Ortsaufgelöste Lumineszenzmessungen an polymeren Solarzellen. - 53 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2008
Solarzellen auf der Basis konjugierter Polymere, kurz polymere Solarzellen, stellen eine preiswerte Alternative und Ergänzung der Photovoltaiktechnologien dar. Gegenwärtig werden für Zellen aus einfachen Mischschichten Wirkungsgrade von bis zu 5% erreicht. Das Auftreten lokaler Defekte und deren Einfluss auf die Funktionalität polymerer Solarzellen blieben bisher ununtersucht, wodurch die Verminderung derartiger Defekte das Potential zur Wirkungsgradsteigerung besitzt. Da außerdem organische Materialien besonders anfällig für chemische Reaktionen mit ihrer Umwelt sind, ist die Stabilität über einen Zeitraum von einigen Monaten bis hin zu Jahren noch ungewiss. Dem liegen Effekte verschiedener Ursachen zu Grunde, deren Gesamtheit als Degradation bezeichnet wird und die für den schleichenden und dauerhaften Verlust der Zellfunktionalität verantwortlich sind. - In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Methode verwendet, die die Beobachtung derartiger Effekte auf der Skala von 10 æm bis 100 æm möglich macht. Diese Messmethode greift an der strahlenden Rekombination von Ladungsträgern, die durch eine angelegte Spannung injiziert werden. Die so erzeugte Lumineszenzstrahlung wird mittels CCD-Kamera detektiert, wodurch die laterale Auflösung des Lumineszenzsignals erreicht wird. - Auf Basis derartiger Messungen konnte erfolgreich der Einfluss von Verunreinigungen auf die Stabilität polymerer Solarzellen, sowie deren Degradationsverhalten untersucht werden. Auch konnte gezeigt werden, dass sich die Methode zur schnellen und zerstörungsfreien Charakterisierung polymerer Solarzellen hinsichtlich ihrer lateralen Beschaffenheit anwenden lässt, womit auch zukünftig die Weiterentwicklung des Herstellungsprozesses gezielt vorangetrieben werden kann.
Rekonstruktion von reflektierenden Freiformflächen mittels phasenmessender Deflektometrie. - 55 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2008
Über optische Messverfahren, wie beispielsweise der Streifenprojektion, gelingt heutzutage eine zuverlässige Rekonstruktion diffus streuender Objektoberflächen. Messgenauigkeiten von wenigen Mikrometern sind Stand der Technik. Bei Objekten mit spiegelnden Oberflächen versagen jedoch diese Messmethoden, denn ein Beobachter nimmt nicht die spiegelnde Oberfläche selbst war, sondern nur deren Wirkung. - Mittels phasenmessender Deflektometrie ist dennoch eine berührungslose Oberflächenmessung möglich. Die primäre Messgröße ist dabei die lokale Neigung. Eine eindeutige Rekonstruktion der Oberfläche ist hingegen ohne Zusatzwissen nicht zu erwarten. Unter Verwendung des Reflexionsgesetzes und mit der Annahme, dass die zu rekonstruierende Oberfläche hinreichend glatt ist, findet man eine Differentialgleichung, deren Lösungsraum unter anderem die gesuchte Oberfläche beinhaltet. Aus der Stereoansicht resultieren schließlich zwei Differentialgleichungen, deren gemeinsame Lösung die wirkliche Oberfläche repräsentiert. - In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie mittels phasenmessender Deflektometrie in Verbindung mit zwei Beobachtungskameras eine präzise Rekonstruktion spiegelnder Freiformflächen sowohl in Simulationsumgebungen als auch unter realen Bedingungen möglich ist.
