Untersuchung des Sinterverhaltens von Dickfilmleitpasten für die Kontaktierung von Silizium-Solarzellen. - 102 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Die Kontaktierung von Solarzellen wird prozesstechnisch sehr einfach gehalten. So werden für den Frontkontakt z.B. Ag-Dickfilmleitpasten verwendet. Diese werden entweder über verschiedene Druckverfahren oder durch direkte Schreibverfahren, wie bei der SCHOTT Solar, bei der diese Arbeit entstand, auf die ARC aufgelegt. Die Vorgänge während eines anschließenden Hochtemperaturprozess, der Sinterung, erweisen sich jedoch als durchaus komplex. So muss Ag-Pulver nicht nur einen zusammenhängenden elektrisch leitfähigen Körper bilden, sondern die Zelle muss auch noch elektrisch kontaktiert werden. Hierzu wird die isolierende ARC, durch Redoxprozesse mit einer Glasschmelze, durchätzt. An den fertigen Kontakt werden neben elektrischen auch mechanische Anforderungen gestellt. Im Kontaktübergang Paste/Substrat beobachtete Risse weisen auf unerwünschte thermische Spannungen hin, welche sogar zur Ablösung ganzer Fingerpartien führen. Die relativ einfache Sinterung und Kontaktierung einer kristallinen Si-Solarzelle erweist sich demnach durchaus als komplex und nicht gänzlich verstanden. - Hauptziel der Arbeit ist daher eine Methode zu finden, mit welcher die Sinterung in-situ beobachtet werden kann. Hierzu dient die lichtmikroskopische Untersuchung von Fingerquerschnitten mittels der Mikroskopheizkammer Linkam TS1500. Eine FIB-Probenpräparation der Ag/Si-Bruchkante erhöht den Informationsgehalt der Querschnittsfläche. Neben der lichtmikroskopischen Betrachtung des Kontaktes entstanden REM-Aufnahmen unterschiedlicher Sinterzustände, von der getrockneten Paste bis hin zum fertig gesinterten Kontakt. OES-, LA-MS-, GDMS-Messungen sowie simultane Thermoanalysen, mittels DTA und TG, geben Aufschluss über die Pastenzusammensetzung und ihr thermisches Verhalten. Die Gridfingerquerschnittsfläche Paste/Substrat wurden darüber hinaus mittels EDX und AES analysiert. Abgeschlossen wird diese Arbeit durch eine elektrische Charakterisierung, der Bestimmung des Übergangswiderstandes Finger/Zelle mittels TLM an herkömmlichen Siliziumsolarzellen. Darüber hinaus wurde der Kontaktwiderstand ebenfalls an selbst fabrizierten Kreiskontakten bestimmt. - Die gemachten Untersuchungen geben Aufschluss über mögliche Ablösungsprozesse und Hinweise für weitere Untersuchungen zum besseren Verständnis des Kontaktbildungsprozesses in der Solarzellenindustrie.
Optimierung der elektrischen und optischen Eigenschaften von Hocheffizienten Siliziumsolarzellen mit selektivem Emitter. - 95 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Ziel der Diplomarbeit war die Verbesserung der Vorderseitenbeschichtung kristalliner mit selektivem Emitter hergestellter Siliziumsolarzellen des Solarzellenherstellers Bosch Solar Energy AG. Diese Vorderseitenbeschichtungen sollten eine gute elektrische Passivierung und Lichteinkopplung gewährleisten, sowie eine elektrische Kontaktierung der Solarzelle nicht verhindern. Dafür wurden verschiedene dielektrische Schichten und Schichtsysteme untersucht und optimiert. Die Passiviergüte der Schichtsysteme wurde mit Hilfe der QSSPC-Messmethode (engl.: quasi steady state photoconductance decay) bestimmt. Bei dieser Methode wird die effektive Lebensdauer der Ladungsträger gemessen und daraus die Emittersättigungsstromdichte bestimmt, welche ein Maß für die Qualität der Passivierung ist. Für die Charakterisierung der Metall-Halbleiter-Kontakte wurde die TLM-Methode verwendet (engl.: transfer length method). Die optischen Eigenschaften der Vorderseite wurden mit Hilfe von Ray-Tracing-Simulationen optimiert. Es stellte sich heraus, dass das optimale Schichtsystem für die elektrische Passivierung nicht dasselbe ist wie für die optimale Lichteinkopplung und für die optimale Kontaktierung. Um einen optimalen Kompromiss zwischen diesen Schichtsystemen zu finden, wurden Solarzellen mit verschiedenen Schichtparametern hergestellt, charakterisiert und sowohl miteinander als auch mit Referenzzellen verglichen. Die Zellen mit den besten Schichtsystemen zeigten deutlich höhere Leerlaufspannungen, Kurzschlussstromdichten, Füllfaktoren und letztendlich Wirkungsgrade als die Referenzzellen. Die in dieser Diplomarbeit bearbeiteten Themen und gefundenen Ergebnisse werden auf ihre Einsetzbarkeit in der zukünftigen Zellproduktion verfolgt.
