Dissertationen

Synooka, Olesia;
Approaching highly efficient organic solar cells via interface engineering, 2014. - VIII, 117 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2014

Organische Solarzellen sind sehr viel versprechende erneuerbare Energiequellen. Während der ca. letzten 2 Jahrzehnte konnte eine bedeutende Verbesserung im Verständnis der Grundlagen von Solarzellen gewonnen werden. Dies hat zu einer Verbesserung der Effizienz auf mehr als 9% Ausbeute geführt. Die Leistungsfähigkeit von bulk-heterojunction organischen Solarzellen basiert im Wesentlichen auf folgenden Effekten: Ladungstrennung, Ladungstransport und Ladungsextraktion. Diese Effekte können durch Modifikation der fotoaktiven Materialien und/oder der Grenzflächen kontrolliert werden. Die Grenzflächenprobleme von organischen Solarzellen sind seit vielen Jahren unbeachtet geblieben, stattdessen wurde der Fokus auf die Entwicklung und Optimierung von neuen Aktivschichtmaterialien gesetzt. In dieser Doktorarbeit sind alle Grenzflächen von organischen Solarzellen im Detailuntersucht worden, wie: - 1 die Donator-Akzeptor Grenzfläche, - 2 der Lochtransport/Aktivschicht-Grenzfläche und - 3 die Aktivschicht-/Metallelektroden-Grenzfläche. Weiter wurden explizite Methoden zur Verbesserung der Grenzflächen vorgeschlagen. 1. - Im Besonderen wurde die Donator-Akzeptor Grenzflächenmodifikation bei thermischer Behandlung im Umfang der vertikalen Phasensegregation untersucht. In dieser Arbeit wurden unterschiedliche Messtechniken an Filmschichten und hergestellten Proben vom Gemisch des "State-of-the-Art" Polymers poly[N-9"-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4'7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benothiadiazole)] (PCDTBT) mit [6,6]-phenyl-C 71-butyric acid methyl ester (PC 70 BM) angewendet, um die Modifikationen der Morphologie zu untersuchen. Die Performance von PCDTBT:PC 70 BM basierend Solarzellen wird durch thermische Behandlung mit hohen Temperaturen dramatisch verringert. Untersuchungen im Detail zeigen, dass Änderungen der Polymer:Fulleren Wechselwirkungen bei bereits 140˚C auftreten, welche in einer Polymerbenetzung nahe der Metallelektrode resultiert. Dies führt zu einem Anstieg von Rekombinationen und zur Verringerung der Ladungsträgerextraktion. Dadurch kommt es zu einer Reduktion des Füllfaktors und zu einer reduzierten Effizienz der Leistungsumwandlung. Die Untersuchung der PCDTBT basierenden invertierten Solarzellenzeigen einen genau umgekehrten Trend bei thermischer Behandlung. Die gesamte Solarzellenperformance steigt mit der Temperaturerhöhung linear an. In diesem Fall ist die Polymerbenetzung vorteilhaft. Zusätzlich wurde die thermische Stabilität von Solarzellen basierend auf amorphem PCDTBT oder dem neuartigen semikristallinen Polymer poly[2,6[4,8-bis(2-ethyl-hexyl)benzo[1,2-b;4,5-b']dithiophene-co-2,5-thiophene-co-4,7[5,6-bis-octyloxy-benzo[1,2,5]thiadiazole]-co-2,5-thiophene] (PBDTTBTZT) untersucht. Die polymere haben eine ähnliche chemische Struktur und Bandlücke. Es konnte eine Effizienz von mehr als 7% bei PBDTTBTZT basierenden Solarzellen erreicht werden. Bei thermischer Behandlung sind nur geringste Verluste der photovoltaischen Parameter ohne eine vertikale Phasensegregation herausgefunden worden. Die außergewöhnliche thermische Stabilität des PBDTTBTZT von bis zu 170˚C könnte durch die semikristalline Natur zu erklären sein. PBDTTBTZT ist ein vielversprechendes Material für zukünftige Anwendungen von organischen Solarzellen. 2. - Weiterhin wurde die Lochtransportschicht/Aktivschicht-Grenzfläche untersucht, welche anhand durch Zugabe zusätzlicher polarer Lösemittel zur Aktivschicht modifiziert wurde. Generell kann die Morphologie der bulk-heterojunction durch Verwendung von Additiven mit höherem Siedepunkt als das Lösemittel der Aktivschicht beeinflusst werden. Im Gegensatz zu dieser Eigenschaft wurden in dieser Arbeit polare Lösemittel-Additive mit unterschiedlichen Dipol-Momenten und unabhängigen Siedepunkten verwendet. Die Performance der PCDTBT:PC 70 BM Solarzellen kann durch Zugabe einer bestimmten Menge dieser Additive verbessert werden. Dieser vorteilhafte Effekt kann größtenteils durch die Modifikation der PEDOT:PPS/Aktivschicht-Grenzfläche der Solarzelle erzielt werden. Die Lösemitteladditive dringen durch die gesamte Aktivschicht und entfernen teilweise den PSS-Anteil der PEDOT:PSS Oberflächenschicht, dass zu einer Reduktion der Energiebarriere und zu einer verbesserten Loch-Extraktion führt. 3. - Zuletzt wurde die Modifikation der Aktivschicht/Metallkathoden-Grenzfläche der Solarzelle mit einer zusätzlichen Zwischenschicht untersucht. Das konjugierte Polyelektrolyt:poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDDA) und das nichtkonjugierte poly(allylaminehydrochloride) (PAH), wurden als Zwischenschichtmaterialien in dieser Arbeit untersucht. Solche Zwischenschichten, basierend auf konjugierten Polyelektrolyten (KPE), verbessern den elektrischen Kontakt und verringern den potentiell möglichen Widerstand, was zu einer verbesserten Performance der Solarzelle führt. Im Gegensatz zu den bekannten und weit verbreiteten KPE wurden die nicht konjugierten Polyelektrolyte (nKPE) bis zum jetzigen Zeitpunkt für organische Solarzellen nicht verwendet, laut der für diese Arbeit angefertigten ausführlichen Literaturrecherche. Verschiedene Messtechniken sind bei entsprechend angefertigten Solarzellen angewendet worden, um die unterschiedlichen Effekte von KPE und nKPE voneinander zu unterscheiden. Eine Verbesserung der Performance der Solarzellen ist das Ergebnis einer optimierten Anpassung des Energieniveaus an den Grenzflächen und verminderte Oberflächenkombinationen konnten für beide Polyelektrolyttypen herausgefunden werden. Die KPE verursachen geringfügige Veränderungen der Oberflächenstöchiometrie, was aber nicht bei nKPE beobachtet worden ist. Die Verwendung von KPE oder nKPE resultierte in vergleichbar guten Performance Verbesserungen. Daraus lässt sich ableiten, dass die nKPE ein guter und preiswerter Ersatz für KPE sind. Diese Arbeit zeigt die Wechselwirkung zwischen allen Grenzflächen innerhalb der Solarzellen und empfiehlt Leitlinien für die Herstellung zukünftiger "next generation" organischer Solarzellen.

