Studienabschlussarbeiten

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem Ultrakurzzeitmodell für die Dynamik von Synchronmaschinen in komplexen Netzwerken basierend auf einem Kuramoto-Oszillator-Modell. Es werden bisher nicht beschriebene Fixpunkte untersucht, die im Zusammenhang mit einem Ringstrom bei bestimmten Netzwerken auftreten kann. Anhand eines Optimierungsverfahrens wird der Einfluss der Positionierung von Generatoren im Netzwerk auf die Störungsanfälligkeit und Synchronisierbarkeit analysiert und verallgemeinernde Schlussfolgerungen über die Beurteilung der Positionierung anhand topologischer Eigenschaften präsentiert. Der Einfluss eines veränderten Trägheitsmoments, wie es durch Windkraftanlagen oder Photovoltaik zu erwarten ist, wird im Rahmen des Modells betrachtet und mögliche positive Effekte für die Stabilität für das gesamte Netzwerk aufgezeigt. Die Folgen der vereinfachten Netzwerktopologie, welche lediglich die Hoch- und Höchstspannungsebene berücksichtigt, werden untersucht. Es wird gezeigt, dass es durch das Hinzufügen weiterer Netzwerkebenen zu prägnanten Veränderungen der Störungsempfindlichkeit und Synchronisierbarkeit kommt. Das letzte Kapitel widmet sich der verwendeten Methodik und beschreibt wichtige Programmteile und verwendete Python Module sowie vorgenommene Optimierungen.

In dieser Arbeit konnten Literaturwerte bezüglich der Austrittsarbeitsänderung bei Aufampfen von Kalium auf Graphit reproduziert werden. Es werden Grundlagen der UHV-Technik dargestellt und die Kelvin-Methode und die Kelvin-Sonde theoretisch betrachtet.

Sonnenlicht kann als erneuerbare Energiequelle benutzt werden, um den steigenden Energiebedarf der Menschheit zu decken. Dies kann zum Beispiel durch Umwandlung in chemische Energie durch Photokatalyse oder durch Umwandlung in elektrische Energie in Farbstoffsolarzellen realisiert werden. Die initiale Photoanregung in Farbstoffsolarzellen und der Photokatalyse basiert jeweils auf der photoinduzierten Ladungstrennung (LT), typischerweise in Metall-organischen Komplexen. Um eine routinemäßige Simulation der Anregungsenergien, spektralen Eigenschaften und der photoinduzierten Dynamik der LT in diesen Komplexen zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit die Näherung der Pseudopotentiale in die Graphikkarten-beschleunigte Software TeraChem implementiert. Diese großen Komplexe werden mit Dichtefunktionaltheorie (DFT) und zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie (TD-DFT berechnet, damit angemessene Ergebnisse mit vertretbarem rechnerischem Aufwand erzeugt werden können. Die Wahl eines Dichtefunktionals ist für die Qualität dieser Berechnungen von entscheidender Bedeutung, da insbesondere TD-DFT-Rechnungen unter Verwendung klassischer Funktionale bekanntermaßen Probleme mit der Beschreibung der LT haben. Die neueren Funktionale M06 und CAM-B3LYP konnten durch den Vergleich von experimentellen mit den entsprechenden berechneten Resonanz Raman und Absorptionsspektren von Ruthenium(II)-Terpyridin-Komplexen als geeignet für die Simulation der genannten Spektren identifiziert werden. Theoretische Untersuchungen zur Optimierungen der photoinduzierten LT in diesen Ruthenium(II)-Terpyridin-Komplexen sind ein weiterer wichtiger Schwerpunkt dieser Arbeit. Diese LT kann durch Funktionalisierung verbessert und damit die Effizienz von Farbstoffsolarzellen und photokatalytischen Reaktionen erhöhen werden. In dieser Arbeit wird der Einfluss von Amino- und Nitro-Substituenten auf die LT am Franck-Condon Punkt von [(tbut-tpy) Ru(tpy-ph-R)] (R=NH2, NO2) Komplexen theoretisch untersucht. Die Ausdehnung der initialen photoinduzierten LT der substituierten Komplexe wurde mittels Ladungsdifferenzdichten visualisiert. Im Vergleich zum Amino-substituierten Komplex zeigt sich eine bessere LT für den Nitro-substituierten Komplex, was durch die chinoide Struktur des niedrigsten nichtbesetzten Molekülorbitals erklärt werden kann.

