Einfluss der Elektroden auf die Stabilität von Polymersolarzellen, 2013. - Online-Ressource (PDF-Datei: 120 S., 4,63 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2013
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Die organische Photovoltaik ist im Begriff zu einer marktwirtschaftlichen Konkurrenz zur etablierten anorganischen Dünnschichtphotovoltaik zu werden. Die Vorteile liegen auf der Hand: das Zusammenspiel aus Flexibilität, geringem Gewicht, potentieller Semitransparenz und sehr hoher Produktionsgeschwindigkeit kann in seiner Gesamtheit im Moment keine andere Technologie vorweisen. Auch die geringe Energieeffizienz, welche lange Zeit der größte Schwachpunkt der organischen Photovoltaik war, ist im Begriff an die etablierte anorganische Dünnschichtphotovoltaik heran zu reichen. Im Moment ist die Lebensdauer der Bauelemente der limitierende Faktor. Bei den Ursachen der limitierten Bauelementlebensdauer sind Parallelen zu den organischen Leuchtdioden zu erkennen. In beiden Fällen wurden die instabilen Elektroden als der Hauptgrund der Degradation identifiziert. Der experimentelle Ansatz dieser Arbeit zur eingehenden Untersuchung von Degradationsmechanismen von organischen Solarzellen ist der Einsatz von verschiedenen bildgebenden Methoden in Kombination und mit zeitlicher Auflösung, welcher in dieser Arbeit so das erste mal demonstriert wurde. Im Zusammenspiel mit den dazugehörigen I-V-Kennlinien und dem Wissen über den Zellaufbau kann so nicht nur eine laterale Informationen über die Probe generiert werden, sondern auch eine gewisse Tiefeninformation. Zusammen mit den zeitlich aufgelösten Informationen sind so Aussagen über materialbezogene Degradationsprozesse innerhalb der Solarzellstruktur möglich. Die Vorteile dieser bildgebenden Methoden gegenüber direkten Methoden zur Materialuntersuchung sind die im Vergleich geringen Kosten, der geringe Zeitaufwand und die Zerstörungsfreiheit. Die Alterung von organischen Solarzellen wurde in dieser Arbeit durch künstliche Beleuchtung simuliert und durch Bestimmung ihrer I-V-Kennlinien in-situ ihre Lebensdauer bestimmt. Als Ergebnis konnten durch die oben genannten Methoden neue Erkenntnisse über die Oxidation von Elektroden verschiedenen Materials, den stabilisierenden Einfluss von Titanoxidzwischenschichten auf die Grenzfläche Aktivschicht - Kathode, die Wirkung von Substraten und Versiegelungen auf die Degradation von Polymersolarzellen, aber auch den Anteil der intrinsischen Degradation gewonnen werden. Eine normale Solarzellarchitektur mit potentiell mehreren Jahren Lebensdauer unter realen Bedingungen wurde vorgestellt.