Lilienthal, Katharina;
Nanostrukturierte SiO 2 -Gläser für die Mikrotechnik und Biosensorik. - Ilmenau : ISLE, 2014. - XV, 269 S. : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2014
ISBN 978-3-938843-81-9

Die in dieser Arbeit untersuchte Einflußnahme auf die Eigenschaften additiver Sol-Gel-Membranen im TEOS-H2O-HCl-System sowie subtraktiv erzeugter Oberflächen auf Synthetic Fused Silica über die Synthese- bzw. Prozeßbedingungen, zielen auf eine innovative Funktionalisierung in der Sensorik zellanalytischer Systeme, sowie Material-hybrider MEMS. Die Charakterisierung erfolgt über Ellipsometrie, bildgebende Verfahren, stoffliche Analytik und impedometrische Methoden. Daneben wird die besondere Bedeutung einer gezielten Substratreinigung herausgestellt. Die angestrebte selbstorganisierte Porosität über die Si-O-Netzwerkbildung zum einen, und der selektive plasmachemische Abtrag zum anderen werden auf ihre Mechanismen untersucht. Erstere dient als siebend ionenselektive, langzeitstabile Membran auf dem open gate von pH-sensitiven, transparenten AlGaN/GaN-FETs in wässrigen Medien. Letztere begünstigt durch die Oberflächenvergrößerung in Kieselglas u.a. innovative Aufbau- und Verbindungstechnik. Zum einen werden an reproduzierbar erzeugten Sol-Gel-Schichten mit Dicken von 30 bis 380 nm, Brechungsindizes von 1,3 bis 1,9 als Indikator der Porosität und Rauheiten von 0,3 bis 30 nm Einflüsse auf die Schichtbildung untersucht und Rückschlüsse auf Porosität gezogen. Ausgewählte Sole wurden hinsichtlich ihrer Anwendung als ionenselektive Membran in MOS- und EIS-Strukturen untersucht, bevor sie auf AlGaN/GaN-Sensoren eingesetzt wurden. Auf Fused Silica erfolgte zum weiteren eine forcierte selbstorganisierte Nadelbildung über die gezielte Wahl der Prozeßparameter von DRIE-ICP- und RIE-Plasmaanlagen. Dabei können homogen stochastisch gras-, nadel-, säulen- oder röhrenartige Glas-Strukturen bis 1 nm Breite und 6 nm Länge bei einer Prozeßdauer von 90 min erzielt werden. Die Dichtevariation derselbigen reicht von 0,15 bis 90 106 mm-2. Kohlenstoffe sind zur Glas Gras-Bildung nicht notwendig, auch die Übertragbarkeit auf andere Siliziumoxide wird gezeigt. Rückschlüsse auf die Entstehungsmechanismen des Glas Grases werden gezogen, wobei Mikromaskierung durch Metalle, Verunreinigungen oder Polymerpassivierung eindeutig ausgeschlossen werden können. Innovative Anwendungen des Glas Grases sind die einfache, spannungsarme Verbindung mit Polymeren, Keramiken, sich selbst und Silizium über Black Silicon, sowie als Oberflächenvergrößerung in der Optik, elektronischen oder katalytischen Systemen.