Laborexperimente zur Wirksamkeit von Mineralstaub und Bakterien als atmosphärische Eiskeime. - 103 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Die Arbeit befasst sich mit der Gefrierdynamik unterkühlter Wolkentröpfchen. Zunächst wird ein Experiment vorgestellt, welches die Messung von Nukleationsraten mit hoher Genauigkeit erlaubt. Im weiteren Verlauf werden die Wassertröpfchen auf verschiedene Art und Weise modifiziert und der jeweilige Einfluss auf die Nukleationsrate untersucht. Dabei werden die Mikrotropfen zunächst mit einer Überschussladung versehen; es konnte keine Abhängigkeit der Nukleationsrate von der Ladung festgestellt werden. Weiterhin werden die Tropfen gezielt mit Gefrierkeimen versetzt und die heterogene Gefrierrate gemessen. Mit Arizona Test Dust wird eine Modellsubstanz für den in der Atmosphäre allgegenwärtigen Mineralstaub verwendet; außerdem werden Bakterien der Spezies Pseudomonas syringae untersucht. Beide Partikelensembles werden durch eine neu vorgestellte Methode der Auswertung hinsichtlich ihrer Wirksamkeit als Eiskeime detailliert klassifiziert.
Laborexperimente zur Mikrophysik geladener Wolkentropfen - Untersuchungen in einem elektrodynamischen Levitator. - 63 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2010
Die Atmosphäre und in ihr stattfindende Prozesse sind von zentraler Bedeutung für die Gesamtheit aller Lebewesen. Ohne diese die Erde umspannende Gashülle wäre ein Leben auf dem Planeten nicht möglich. Das in der Atmosphäre vorherrschende Klima prägt dabei entscheidend das Verhalten der lebenden Spezien und den ihnen umgebenden Raum. Wesentliche Bedeutung im Klima kommt den Wolken zu. Diese steuern vor allem den Wasserkreislauf und beeinflussen den Strahlungshaushalt der Erde. Sie spielen daher auch eine wichtige Rolle bei der Frage nach einem antropogen verursachten Klimawandel. Aufgrund der hohen Komplexität des Systems Atmosphäre sind jedoch viele Prozesse noch unzureichend verstanden und Gegenstand aktueller Forschung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb Laborexperimente an geladenen mikroskopisch kleinen Tropfen unter atmosphärisch relevanten Bedingungen durchgeführt. Der Fokus der Untersuchungen lag dabei auf dem Verdampfungsverhalten der Tropfen. Zu diesem Zweck wurden Versuche in einem elektrodynamischen Levitator durchgeführt, wodurch es möglich ist die Tropfen freischwebend ohne störenden Oberflächenkontakt zu untersuchen. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine von einem mikroskopischen Tropfen getragene Ladung ebenfalls eine stabilisierende Wirkung auf diesen hat. Die sich einstellende Tropfengröße im Gleichgewicht steigt dabei mit wachsender Nettoladung beziehungsweise wachsender relativer Luftfeuchtigkeit. Ausgehend davon kann geschlussfolgert werden, dass der Tropfenladung eine wesentliche Bedeutung bei der Erhöhung der Lebensdauer von Wolkentropfen in der Atmosphäre zukommt.
Tomographische Untersuchungen mittels Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie. - 77 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2010
Es werden tomographische Datensätze ausgewertet, die mit einem Terahertz-Zeitbereichsspektrometer gemessen bzw. durch Simulation gewonnen wurden. Zur Rekonstruktion kommt neben der gefilterten Rückprojektion (Filtered Back Projection), die im Frequenzraum durchgeführt wird, auch ein Algorithmus zum Einsatz, der auf Überlagerung im Ortsraum basiert. Es wird gezeigt, dass beide Algorithmen die Rekonstruktion eines Schnittbildes sowohl auf Basis der Amplitudenabschwächung als auch basierend auf der Pulsverzögerung ermöglichen. Der Einfluss eines Schärfungsfilters auf den Überlagerungsalgorithmus wird analysiert. Erstmalig erfolgt die tomographische Rekonstruktion anhand des Terahertzspektrums eines Probekörpers. Dabei werden zwei Einschlüsse aus Glucose bzw. Lactose im Volumen eines Styroporkörpers korrekt lokalisiert und identifiziert.