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Numerical investigations of shallow moist convection, 2013. - Online-Ressource (PDF-Datei: V, 128 S., 5,30 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2013
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Atmosphärische Konvektion ist ein sehr aktives Forschungsfeld mit vielen Richtungen, etwa Messtechnik, Laborexperimente und numerische Simulationen. Ein Großteil dieser Simulationen sind sogennante Large-Eddy-Simulationen, bei denen nur die großskaligen Strömungsstrukturen aufgelöst werden und kleinere Strukturen der Turbulenz modelliert sind. Jedoch spielen genau diese kleineren Strukturen eine wichtige Rolle für das Verständnis physikalischer Prozesse innerhalb von Wolken. Deshalb werden in dieser Arbeit bevorzugt direkte numerische Simulationen durchgeführt, die alle turbulenten Längenskalen auflösen. Die höhere Auflösung geht aber auf Kosten der physikalischen Komplexität und der erreichbaren Turbulenzstärke. Die Arbeit beginnt mit einer kurzen Einführung in die Gebiete thermische und atmosphärische Konvektion. Besondere Beachtung erhält dabei das komplexe Zusammenspiel zwischen turbulenter Strömung und physikalischer Prozesse auf sehr kleinen Größenskalen. Auch wie Wolken auf das Klima der Erde einwirken wird diskutiert. Anschließend wird das Modell für feuchte Rayleigh-Benard Konvektion vorgestellt. Im Hauptteil der Dissertation werden Resultate der numerischen und analytischen Untersuchungen präsentiert. Zu Beginn liegt der Fokus auf dem Übergang zur Turbulenz. Einige Eigenschaften dieses Übergangs sind ähnlich derer einfacher Scherströmungen. Folglich können Methoden, die für die Untersuchung des Turbulenzübergangs solcher Strömungen entwickelt wurden, in abgwandelter Form hier genutzt werden. Im weiteren werden Ergebnisse direkter numerischer Simulationen diskutiert. Geometrische Eigenschaften der simulierten Wolken sowie der Einfluss der thermischen Randbedingungen sind Inhalt der folgenden Abschnitte. über die ganze Arbeit hinweg werden die Resultate mit Erkenntnissen aus trockener Rayleigh-Benard und atmosphärischer Konvektion verglichen. Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt auf der Erforschung des Effekts latenter Wärmefreisetzung auf atmosphärische konvektive Prozesse, ohne Berücksichtigung anderer relevanter Prozesse, wie zum Beispiel Niederschlag.
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Optical properties of wurtzite InN and related alloys, 2012. - Online-Ressource (PDF-Datei: IX, 126 S., MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2012
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In dieser Arbeit werden die optischen Eigenschaften von Wurtzitstruktur InN und verwandten ternären InGaN und AlInN, sowie quaternären AlInGaN Legierungen untersucht. Der Schwerpunkt wird auf die Charakterisierung mittels spektroskopischer Ellipsometrie gelegt. Die auf Si(111) Substraten gewachsenen InN-Proben und die Kohlstoff dotierten InN-Proben sind im Spektralbereich vom mittleren Infrarot bis hin zum Vakuum-Ultraviolett untersucht worden. Die Elektronenkonzentration für die InN-Proben wird durch selbstkonsistentes Lösen (der Ellipsometriedaten Analyse im Infrarotbereich und der Anpassung des Absorption Ansatz) bestimmt. Die intrinsische spannungsfreie Bandlücke für InN Proben wird unter Berücksichtigung von Vielteilcheneffekten wie der Bandlückenrenormierung und der Burstein-Moss-Verschiebung, sowie dem Einfluss der Verzerrung für die Bandlücke bestimmt. Die k*p-Methode wird verwendet, um die Verschiebung der Bandlücke (beeinflusst durch Verzerrung) zu berechnen. Es wird demonstriert, dass eine Erhöhung des Kohlenstofftetrabromid (CBr4) Drucks während des Wachstumsprozess, die Elektronenkonzentration in den InN-Proben erhöht. Die Indium-verwandten Legierungen wurden im Spektralbereich des nahen Infrarot bis zum Vakuum-Ultraviolett untersucht. Das analytische Modell, der dielektrichen Funktion im Spektralbereich 1-10 eV, für die Indium-verwandte Legierungen wird präsentiert. Durch die Anpassung des analytischen Modells an die experimentellen dielektrischen Funktionen, werden die Bandlücke und die Übergangsenergien im Hochenergie-Bereich evaluiert. Die Bowing-Parameter der spannungsfreien Bandlücke für die ternären Systeme InGaN und AlInN werden bestimmt. Es wird demonstriert, dass der Bowing-Parameter für AlInN von der Komposition der Legierung abhängig ist. Die Kenntnis von Bowing-Parametern für die ternären Legierungen ermöglicht die Entwicklung einer empirischen Gleichung, zur Berechnung der Bandlücke in quaternären Legierungen. Alle experimentell durch Ellipsometrie bestimten Bandlücken der untersuchten Legierungen werden durch ab-initio Daten unterstützt.