Muhsin, Burhan;
Reproduzierbar effiziente Prozessierung von flexiblen Polymersolarmodulen, 2014. - Online-Ressource (PDF-Datei: 137 S., 4,95 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2014
Parallel als Druckausg. erschienen

Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war die reproduzierbare Prozessierung und Aufskalierung von ITO-freien, flexiblen Polymersolarmodulen unter den Randbedingungen hoher Effizienz, niedriger Kosten und hoher Stabilität. Um das Ziel reproduzierbarer effizienter Polymersolarzellen erreichen zu können, wurden drei unterschiedliche Materialsysteme (P3HT:PCBM, P3HT:ICBA und PCDTBT:PC70BM) mittels zweier Beschichtungsmethoden (spin-coating und Rakeln) untersucht und optimiert, wobei relative hohe Effizienzen erreicht wurden. Um die Defekte und die hohen Kosten von ITO zu vermeiden, wurden in dieser Arbeit erfolgreich eine hochleitfähige PEDOT:PSS-Formulierung (PH1000) und eine Kombination aus mit Silbergitter beschichteten Folien (Hersteller PolyIC) und PH1000-Beschichtung als ITO-Ersatz verwendet. Hiermit konnten vergleichbare Effizienzen zu ITO-PET-Substraten erzielt und somit das Ziel der Realisierung eines ITO-Ersatzes erreicht werden. Die Stabilität ITO-freier versiegelter Polymersolarzellen konnte in einem Beobachtungszeitraum von 400 h unter kontinuierlicher Beleuchtung von ca. 1 Sonne Intensität im Vergleich zu versiegelten Polymersolarzellen basierend auf ITO-PET-Substraten verbessert werden. Als optimaler Aufbau flexibler Solarzellen wurde ein Schichtsystem von Barriere/PET/PH1000/PCDTBT:PC70BM/TiOX/Aluminium/UV-Kleber/Barriere/PET identifiziert; dieser Aufbau erreichte noch circa 60% der gemessenen Starteffizienz nach einer Lebensdauermessung von 400 Stunden. Alle Schichten (PEDOT:PSS, PH1000, PCDTBT:PC70BM, TiOX), außer Aluminium, wurden an Luft in Anlehnung an die produktionsnahe Rolle-zu-Rolle-Prozessierung prozessiert. Schließlich konnten Solarmodule mithilfe mechanischer Strukturierung bis zu einer Modulfläche von 150 cm 2 realisiert werden. Mit P3HT:PCBM konnten 2,2%Effizienz, mit PCDTBT:PC70BM, 3,2% auf ITO-PET und 2,2% auf PH1000-PET, jeweils auf einer Modulfläche von 25 cm 2 erreicht werden. Auf Basis von gerakelten Aktivschichten wurde die Modulstrukturierung mittels Laserablation in Zusammenarbeit mit dem Laser-Zentrum Hannover (LZH) durchgeführt. Hierbei konnten zuerst nur 1,5% Solarmoduleffizienz auf ITO-Glas erreicht werden. Auf flexibler ITO-Folie wurden schließlich in einem kombinierten Prozess aus Laserstrukturierung und Bedampfung der Metalrückelektrode über einer Schattenmaske circa 3% Solarmoduleffizienz erreicht.