Untersuchungen zur Prozessstabilität der Vorderseitenkontaktierung von monokristallinen Silizium-Solarzellen mit Hilfe des Siebdrucks. - 68 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einigen Einflussgrößen auf die Vorderseitenkontaktierung von monokristallinen Siliziumsolarzellen mit Hilfe des Siebdrucks. Der Hauptschwerpunkt lag in der Bestimmung der Toleranzen für eine geplante Siebeingangskontrolle, die von vornherein Siebe mit nicht zu tolerierender Fingerbreite sowie Siebdicke reklamiert. Dazu musste zuerst der Einfluss der Druckparameter bestimmt werden. Eine Veränderung der Rakelgeschwindigkeit und des Absprungs in den hier beschriebenen Fällen zeigte keine Änderung der elektrischen Daten. Bei der Rakeldruckänderung auf 83% des Ausgangszustandes konnte hingegen eine drastische Erhöhung des Serienwiderstandes beobachtet werden. Die Gegenüberstellung der Siebdruckanlagen offenbarte keinen signifikanten Einfluss. - Der Vergleich der Siebe von zwei Siebherstellern stellte heraus, dass die Siebe des Siebherstellers B im Schnitt bessere Zellen erzeugten. Dies lag an der höheren waferseitigen Fingerbreite, die breitere und höhere Finger auf den Zellen bewirkte und somit zwar eine höhere Abschattung verursachte, aber gleichzeitig die ohmschen Verluste durch den höheren Fingerquerschnitt minimierte. - Toleranzen für die geplante Siebeingangskontrolle ließen sich auf Grund der großen Standardabweichungen und den kleinen Messwertunterschieden nicht erstellen.
Einfluss der Kompensation auf den Hall-Widerstand von dotiertem Silizium bei tiefen Temperaturen. - 73 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2008
Silizium ist das derzeit am weitesten verbreitete Material zur Herstellung von Solarzellen. Es besteht ein großes Interesse an der Charakterisierung dieses Ausgangsmaterials bezüglich der Qualität und insbesondere von Verunreinigungen bereits vor der Prozessierung der Zellen. Dafür ist ein breites Spektrum an Untersuchungsmethoden bekannt, wobei mit jeder Methode auf verschiedene Parameter des zu untersuchenden Materials geschlossen werden kann. Eine dieser Methoden ist die temperaturabhängige Bestimmung des Hall-Koeffizienten. Dieser ermöglicht bei nicht entarteten Halbleitern Rückschlüsse auf die Ladungsträgerkonzentration. Aus dem Verlauf der Ladungsträgerkonzentration über der Temperatur kann auf die Dotierung und auf die Kompensation geschlossen werden. Weiterhin ist es möglich, die Aktivierungsenergie der Majoritätsladungsträger zu bestimmen. Andererseits ist es möglich, die Ladungsträgerdichte in einem Halbleiter für jede Temperatur zu berechnen. Grundlage hierfür ist das Modell der Bewegung der Ladungsträger mit effektiven Massen in den Bändern der Halbleiter (Effektive Massentheorie). Mit dieser bekannten Ladungsträgerdichte kann der zu erwartende Hall-Koeffizient berechnet werden. Diese Arbeit fasst die theoretischen Grundlagen zur Behandlung flacher Störstellen in nicht entartetem Silizium zusammen und stellt einen Algorithmus vor, wie die temperaturabhängige Ladungsträgerkonzentration berechnet werden kann. Es wird weiterhin gezeigt, wie diese theoretischen Zusammenhänge in der Auswertung experimenteller Daten genutzt werden können.