Folding and unfolding of a triple-branch DNA hairpin molecule with four conformational states by mechanical stretching. - 125 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Einzelmolekülexperimente ermöglichen neue Einblicke in biologische Prozesse, die mit Messungen an herkömmlichen Systemen mit einer Vielzahl von Molekülen bisher nicht gewonnen werden konnten. In dieser Arbeit wird die Kinetik eines Haarnadelmoleküls mit vier Konformationszuständen mit Zugexperimenten unter Einsatz einer optischen Pinzette experimentell untersucht und theoretisch modelliert. Drei verschiedene Kraftsprünge, die mit Übergängen zwischen den Konformationszuständen einhergehen, werden in den Faltungs- und Entfaltungsvorgängen beobachtet. Mit Hilfe einer Übergangsratentheorie auf Grundlage eines Freien-Energie-Modells für das Haarnadelmolekül werden Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die Aufbruchskräfte der einzelnen Übergänge berechnet. Eine gute Übereinstimmung der theoretischen Vorhersagen mit den experimentellen Ergebnissen wird für unterschiedliche Ziehgeschwindigkeiten erzielt.
Untersuchung der Verspannung von Gallium- und Indiumnitrid mit Ramanspektroskopie. - 87 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Gruppe-III-Nitride gehören aufgrund ihrer optischen Eigenschaften in der Wurtzitstruktur und ihrer direkten Bandlücke in dieser zu den interessanten Halbleitermaterialen für optische Anwendungen. Mithilfe ihrer ternären und quaternären Mischkristalle kann man die Bandlücke über einen weiten Spektralbereich (0,67 bis oberhalb von 6 eV) durchstimmen. - Ausgehend von der Kristallstruktur und der Gruppentheorie ergeben sich Symmetrieeigenschaften, mit deren sich die Auswahlregeln für Raman- und Infrarotaktivität der einzelnen optischen Phononenmoden am Gammapunkt beschreiben lassen. Wächst man Heterostrukturen so ergeben sich durch unterschiedliche Gitterparameter, der einzelnen Schichten Verspannungen im Kristall. Diese werden zusätzlich durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten überlagert und verstärken die Verspannungen. Die Verspannungen führen im Kristall zu Verzerrungen und dies hat Einfluss auf die Bandlücke dieser Halbleiterschichten. - Diese Arbeit stellt eine Einführung in die Ramanspektroskopie für Halbleiter dar und wurde mit dem Spektrometer der TU Ilmenau durchgeführt, dazu mussten Veränderungen und Optimierungen am Messaufbau durchgeführt werden. Ausgehend von den theoretischen Grundlagen wird der Nachweis der Auswahlregeln für die Ramanspektroskopie für die unterschiedlichen Kristallorientierungen erbracht und die Abhängigkeiten der Position der Phononenenergien von der Verspannung bzw. Verzerrung nachgewiesen für das Stoffsystem Galliumnitrid. Die Verzerrung wurde auch aus Gitterparametern, ermittelt mit Röntgendiffraktometrie, berechnet um einen Vergleich ziehen zu können. Bevor die dabei erlangten Ergebnisse und Zusammenhänge auf Indiumnitrid übertragen wurden. GaN stellt dabei das gut verstandene Stoffsystem und Indiumnitrid das junge und relativ unerforschte Halbleitermaterial dar. - Ein weiterer Schwerpunkt des experimentellen Teils dieser Arbeit ist es, die Ladungsträgerdichte in mit Silizium dotierten GaN Schichten zu bestimmen mit zwei komplementären Messmethoden. Infrarot-Spektralellipsometrie diente hier als zweite Untersuchungsmethode neben der Ramanspektroskopie. Beide Untersuchungsmethoden führten zu in sich konsistenten Ergebnissen.