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Engmann, Sebastian;
Spectroscopic ellipsometry study on the morphology of polymer fullerne solar cells, 2014. - Online-Ressource (PDF-Datei: XI, 142 S., 3, 04 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2013
Parallel als Druckausg. erschienen

Die Untersuchung organischer Solarzellen stellt ein vielversprechendes interdisziplinäres Forschungsgebiet dar, versprechen sie doch eine günstige Alternative zu anorganischen Solarzellen. Ihr geringes Gewicht und hohe Flexibilität ermöglichen es der organischen Photovoltaik (OPV) in neue Bereiche, wie der Integration in architektonischen Design-Elementen und intelligenter Kleidung, Verwendung zu finden. Dennoch fehlt es noch an kommerzielle Anwendungen, da die OPV fundamentale Probleme überwinden muss. Zu nennen sei hier die geringe Stabilität der organischen Materialien gegenüber Wasser und Sauerstoff bei gleichzeitiger Beleuchtung, als auch morphologische Degradation. Die photoaktive Schicht ist typischerweise eine selbstorganisierte Mischung aus zwei oder mehreren organischen Verbindungen und erfordert daher sehr anspruchsvolle Strukturmanipulation, da die Mischungsmorphologie in äußerstem Maße die Solarzellleistung bestimmt. Es ist von inhärenter Bedeutung die Morphologie aktiv zu steuern, um organische Solarzellen mit höchstmöglicher Effizienz zu produzieren. Das Verständnis zwischen morphologischer Struktur und Solarzelleneigenschaften ist hierzu unentbehrlich. Diese Arbeit hatte zum Ziel, die morphologische Struktur von Polymer/Fulleren-Mischschichten durch ein optisches und daher zerstörungsfreies Verfahren zu untersuchen: winkelvariierende spektroskopische Ellipsometrie (Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry (VASE)). Obwohl die dargestellten neu entwickelten Messroutinen und optischen Modelle für beliebige Systeme Anwendung finden können, wurde als zu untersuchendes Materialsystem auf Mischungen des weitverbreiteten Polymers Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) und dem Fullerenderivat Phenyl-C$61$-Buttersäure-methylester (PCBM) zurückgegriffen. Dies ist dem Gedanken geschuldet die gewonnen Ergebnisse der optischen Modellierung, entsprechend einer indirekten Messung, mit möglichst vielen bereits etablierten Messverfahren zur Morphologieuntersuchung zu vergleichen. Zudem zeigen Polythiophen/Fulleren-Mischungen viele physikalisch höchst interessante Eigenschaften, wie die Kristallisation einer oder beider Komponenten, und die Entmischung der photoaktiven Schicht. Aufgrund dieser Effekte und der zu erreichenden hohen Solarzelleffizienzen, stellt P3HT/PCBM das Standardmaterialsystem der OPV Forschergemeinschaft dar. In dieser Arbeit wurde die Kristallisation und räumliche Ordnung der Polymerkomponente in P3HT/PCBM-Mischschichten für verschiedene Fulleren-Konzentrationen innerhalb der photoaktiven Schicht untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Fulleren-Phase stark die Anordnung der Polymer-Komponente beeinflusst. In diesem Zusammenhang wurde ein neues optisches Modell entwickelt, welches die quantitative Unterscheidung zwischen höher und weniger geordneten Polymer-Domänen ermöglicht. Mit diesem Modell ist es erstmals gelungen zu zeigen, dass spinodale Entmischung und das resultierende Fulleren-Konzentrationsprofil über der Schichtdicke die Keimbildung und das Wachstum von geordneten Polymer-Domänen, sowie den Volumenanteil von geordneten Polymerdomänen innerhalb des Filmprofils maßgeblich kontrollieren. Ein Highlight dieser Arbeit ist die Tiefenprofilierung der Fullerene- Konzentration und der Verteilung geordeneter Polymer-Domänen in vollständigen Solarzellstrukturen, im Gegensatz zu der allgemein üblichen Praxis die Morphologie in separat präparierten Schichten auf Silizium oder Glas-Substraten zu untersuchen. Dies ist speziell zur Untersuchung der Grenzflächeninteraktion des Polymer/Fulleren-Gemisches mit der Elektrode während eventueller Temperschritte höchst interessant. Durch die gezeigte zerstörungsfreie Tiefenprofilierung vollständiger Solarzellen wird erstmals die Möglichkeit eröffnet in situ Studien über die Langzeitstabilität der Morphologie und der Elektrodengrenzflächen durchzuführen, da die Möglichkeit besteht dasselbe Bauelement sowohl elektrisch als auch optisch zu Untersuchen. Hierdurch können kleinste morphologische Änderungen direkt mit der Solarzellenleistung korreliert werden.