Theorie und Simulation des Dreipuls-Photonechos. - 96 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Das Dreipuls-Photonecho (3PPE) ist eine Methode der nichtlinearen optischen Spektroskopie, mit der die Dynamik eines elektronischen Systems im Bad (z.B. Farbstoff in Lösung) selbst bei starker inhomogener Verbreiterung untersucht werden kann. Die aus dem 3PPE gewonnene Photonecho-Peakshift (PEPS) ist dafür in besonderer Weise geeignet. Zur angemessenen Interpretation der experimentellen Daten ist ein tief greifendes theoretisches Verständnis von großem Nutzen. Dabei sind besonders auch die realen experimentellen Bedingungen, z.B. die endliche Dauer der das Materialsystem anregenden ultrakurzen Laserpulse zu berücksichtigen. Zur Vertiefung des theoretischen Verständnisses erfolgt zunächst eine umfassende Darstellung der theoretischen Grundlagen des 3PPE. Anschließend werden systematisch die Zusammenhänge zwischen den in das Materialmodell eingehenden Parametern und dem 3PPE-Signal zunächst für die Anregung mit Deltapulsen untersucht. Hierbei kommt der (Phononen-) Spektraldichte des Bades und ihrer Fouriertransformierten, der Bad-Korrelationsfunktion, eine Schlüsselrolle zu. In vorliegender Arbeit wurde (i) das 3PPE für verschiedene Modellspektraldichten berechnet und interpretiert. (ii) Die Proportionalität zwischen PEPS und Bad-Korrelationsfunktion wurde bestätigt. (iii) Der Zusammenhang zwischen der inhomogenen Verbreiterung des elektronischen Systems und dem 3PPE-Signal konnte erstmals schlüssig erklärt werden. Desweiteren wurden Berechnungen für die Anregung mit endlichen Pulsen durchgeführt. Der enorm hohe Rechenaufwand konnte durch hochgradige Parallelisierung mittels "Compute Unified Device Architecture" (CUDA) auf einer NVIDIA-Graphikkarte bewältigt werden. Die berechneten Größen können direkt mit dem Experiment verglichen werden. So findet man beispielsweise für das 3PPE und der PEPS von Nilblau in Methanol gute Übereinstimmung mit experimentellen Daten.
Wachstum und Analyse von Graphen auf verschiedenen Nickeloberflächen. - 131 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Graphen ist eine der vielversprechendsten Entwicklungen der letzten Jahre auf dem Gebiet der Festkörperphysik. Die zweidimensionale Graphitstruktur zeigt einzigartige physikalische und elektronische Eigenschaften, die u.a. einen revolutionären Einsatz auf dem Gebiet der Halbleiterelektronik versprechen. Die kontrollierte Synthese, Isolierung und elektrische Kontaktierung stellen auf dem Weg zu realen Anwendungen das größte Hindernis dar. In dieser Arbeit wurde die Synthese mittels epitaktischem Wachstum auf verschiedenen Nickelsubstratoberflächen untersucht. Der besondere Schwerpunkt der Arbeit liegt in dem Vergleich des Graphitwachstums auf der idealen einkristallinen Ni(111)- und einer realen polykristallinen Nickel-Oberfläche. Die grundsätzlichen Adsorptionseigenschaften und die katalytische Reaktivität der beiden Oberflächen wurden durch Adsorption von Kohlenmonoxid (CO) und Propen (C3H6) charakterisiert. - Hochauflösende-Elektronen-Energie-Verlust-Spektroskopie (HREELS), röntgenstrahlinduzierte Photoelektronenspektroskopie (XPS) und Beugung mit langsamen Elektronen (LEED) ermöglichten die Erfassung der relevanten Unterschiede der Wechselwirkungseigenschaften beider Oberflächen. Durch die Methode des epitaktischen Wachstums wurde auf der Ni(111)-Oberfläche monolagiges Graphen und auf der polykristallinen Oberfläche eine mehrlagige Graphitstruktur identiziert. Die Unterschiede der erzeugten graphitischen Strukturen, die sich insbesondere in der Oberflächen-Phononen-Dispersionsrelation zeigen, wurden dargestellt und diskutiert.