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Study of polymer film formation and their characterization using NMR, XRD and DSC, 2012. - Online-Ressource (PDF-Datei: 143 S., 3992 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2012
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Die Bildung dünner Polymerschichten aus den umweltfreundlichen Polymeren Gelatine, Stärke und Poly(vinylalkohol) (PVOH) wurde mit Hilfe von Kernspinresonanz (NMR), Weitwinkel-Röntgendiffraktometrie (XRD) und Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) untersucht. Die Proben wurden durch Abguss wässriger Polymerlösungen hergestellt und ihr Trocknungsprozess bei Raumtemperatur mit Hilfe eines unilateralen NMR-Scanners bis zur vollständigen Erstarrung untersucht. Eindimensionale Tiefenprofile mit mikroskopischer Auflösung wurden zu verschiedenen Stadien des Prozesses aufgenommen. Jeder Profilpunkt wurde dabei aus der Summe mehrerer Spin-Echos gebildet. Weiterhin wurden aus der Abnahme der Echointensitäten für jeden Punkt Spin-Spin-Relaxationszeiten (T2) bestimmt und in Bezug auf den Trocknungsprozess interpretiert. Darüber hinaus wurden Spin-Gitter-Relaxationszeiten (T1) gemessen. Abhängig vom Typ und der ursprünglichen Konzentration des untersuchten Polymers wurden während der Verdunstung des Lösungsmittels unterschiedliche molekulardynamische Prozesse in verschiedenen Tiefen der Schicht beobachtet. Die Ergebnisse zeigen eine räumliche Inhomogenität der molekulardynamischen Prozesse während der Trocknung. Im fortgeschrittenen Stadium des Trocknungsprozesses beeinflusst diese Inhomogenität die mikroskopische Anordnung der Polymerketten während der Erstarrung und bestimmt somit die endgültige Struktur der Polymerschicht. XRD-Messungen der vollständig erstarrten Schichten bestätigen die von den NMR-Messungen aufgezeigte strukturelle Inhomogenität.
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LAMMPSCuda - a new GPU accelerated molecular dynamics simulations package and its application to ion-conduting glasses, 2011. - Online-Ressource (PDF-Datei: 107 S., 1328 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2011
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Computersimulationen sind heute ein fundamentaler Bestandteil von Forschung und Entwicklung. In den letzten Dekaden wurden die Grenzen dessen, was modelliert werden kann, durch die kontinuierliche Steigerung der verfügbaren Rechenleistung dramatisch erweitert. Aufgrund der stagnierenden seriellen Rechenleistung heutiger Prozessoren müssen zukünftige Leistungsgewinne mittels Parallelisierung erreicht werden. Insbesondere heterogene Hardware-Architekturen werden immer wichtiger, da sie inhärente Vorteile im Bereich der Energieeffizienz aufweisen. Zur Zeit wird dieser Bereich durch von Grafikkarten beschleunigte Systeme dominiert. Aufgrund ihres fünf- bis zehnfachen Energie- und Kosteneffizienz haben auf Grafikkarten basierte Supercomputer seit ihrer Einführung im Jahr 2008 schnelle Verbreitung gefunden. Mittlerweile beziehen drei der fünf schnellsten Computer der Welt einen Großteil ihrer Rechenleistung aus Grafikkarten. Um derartige Systeme effizient zu nutzen sind jedoch neue Programmierungsansätze notwendig. In dieser Arbeit wird ein neuer Molekular-Dynamik-Code namens LAMMPScuda vorgestellt. LAMMPScuda verwendet Grafikkarten um Simulationen verschiedenster Materialklassen zu beschleunigen. Dazu gehören biologische Systeme, Halbleiter, Metalle, inorganische Gläser und Polymersysteme. Es werden sowohl Details der Implementierung vorgestellt als auch umfangreiche Leistungsuntersuchungen präsentiert. Diese zeigen, dass LAMMPScuda sowohl auf einzelnen PCs als auch auf Großrechnern mit hunderten Grafikkarten effizient laufen kann. Im zweiten Teil der Arbeit wird LAMMPScuda verwendet, um ein neues Potential für ionenleitende Gläser der Zusammensetzung xLi2O-yB2O3-zSi2O4-wP2O5 zu entwickeln. Wie sich zeigt, kann das neue Potential - das mit BC-U bezeichnet wird - nicht nur strukturelle sondern auch dynamische experimentelle Daten verschiedener binärer Gläser über den gesamten Kompositionsbereich besser reproduzieren als zum Vergleich herangezogene etablierte Potentiale. Zudem tritt in Simulationen von Borophosphaten der sogenannte Mischnetzwerkformer-Effekt auf. Damit ist das BC-U Potential prädestiniert dafür, zur Verifizierung von Theorien der mikroskopischen Ursachen dieses Effektes eingesetzt zu werden.
