Aus den Ergebnissen konnten Hinweise auf einen Grenzflächendipol und eine Bandverbiegung im Donor abgeleitet werden. Bisher war der direkte Zugang aus der flüssigen Phase zu dieser Grenzfläche aufgrund einer sich ausbildenden P3HT-Deckschicht jedoch nicht möglich. Daher wurde die Abscheidung von PCBM durch thermisches Verdampfen untersucht. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass sich diese Methode nicht eignet, chemisch reine PCBM-Schichten herzustellen. Für das Polymer P3HT stellt α,ω-Dihexylsexithiophen (DH6T) eine geeignete Alternative, da dieses molekulare Thiophen sowohl durch thermisches Verdampfen im UHV als auch aus Lösung abgeschieden werden kann. Durch das Austauschen von P3HT mit DH6T als Donor ist die Grenzfläche zwischen DH6T und PCBM durch ein in-situ Grenzflächenexperiment zugänglich geworden und konnte charakterisiert werden. Dabei wurde DH6T schrittweise auf eine durch Auftropfen herstellte PCBM-Schicht aufgedampft, wodurch ein Grenzflächendipol von 0.26 eV und eine Bandverbiegung von 0.3 eV im Donor bestimmt werden konnten, wohingegen die Position des Fermi-Niveaus im Akzeptor unverändert blieb. Durch das Zusammenführen dieser Ergebnisse mit den Resultaten unterschiedlich zusammengesetzter, vollständig lösungsprozessierter DH6T:PCBM Mischsysteme ist ein Modell entwickelt worden, dass die elektronische Struktur der Grenzfläche zwischen Donor und Akzeptor in lösungsprozessierten „Bulk Heterojunctions“ mit eine Donor-Deckschicht beschreibt.

Um die Limitierung der Grenzflächencharakterisierung mittels PES auf UHV-integrierte schrittweise Präparation zu umgehen, ist eine neue Präparationstechnik basierend auf einer Ultraschall-Vernebelungseinheit erarbeitet worden. Dazu werden die Entwicklungsschritte sowie weitere Einflussfaktoren wie das Benetzungsverhalten diskutiert und erste Ergebnisse zu Abscheidungen verschiedener organischer Moleküle präsentiert. Am Beispiel des DH6T zeigt die große Übereinstimmung der Spektren für getropfte, genebelte und gedampfte Proben die umfassenden Möglichkeiten der neu entwickelten Methode. Durch eine Kombination aus Vernebelung und Tropfenabscheidung sind für PCBM erstmals schichtdickenabhängige elektronische Eigenschaften, die auf die Bildung von Grenzflächendipolen und Raumladungszonen hindeuten, an Grenzflächen zu verschiedenen anorganischen und organischen Substraten beobachtet worden. Die „Nebulizer“-Methode eröffnet somit eine neue Methode, sich den elektronischen Grenzflächeneigenschaften von lösungsprozessierten optoelektronischen Bauteilen zu nähern. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen die Relevanz der direkten Charakterisierung der Grenzflächen von lösungsprozessierten Systemen, um ein grundlegendes Verständnis von flüssigprozessierten funktionalen organischen Grenzflächen zu erarbeiten und somit die Entwicklung effizienter Bauteile zu ermöglichen.