Impedanzspektroskopie an Polymer-Solarzellen. - 77 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Die Impedanzspektroskopie ist eine geeignete Methode, um innere elektrische Eigenschaften von elektrischen Bauelementen, wie zum Beispiel der Polymer-Solarzelle zu bestimmen, da sie nicht invasiv ist und somit das zu untersuchende Bauelement nicht zerstört. Die Impedanzspektroskopie wurde benutzt um Ladungsträgermobilitäten und Aktivierungsenergien von Trapzuständen der P3HT/PCBM-Solarzelle zu quantifizieren. Des weiteren wurde das Phänomen der "Negativen Kapazität" beobachtet. Hierzu wurden ausführliche Untersuchungen gemacht. Es wurde eine Abhängigkeit der Negativen Kapazität von der Vorwärtsspannung, der Austrittsarbeit des Kathodenmaterials und der Temperatur gefunden. Es wurde ein Modell vorgeschlagen, mit dessen Hilfe man die Negative Kapazität in einer P3HT/PCBM-Solarzelle erklären kann. Die beobachteten Abhängigkeiten der Negativen Kapazität unterstützen dieses Modell.
Untersuchung neuer Materialien für Polymer-Solarzellen: Präparation, Charakterisierung und Optimierung. - 105 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Substanzielle Effizienzsteigerungen sind bei Polymer-Solarzellen in erster Linie mit Hilfe von neuen Materialien möglich. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Untersuchung neuer Materialien für die Aktivschicht der Polymer-Solarzellen. Eine ausführliche Optimierung des P3HT:PCBM-Materialsystems [Poly(3-hexylthiophen):Phenyl-[6,6]-C61-butansäuremethylester] wurde zuerst durchgeführt und ermöglichte es darauf, sich neuen Materialsystemen zuzuwenden. Um neue Materialien zukünftig maßgeschneidert für die Verwendung in Polymer Solarzellen entwickeln zu können, wurde eine Vielzahl ähnlicher Fulleren-Derivate untersucht, um letztlich eine Korrelation zwischen den chemischer Struktur und den Solarzellparametern zu finden. - Die Untersuchung neuer Fullerenderivate als Elektronenakzeptoren in Polymer-Solarzellen offenbarte einen Zusammenhang zwischen der Löslichkeit von Fulleren-Molekülen mit der Kurzschlussstromdichte der Solarzellen. Maßgeblich hierbei war die aus der Löslichkeit resultierende Aggregation der Fulleren-Moleküle in Gemischfilmen. Es konnte klar gezeigt werden, dass für eine nanoskalige Phasenseparation und eine Kurzschlussstromdichte größer 8 mA/cm2 in Gemischen mit P3HT, eine minimale Löslichkeit von ca. 25 mg/ml in Chlorbenzol nötig ist. - Neben P3HT [Poly(3-hexylthiophen)] wurde ein weiteres Donator-Polymer (PS51) untersucht, das durch Temperung kristalline Domänen bildet. Für das Polymer PS51 wurde ebenso eine deutliche Korrelation zwischen Tempertemperatur, Polymer-Kristallinität und Solarzellen Effizienz gefunden.
Molekularstrahlepitaxie und Oberflächenanalyse von In-polarem InN. - 91 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem epitaktischen Wachstum von dünnen Indiumnitrid (InN) - Schichten auf Galliumnitrid (GaN) - Substraten mittels plasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie (MBE). Während des Wachstums wurden die Proben mittels RHEED (Beugung energiereicher Elektronen) charakterisiert. Nach dem Wachstum erfolgte in-situ die Bestimmung der chemischen und elektronischen Oberflächeneigenschaften der kontaminationsfreien InN-Proben durch photoelektronenspektroskopische Untersuchungsmethoden (XPS, UPS). Informationen über die Morphologie der Proben lieferte die Rasterkraftmikroskopie (AFM). Einige ausgewählte Proben wurden zusätzlich mittels Röntgenbeugung (XRD) untersucht. In den ersten Kapiteln der Arbeit werden die Grundlagen der einzelnen Charakterisierungsmethoden, sowie die Grundlagen des epitaktischen Wachstums von InN näher erläutert. Außerdem erfolgt eine Beschreibung der Eigenschaften des Materials. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung und Vorpräparation der GaN-Substrate, den Versuchen zur Optimierung der Wachstumsparameter von InN, sowie der Charakterisierung der abgeschiedenen Schichten. Unterschiede zeigten sich vor allem in den morphologischen, sowie elektronischen Eigenschaften, der in den verschiedenen Wachstumsbereichen des InN (indiumreich, stöchiometrisch und stickstoffreich) abgeschiedenen Proben. Optimiert wurde auf das Wachstum im stöchiometrischen Bereich. InN-Schichten, die in diesem Bereich gewachsen wurden zeigten nach dem Wachstum zwei Arten von Oberflächenrekonstruktionen, verbunden mit zusätzlichen Oberflächenzuständen oberhalb des Valenzbandmaximums.