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Degradation mechanisms of solid oxide fuel cell cathodes, 2011. - Online-Ressource (PDF-Datei: X, 100 S., 7,10 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2011
Parallel als Druckausg. erschienen
Oxidkeramische Brennstoffzellen (SOFCs) sind eine Schlüsseltechnologie, um den Übergang von fossilen Energieträgern auf erneuerbare Energien voranzutreiben. Die hohen Betriebstemperaturen und katalytischen Eigenschaften ermöglichen die Verwendung einer Vielzahl von Brennstoffen, und die Kommerzialisierung der SOFCs wird durch verschiedene Förderprogramme weltweit vorangetrieben, wobei die Langzeitstabilität der verwendeten Materialien einen Forschungsschwerpunkt darstellt. In dieser Dissertation werden Degradationsmechanismen auf der Kathodenseite sauerstoffleitender SOFCs beleuchtet. Der Einfluss von Chromoxid auf die Sauerstoffaufnahmefähigkeit des Elektrolytmaterials YSZ und des Kathodenmaterials LSCF wurde mittels Sauerstoff 18 Isotopendiffusion untersucht. Die Auswertung der mittels Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) gemessenen Diffusionsprofile zeigte dabei die Abhängigkeit des Oberflächenaustauschkoeffizienten keff von der Cr2O3 Schichtdicke und dem Substratmaterial. Weiterhin wurde die Segregation von Sr aus dem Kathodenmaterial LSCF untersucht. Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) wurde eingesetzt, um Sr an der Oberfläche von Sr im Bulk LSCF zu unterschieden. Zuerst wurde die Säure-Base Reaktion des SrO an der Oberfläche mit gasförmigem Chromoxid genutzt, um die Segregation von Sr in Abhängigkeit der angelegten Zellspannung zu messen. Ein fundamentaler Unterschied zwischen Kathoden und Anoden-Seite lässt dabei Schlussfolgerungen über den Sr Segregationsmechanismus zu. Danach wurde im Rahmen eines neu entwickelten Verfahrens, dem Röntgenabsorptionsmappings (XAM) bzw. der Röntgenabsorptionsmikroskopie, die Sr Segregation in Dünnschichtzellen mit LSCF Kathoden von 10 nm Dicke untersucht. Dabei wurden die Ortsinformationen mit den morphologischen Änderungen der Kathode verknüpft und der Zusammenhang der Sr Segregation mit den lokalen Sauerstoffaustauschvermögen der Versuchsapparatur nachgewiesen. Diese drei Themen zeigen die verschiedenen Arten der Degradation und die Vielfältigen Möglichkeiten auf diese zu untersuchen. Eine Vielzahl Oberflächenanalytischen Untersuchungsmethoden werden dabei kombiniert um ein möglichst komplettes Bild der Kathodendegradation Sauerstoffleitender SOFCs zu erhalten.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2011000392
Laborexperimente zur Mikrophysik der Wolken, 2011. - Online-Ressource (PDF-Datei: 107 S., 4893 KB) Ilmenau : Techn. Univ., Diss. 2011
Die vorliegende Dissertation stellt den schriftlichen Abschluss der wissenschaftlichen Arbeiten im Rahmen meiner Promotion an der Technischen Universität Ilmenau dar. Die Arbeit beschäftigte sich vorrangig mit der Konstruktion und dem Aufbau eines Experimentes zur Untersuchung atmosphärisch relevanter geladener Partikel mittels der Technik der elektrodynamischen Levitation und anschließender Durchführung verschiedener Versuche. Die konstruierten Levitatoren und Vakuumkammern wurde dabei derart gestaltet, dass sich Temperatur und Druck, sowie die Zusammensetzung der Gasatmosphäre in dem die Probe umgebenden Volumen zur Simulation atmosphärischer Bedingungen leicht verändern lassen können. Durch die geringe Höhe des Gerätes werden dabei auch Untersuchungen der Partikel im Fokus konventioneller Mikroskope ermöglicht, wie sie zum Beispiel für die Raman- und Infrarotspektroskopie verwendet werden. Mit dem gewählten Aufbau gelang es erstmals, den Brechungsindex stark unterkühlter Wassertropfen im Temperaturbereich von -16˚C bis -36˚C zu messen. Desweiteren konnte nachgewiesen werden, dass die homogene Nukleationsrate von unterkühlten Wassertropfen mit einem Radius größer 4mym Volumen-dominiert ist. In einem dritten Experiment wurde gezeigt, dass das Stabilitäts-Limit deformierter flüssiger Tropfen gegenüber dem klassischen Rayleigh-Limit mit der Amplitude der Deformation modifiziert werden muss.
