Due to inherent advantages, such as low-cost solution-processing on large and flexible areas, conjugated polymers have attracted great attention for the use in organic solar cells (OSCs). The performance of such organic photovoltaic devices is often limited by the (in)compatibility of the solar and the polymer absorption spectra. To achieve high efficiencies the organic semiconductor should feature a low HOMO-LUMO energy gap of < 2 eV. One of the most exercised strategies towards such low band gap polymers is the alternate incorporation of electron-donating (D) and electron-accepting (A) building blocks into the polymer main chain. Lactam and imide groups are strongly electron-withdrawing substituents, so aromatic lactames or imides can be efficiently used as acceptor building blocks.

In this line in chapter 2, a series of alternating DA-copolymers based on phthalimide (PhI), pyromellitdiimide (PyDI), thieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione (TPD), and 3,6-dithiophen-2- yl-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione (TDPPT) in combination with different donor units like cyclopenta[2,1-b:3,4-b‘]dithiophene (CPDT) or cyclopenta[1,2-d:4,3-d’]dithiazole (CPDTz) are presented. Their opto-electronic properties and performance in photovoltaic devices depending on the donor building block and the solubilising side chain (alkyl substitution pattern) attached to the nitrogen are investigated. PCEs of up to 4.7 % for bulk heterojunction (BHJ) solar cell devices with the copolymer poly{[5-octylthieno[3,4-c]pyrrole-4,6-dione-1,3- diyl]-alt-[4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b’]dithien-2,6-diyl]} (PTPD8CPDT) as donor and [70]PCBM as acceptor component could be obtained.

Chapter 3 deals with alternating copolymers with CPDT as donor and two different (di)imide/lactam acceptor building blocks. This combination of different acceptors within one polymer leads to an improved coverage of the solar spectrum. PCEs of 0.6 % in polymerfullerene BHJ solar cells with the statistical copolymer poly{[5-octyldodecylthieno[3,4- c]pyrrole-4,6-dione-1,3-diyl]-co-[4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b‘]dithien-2, 6-diyl]-co-[bis-(2,2’-thienyl)-2,6-naphthalene-1,4,5,8-N,N’-bis(2-oc-tyldodecyl)diimide-5,5’- diyl]} (PTPD8/12-CPDT-TNDIT) as donor component and 0.9 % in all-polymer BHJ solar cells with the polymer as acceptor and P3HT as donor component could be obtained.

Konjugierte Polymere sind aufgrund ihrer Eigenschaften, wie der günstigen Prozessierbarkeit aus Lösung auf flexiblen Untergründen, interessante Kandidaten für den Einsatz in organischen Solarzellen (organic solar cells, OSCs). Einen limitierenden Faktor bildet dabei die relativ große HOMO-LUMO Bandlücke der meisten organischen Halbleiter von > 2 eV, so dass nur ein unvollständiger Teil des einfallenden Sonnenlichtes absorbiert werden kann. Eine bewährte Strategie, um die Bandlücke zu verkleinern, ist die alternierende Anordnung von elektronenreichen (D) und elektronenarmen (A) Bausteinen im Polymerrückgrat. Lactam- und Imid-Gruppen sind stark elektronenziehende, funktionelle Gruppen, so dass sich aromatische Lactame und Imide als Akzeptorbausteine eignen.

Dieser Strategie folgend werden in Kapitel 2 alternierende DA-Copolymere basierend auf Phthalimid (PhI), Pyromellitdiimid (PyDI), Thieno[3,4-c]pyrrol-4,6-dion (TPD) und 3,6- Dithiophen-2-yl-pyrrolo[3,4-c]pyrrol-1,4-dion (TDPPT) als Akzeptorbaustein und verschiedenen Donorbausteinen wie beispielsweise Cyclopenta[2,1-b:3,4-b‘]dithiophen (CPDT) oder Cyclopenta[1,2-d:4,3-d’]dithiazol (CPDTz) vorgestellt. Dabei werden die optoelektronischen Eigenschaften und die Effizienzen von organischen Solarzellen in Abhängigkeit vom Donorbaustein und von der Art der löslichkeitsvermittelnden Gruppen am Stickstoff untersucht. Der beste Wirkungsgrad in "bulk heterojunction" (BHJ)-Solarzellen wurde mit dem Copolymer Poly{[1,3-bis(2-thienyl)-5-octyldodecylthieno[3,4-c]pyrrol-4,6- dion-5,5-diyl]-alt-[4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b‘]dithien-2,6-diyl]} als Donor- und [70]PCBM als Akzeptorkomponente mit 4,7 % erreicht.

Kapitel 3 behandelt die Synthese und Charakterisierung von alternierenden Donor- Akzeptor-Copolymeren mit CPDT als Donorbaustein und zwei verschiedenen (Di)Imiden/Lactamen als Akzeptorbausteine. Diese Herangehensweise führt zu einer verbesserten Abdeckung des Sonnenspektrums durch die Absorption der resultierenden Copolymere. Mit dem alternierendem Copolymer Poly{[5-Octyldodecylthieno[3,4-c]pyrrol- 4,6-dion-1,3-diyl]-co-[4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b:3,4-b‘]dithien-2,6-diyl]-co- [bis-(2,2’-thienyl)-2,6-naphthalin-1,4,5,8-N,N’-bis(2-octyldodecyl)diimid-5,5’-diyl]} (PTPD8/12-CPDT-TNDIT) wurden in Polymer-Fulleren-BHJ-Solarzellen eine Effizienz von 0,6 % und in all-Polymer-Solarzellen mit P3HT als Donor eine Effizienz von 0,9 % erzielt.