Investigation of 18 O tracer diffusion in yttrium stabilized zirconia via nuclear reaction analysis. - 74 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2008
Weltweit wird an der Verbesserung von Brennstoffzellen hinsichtlich Effizienz, Lebensdauer, Verunreinigungstoleranz und Preis gearbeitet. Verschiedene Industrieteams arbeiten an SOFC Designs und viele Gruppen an Universitäten stellen das Basiswissen über die verschiedenen Komponenten der Brennstoffzelle zur Verfügung. Das Ziel des Projektes an der Montana State Universität ist die Untersuchung des Einflusses der Verunreinigungen, enthalten im Brennstoff und verursacht durch einige Materialien in der Zelle (z.B. der Edelstahl- und Dichtungskomponenten), auf die Leistung der Zelle. Besonders der Sauerstofftransport durch den Elektrolyten ist anfällig für Behinderungen, verursacht durch stabile Oxide der Verunreinigungen. Daher ist die Untersuchung des Sauerstofftransports, mit verschiedenen Verunreinigungen auf der Oberfläche des Elektrolyten, nahe den realen Bedingungen in einer Brennstoffzelle interessant. Das gesamte Experiment wurde im Ionbeams Labor, unter Leitung von Prof. Richard J. Smith, durchgeführt. Dort kann mittels eines 2MV Van de Graff Beschleunigers Rutherford Rückstreuspektroskopie (RBS) und Nuklearreaktionsanalyse (NRA) durchgeführt werden. In meiner Arbeit habe ich eine Anlage für Sauerstoffisotopen-Experimente zur Selbstdiffusion aufgebaut. Als Proben wurde Yttrium stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ), in ein- und polykristalliner Form, verwendet. Es wurden Messungen zur Probenqualität mittels XPS, XRD, SEM und QMS vorgenommen. Mit Hilfe von SIMS und AFM wurden die Basismessungen der Diffusionsprofile für Vergleiche mit den Literaturwerten vorgenommen. Schließlich habe ich die Nutzung von NRA zur Messung der Diffusionsparameter im Hinblick auf die Nutzung für verunreinigte Proben untersucht. Der Vergleich der Messergebnisse nach Aufbau und Test der Versuchsapparatur zeigten, dass die Apparatur wie erwartet funktioniert und Ergebnisse, vergleichbar mit der Literatur liefert. Außerdem konnte der Einfluss der Korngrenzen auf den Transport des 18O Tracer untersucht werden. Erwartete Effekte und theoretische Konzepte konnten nachgewiesen werden. Zusätzlich wurden neue Fragestellungen aufgeworfen, die die Richtung für weitere Experimente mit ein- und polykristallinen Proben vorgeben. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass NRA oder (Tiefensputter) SIMS genutzt werden kann, um die Oberflächenkonzentration des Tracers der Proben zu bestimmen und damit zusätzliche Informationen zu gewinnen, die die Standard-Technik nicht hergibt. Diese Methoden können genutzt werden um die nötigen Veränderungen bei verunreinigten YSZ Proben (z.B. mit CrO oder SiO2) zu messen aber auch bei anderen Materialien. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass dieses Experiment den Grundstein legt um NRA für weitere Untersuchungen im Bereich der Verschmutzungen von Brennstoffzellenmaterialien zu nutzen. Man kann die gewonnen Ergebnisse als Ansatz und Vergleich für weiterführende Messungen benutzen, diese sind teilweise schon in Vorbereitung.