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Excitons and exciton-phonon complexes in the room-temperature optical response of wurtzite GaN and ZnO. - 184 S. Ilmenau : Techn. Univ., Habil.-Schr., 2011
Excitons in conjugated polymers : a theoretical study based on quantum chemistry. - 162 S. Ilmenau : Techn. Univ., Habil.-Schr., 2011
Oberflächenanalytische Untersuchungen an kohlenstoffbasierten Materialien, 2011. - Online-Ressource (PDF-Datei: 115 S., 6238 KB) Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2011
Kohlenstoffbasierte Materialien sind von hoher technischer Relevanz in der Energietechnik, Sensorik, Bioelektronik, Mikro- und Nanosystemtechnik sowie in der Verschleißschutztechnik. Beispielsweise kann ein holzbasiertes Polymergemisch als kostengünstige Alternative für elektrisch leitfähige Bauelemente genutzt werden und somit als Bipolarplatte in einer Direktmethanolbrennstoffzelle zum Einsatz kommen. Untersuchungen mit Photoelektronenspektroskopie (XPS, UPS) und Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) wurden durchgeführt, um die Pyrolyseprozesse an Cellulose, Lignin und holzbasierten Polymergemischen zu verstehen und die Methanolbeständigkeit der Pyrolyseprodukte zu testen. Es hat sich gezeigt, dass Cellulose und Lignin geeignete Kandidaten für die Erstellung solcher Bipolarplatten sind. Ein Einbau von Kohlenstofffasern kann Formstabilität und Leitfähigkeit des Grundmaterials zusätzlich erhöhen. Auftretende Verunreinigungen konnten identifiziert und weitere Prozessschritte konkretisiert werden. Beschichtungen aus nanokristallinem Diamant sind im Fokus aktueller Forschungsarbeiten im Bereich der elektronischen Bauelemente. Durch zusätzliche Funktionalisierungen werden Anwendungen wie biokompatible DNA-Sensoren angestrebt. Damit solche Funktionalisierungen erfolgreich umgesetzt werden können, sind Untersuchungen der Oberflächeneigenschaften unabdingbar. Durch Heiz- und Oxidationsprozesse werden die NCD-Schichten oftmals für weitere Prozessschritte vorbehandelt. Untersuchungen der funktionellen Gruppen an der Oberfläche nach verschiedenen Heiz- und Oxidationsprozessen wurden in dieser Arbeit mit hochauflösender Elektronenenergieverlustspektroskopie (HREELS) und XPS durchgeführt. Bei einer Temperatur von 1050˚C desorbiert der zuvor gebundene Wasserstoff vollständig. Die Zusammensetzungen der funktionellen Gruppen sowie der Sauerstoffanteil an der Oberfläche variieren je nach Oxidationsprozess. Im Vergleich zu den NCD-Schichten werden amorphe und wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten (DLC) als Verschleißschutzschichten verwendet. Die Untersuchungen mit HREELS und XPS ergaben, dass an der Oberfläche von DLC eine Anreicherung der diamantartigen Phase vorliegt.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=18165