Optische Spektroskopie an epitaktischen MgZnO-Schichten. - 96 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Der Halbleiter Zinkoxid gewinnt seit der Mitte der 90er Jahre stetig an Interesse in der Halbleiterforschung. Die direkte Bandlücke von rund 3,4eV und die außergewöhnlich hohe Exzitonenbindungsenergie von etwa 60meV machen ZnO zu einem idealen Kandidaten für optoelektronische Anwendungen im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Eine Schlüsseltechnologie zur Herstellung optoelektronischer Bauelemente ist die Durchstimmbarkeit der Bandlücke. Dabei kann die Verschiebung zu höheren Energien durch die Substitution von Zn mit Mg realisiert werden. Während die optischen Eigenschaften von ZnO weitgehend verstanden sind, gilt dies nicht für das ternäre System MgZnO. Die vorliegende Arbeit stellt dazu im Vorfeld der Untersuchungen das Materialsystem vor, beschreibt die Theorie der optischen Eigenschaften und diskutiert den Einfluss von Verspannungen auf Basis der kp-Theorie. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die Bestimmung und die Analyse der komplexen dielektrischen Funktion von MgZnO. Diese wurde mit Hilfe der spektroskopischen Ellipsometrie im Bereich zwischen 1eV und 5eV an epitaktischen MgZnO-Schichten mit Mg-Anteilen von 0% bis 23% bestimmt. Die isotrope Anpassung lieferte die parameterfreien dielektrischen Funktionen der MgZnO-Schichten. Bei der Analyse auf ihre einzelnen Beiträge wurden, neben der Coulomb-Wechselwirkung, Beiträge durch Exzitonen-Phononen-Komplexe berücksichtigt. Es zeigte sich, dass diese einen signifikanten Beitrag zur dielektrischen Funktion von MgZnO liefern. Zusätzlich konnten aus den Anpassungen wichtige Materialparameter, wie z.B. die Bandlücke oder die Hochfrequenzdielektrizitätszahl, bestimmt werden. Neben der Ellipsometrie erfolgte eine unabhängige Charakterisierung mittels temperaturabhängiger Photolumineszenzspektroskopie im Bereich der Bandkante. Die Übergänge aus freien und gebundenen Exzitonen sowie ihre Phononenreplika konnten über den gesamten Temperaturbereich (5K-290K) identifiziert werden. Der Vergleich von Ellipsometrie und Photolumineszenz zeigte eine Stokes-Verschiebung.
Modeling of the AC and DC characteristics of large-area graphene field-effect transistors. - 89 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
In dieser Arbeit werden zwei Modelle entwickelt und vorgestellt, die es ermöglichen das elektrische Verhalten von Feld-Effekt Transistoren zu beschreiben, deren Kanal aus großflächigem Graphen besteht. - Dabei werden zunächst die Grundlagen der Bandstruktur, der Zustandsdichte und der Ladungsträgerstatistik von Graphen bearbeitet. Anschließend wird mit Hilfe dieser ein kapazitives Ersatzschaltbild entwickelt, welches die Auswirkungen der Quantenkapazität berücksichtigt. Dadurch ist es möglich die Ladungsträgerkonzentration im Graphen in Abhängigkeit von der Gate-Spannung exakt zu beschreiben. - Desweiteren wird gezeigt, warum die Sättigungsgeschwindigkeit, und damit die Ladungsträger-Geschwindigkeit, abhängig von der Konzentration der Ladungsträger ist. Im Anschluss werden die beiden oben genannten Modelle präsentiert und gezeigt wie man mit ihnen reelle Gleichstrom-Kurven, Elemente des Kleinsignal-Signal-Ersatzschaltbildes und die Grenzfrequenz berechnen kann. Im Abschluss werden die Ergebnisse verschiedener Simulationen zur Quantenkapazität, der Gleich- und Wechselstrom-Kennlinien, und Grenzfrequenz vorgestellt und mit experimentellen Daten verglichen.
In-line Verdampfung von Indiumsulfid als Pufferschicht für Dünnschicht CIGS Solarzellen. - 98 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2009
Die Stromerzeugung über Photovoltaik gewinnt zunehmend an Bedeutung. Mit der sogenannten Dünnschichttechnik wird der Weg zu kostengünstigen Solarmodulen aufgemacht. Dünnschichtzellen auf der Basis von Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) werden inzwischen kommerziell gefertigt. Bei heutigen Zellen wird zwischen dem Halbleiter und der Frontelektrode eine Cadmiumsulfid-Pufferschicht durch eine Fällungsreaktion aus wässriger Lösung aufgebracht. - Ziel der Bachelorarbeit war es eine cadmiumfreie Pufferschicht aus der Gasphase herzustellen, die vergleichbare Eigenschaften wie die bisherige Pufferschicht aufweist. Dabei wurde ein bereits auf kleiner Fläche (0,5 cm2) getestetes statisches Verfahren zur Erzeugung von In2S3-Pufferschichten mittels thermischer Verdampfung auf größerer Fläche (30x30 cm2) erfolgreich übertragen, wobei eine produktionsnahe In-line-Laboranlage verwendet wurde. Durch eine detaillierte Analyse der Vorgänge bei der Abscheidung konnten die Eigenschaften der Pufferschicht auf größerer Fläche optimiert werden. Auf dieser Basis wurden komplette CIGS-Module aufgebaut und charakterisiert. Thermisch verdampfte In2S3-Schichten als Puffer in 30x30 cm2 CIGS-Solarmodulen sind in der Literatur bisher nicht beschrieben und wurden somit erstmals in dieser Arbeit realisiert.