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Berger, Thomas;
On differential-algebraic control systems. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2014. - Online-Ressource (PDF-Datei: 329 S., 1,84 MB) : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2013
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In der vorliegenden Dissertation werden differential-algebraische Gleichungen (differential-algebraic equations, DAEs) der Form d dt Ex = Ax + f betrachtet, wobei E und A beliebige Matrizen sind. Falls E nichtverschwindende Einträge haben, dann kommen in der Gleichung Ableitungen der entsprechenden Komponenten von x vor. Falls E eine Nullzeile hat, dann kommen in der entsprechenden Gleichung keine Ableitungen vor und sie ist rein algebraisch. Daher werden Gleichungen vom Typ d dt Ex = Ax + f differential-algebraische Gleichungen genannt. Ein Ziel dieser Dissertation ist es, eine strukturelle Zerlegung einer DAE in vier Teile herzuleiten: einen ODE-Anteil, einen nilpotenten Anteil, einen unterbestimmten Anteil und einen überbestimmten Anteil. Jeder Anteil beschreibt ein anderes Lösungsverhalten in Hinblick auf Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen für eine vorgegebene Inhomogenität f und Konsistenzbedingungen an f. Die Zerlegung, namentlich die quasi-Kronecker Form (QKF), verallgemeinert die wohlbekannte Kronecker-Normalform und behebt einige ihrer Nachteile. Die QKF wird ausgenutzt, um verschiedene Konzepte der Kontrollierbarkeit und Stabilisierbarkeit für DAEs mit f = Bu zu studieren. Hier bezeichnet u den Eingang des differential-algebraischen Systems. Es werden Zerlegungen unter System- und Feedback-Äquivalenz, sowie die Folgen einer Behavioral-Steuerung K_x x + K_u u = 0 für die Stabilisierung des Systems untersucht. Falls für das DAE-System zusätzlich eine Ausgangs-Gleichung y =Cx gegeben ist, dann lässt sich das Konzept der Nulldynamik wie folgt definieren: die Nulldynamik ist, grob gesagt, die Dynamik, die am Ausgang nicht sichtbar ist, d.h. die Menge aller Lösungs-Trajektorien (x,u,y) mit y = 0. Für rechts-invertierbare Systeme mit autonomer Nulldynamik wird eine Zerlegung hergeleitet, welche die Nulldynamik entkoppelt. Diese versetzt uns in die Lage, eine Behavior-Steuerung zu entwickeln, die das System stabilisiert, vorausgesetzt die Nulldynamik selbst ist stabil. Wir betrachten auch zwei Regelungs-Strategien, die von den Eigenschaften der oben genannten System-Klasse profitieren: Hochverstärkungs- und Funnel-Regelung. Ein System d dt Ex = Ax + Bu, y =Cx, hat die Hochverstärkungseigenschaft, wenn es durch die Anwendung der proportionalen Ausgangsrückführung u = -ky, mit k > 0 hinreichend groß, stabilisiert werden kann. Wir beweisen, dass rechts-invertierbare Systeme mit asymptotisch stabiler Nulldynamik, die eine bestimmte Relativgrad-Annahme erfüllen, die Hochverstärkungseigenschaft haben. Während der Hochverstärkungs-Regler recht einfach ist, ist es jedoch a priori nicht bekannt, wie groß die Verstärkungskonstante k gewählt werden muss. Dieses Problem wird durch den Funnel-Regler gelöst: durch die adaptive Justierung der Verstärkung über eine zeitabhängige Funktion k(.) und die Ausnutzung der Hochverstärkungseigenschaft wird erreicht, dass große Werte k(t) nur dann angenommen werden, wenn sie nötig sind. Eine weitere wesentliche Eigenschaft ist, dass der Funnel-Regler das transiente Verhalten des Fehlers e = y - y ref der Bahnverfolgung, wobei y ref die Referenztrajektorie ist, beachtet. Für einen vordefinierten Performanz-Trichter (funnel) [Psi] wird erreicht, dass e(t) < [Psi](t). Schließlich wird der Funnel-Regler auf die Klasse von MNA-Modellen von passiven elektrischen Schaltkreisen mit asymptotisch stabilen invarianten Nullstellen angewendet. Dies erfordert die Einschränkung der Menge der zulässigen Referenztrajektorien auf solche die, in gewisser Weise, die Kirchhoffschen Gesetze punktweise erfüllen.

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