In dieser Arbeit wurde ein Laserprozess entwickelt und charakterisiert, um die Metallisierung von rückseitenkontaktierten Solarzellen zu strukturieren. Dieser Prozess kann in zwei Varianten durchgeführt werden. Variante 1 benötigt eine zusätzliche Ätzbarriere auf der Metallisierung, die im Strukturierungsvorgang selektiv aufgetrennt wird. Anschließend folgt eine Öffnung der Lasergräben mittels einer Ätzung in KOH-Lösung. Für große Dicken und Inhomogenitäten auf der Probenoberfläche ist dieser Prozess vorteilhaft, da eventuelle Defekte durch den Ätzschritt entfernt werden. Variante 1 ist erfolgreich als Standardverfahren für die Prozessierung von IBC-Zellen eingesetzt worden. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit lag auf der Entwicklung der alternativen Variante 2. Diese verwendet keinen Ätzschritt, da die Polaritäten der Metallkontakte in einem einstufigen Laserschritt direkt voneinander separiert werden. Dazu wurden vielfältige Versuche in Abhängigkeit von der Laserwellenlänge, der Pulsenergie, der Repetitionsrate, der Fokuslage, der Schreibgeschwindigkeit und von geometrischen Parametern auf spezifisch entwickelten Probenstrukturen durchgeführt und ausgewertet. Auf der besten Zelle konnte eine mit Prozess Variante 1 vergleichbare Leerlaufspannung von 665 mV nachgewiesen werden. Somit wurde keine relevante Schädigung auf dieser Zelle erzeugt. Der Kurzschlussstrom lag bei 9,6 A. Der Füllfaktor wurde mit 45 % und der Wirkungsgrad wurde bei 12 % gemessen. Im Vergleich dazu ergaben sich für gemäß Variante 1 prozessierte IBC-Zellen mit 3 mym Metallisierungsdicke folgende Werte: Eine Leerlaufspannung von 669 mV, ein Kurzschlussstrom von 9,9 A, ein Füllfaktor von 74 % und ein Wirkungsgrad von 20,3 % wurden gemessen. Zusammenfassend konnten 2 Varianten zur Herstellung einer strukturierten Metallisierung für IBC-Solarzellen demonstriert werden. Ein tieferes Verständnis über die Zusammenhänge der Materialschichten und Laserparameter für eine schädigungsfreie Kontakttrennung wurde erlangt. Aufgrund der hohen Ansprüche an die Homogenität der zu ablatierenden Schichten ist Variante 2 aktuell nicht dem Standardprozess Variante 1 vorzuziehen. Dennoch können alternative absorbierende Isolationsschichten und gleichförmigere Metallisierungen potentiell in Zukunft Möglichkeiten zur Anwendung der direkten Laserstrukturierung eröffnen.

Ein vorhandenes Rastertunnelmikroskop tauglich für Ultrahochvakuum und Temperaturen des flüssigen Heliums wurde in eine Vakuumanlage eingebaut. Nach Optimierung der Kabelführung wurde das Gerät bei Raumtemperatur und 78 K an der atomar aufgelösten Ag(111)-Oberfläche kalibriert. Defekte konnten atomar aufgeflöst und spektroskopisch untersucht werden. Anschließend wurde der Shockley-Oberflächenzustand der Ag(111)-Oberfläche spektroskopisch untersucht und anhand stehender Wellen an Stufenkanten die Lebensdauer angeregter Elektronenzustände ermittelt und mit Literaturwerten verglichen. Zudem konnte die Dispersion des Elektronengases vermessen werden. Die Daten stimmen mit publizierten Daten überein, sodass die Funktionsfähigkeit des Instruments bestätigt werden konnte.