Entwicklung eines Reifegradmodells für cloudbasierte Fernsehproduktionsprozesse. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2023. - X, 205 Seiten, Seite XI-XXXI
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
ISBN 978-3-86360-270-3
Seit einigen Jahren ermöglichen neue Technologien in der Fernsehproduktion dezentrales, paralleles und vor allem schnelleres Arbeiten. Speziell das Potenzial der Cloud-Technologie mit ihren vielfältigen und neuartigen Einsatzmöglichkeiten entlang des Fernsehproduktionsprozesses kann sich jedoch nur entfalten, wenn die zumeist historisch gewachsenen Fernsehproduktionsprozesse an die neuen Möglichkeiten angepasst werden. Das gelingt oft nur mit einer ganzheitlichen Betrachtung der Prozesse. Eine wissenschaftliche Systematik mit erprobten Instrumentarien bietet dazu das Geschäftsprozessmanagement, das mit sogenannten Reifegradmodellen die Prozessreife bewertet und Maßnahmen für eine Optimierung hin zu einer höheren Reifestufe vorschlägt. Eine Situationsanalyse der Literatur tangierter Fachgebiete und der Praxis hat gezeigt, dass die Optimierung von Prozessen im besonders spezifischen Fernsehproduktionskontext nicht ausreichend thematisiert wird. Das Ziel dieser Ausarbeitung ist, diese Forschungslücke zu schließen und ein spezifisches Prozessreifegradmodell für die cloudbasierte Fernsehproduktion zu entwickeln, das bewertet, inwieweit diese Prozesse mit Blick auf die Cloud-Nutzung optimiert sind. Es wird erläutert, welche Potenziale Cloud Computing als Basistechnologie für die Fernsehproduktion bietet und wie die cloudbasierten Prozesse gestaltet sein müssen, damit sie dieses Potenzial ausschöpfen. Schritt für Schritt wird nach dem Bottom-up-Vorgehen von de Bruin et al. das Reifegradmodell hergeleitet, d. h., dass aus den theoretischen Grundlagen der Situationsanalyse und den Erkenntnissen der Fernsehproduktionspraxis heraus, die in verschiedenen empirischen Erhebungen mit Expertinnen und Experten der Fernsehbranche gewonnen werden, die Inhalte des Reifegradmodells von Grund auf erstellt werden. Um die Praxistauglichkeit des entwickelten Modells zu sichern, wird eben dieses abschließend in unterschiedlich organisierten Fernsehsendern evaluiert. Die zielorientierte Evaluation wird formativ durch die Anwendung des Reifegradmodells in drei Fallstudien und summativ durch leitfadengestützte Einzelinterviews durchgeführt. Eine Legitimation des Reifegradmodells sowie Verbesserungspotenziale zur Weiterentwicklung des Modells erfolgen daraus. Das Kernergebnis der Arbeit ist das weiterentwickelte Reifegradmodell für cloudbasierte Fernsehproduktionsprozesse.
Point cloud processing for environmental analysis in Autonomous Driving using Deep Learning. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2023. - xvi, 120, LVI Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023
ISBN 978-3-86360-272-7
Eines der Hauptziele führender Automobilhersteller sind autonome Fahrzeuge. Sie benötigen ein sehr präzises System für die Wahrnehmung der Umgebung, dass für jedes denkbare Szenario überall auf der Welt funktioniert. Daher sind verschiedene Arten von Sensoren im Einsatz, sodass neben Kameras u. a. auch Lidar Sensoren ein wichtiger Bestandteil sind. Die Entwicklung auf diesem Gebiet ist für künftige Anwendungen von höchster Bedeutung, da Lidare eine genauere, von der Umgebungsbeleuchtung unabhängige, Tiefendarstellung bieten. Insbesondere Algorithmen und maschinelle Lernansätze wie Deep Learning, die Rohdaten über Lernzprozesse direkt verarbeiten können, sind aufgrund der großen Reichweite und der dreidimensionalen Auflösung der gemessenen Punktwolken sehr wichtig. Somit hat sich ein weites Forschungsfeld mit vielen Herausforderungen und ungelösten Problemen etabliert. Diese Arbeit zielt darauf ab, dieses Defizit zu verringern und effiziente Algorithmen zur 3D-Objekterkennung zu entwickeln. Sie stellt ein tiefes Neuronales Netzwerk mit spezifischen Schichten und einer neuartigen Fehlerfunktion zur sicheren Lokalisierung und Schätzung der Orientierung von Objekten aus Punktwolken bereit. Zunächst wird ein 3D-Detektor entwickelt, der in nur einem Vorwärtsdurchlauf aus einer Punktwolke alle Objekte detektiert. Anschließend wird dieser Detektor durch die Fusion von komplementären semantischen Merkmalen aus Kamerabildern und einem gemeinsamen probabilistischen Tracking verfeinert, um die Detektionen zu stabilisieren und Ausreißer zu filtern. Im letzten Teil wird ein Konzept für den Einsatz in einem bestehenden Testfahrzeug vorgestellt, das sich auf die halbautomatische Generierung eines geeigneten Datensatzes konzentriert. Hierbei wird eine Auswertung auf Daten von Automotive-Lidaren vorgestellt. Als Alternative zur zielgerichteten künstlichen Datengenerierung wird ein weiteres generatives Neuronales Netzwerk untersucht. Experimente mit den erzeugten anwendungsspezifischen- und Benchmark-Datensätzen zeigen, dass sich die vorgestellten Methoden mit dem Stand der Technik messen können und gleichzeitig auf Effizienz für den Einsatz in selbstfahrenden Autos optimiert sind. Darüber hinaus enthalten sie einen umfangreichen Satz an Evaluierungsmetriken und -ergebnissen, die eine solide Grundlage für die zukünftige Forschung bilden.
Optimierte Ladung von Elektrofahrzeugen als Markow Entscheidungsprozess mittels maschineller Lernalgorithmen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2023. - X, 191 Seiten. - (Ilmenauer Beiträge zur elektrischen Energiesystem-, Geräte- und Anlagentechnik (IBEGA) ; Band 35)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
ISBN 978-3-86360-271-0
Die Elektromobilität mit teils hohen Ladeleistungen ist für den sicheren Betrieb der elektrischen Verteilnetze zukünftig eine Herausforderung. Zur Reduzierung von Überlastungen in der Niederspannung werden daher Steueralgorithmen benötigt, um die Ladeleistung der Fahrzeuge zu steuern. Hierbei ergibt sich allerdings das Problem, dass die Niederspannungsnetze in der Regel messtechnisch nicht überwacht werden und so Eingangsdaten für Steueralgorithmen fehlen. In der Arbeit wird die Kombination von zwei maschinellen Lernalgorithmen untersucht. Die Steuerung der Ladeleistung von Elektrofahrzeugen ist als Markow-Entscheidungsprozess definiert, der mittels dem bestärkten Lernen gelöst wird. Für die Bereitstellung der Eingangsdaten wird ein künstliches neuronales Netz verwendet, das den Zustand eines Niederspannungsnetzes abschätzt. Durch das Zusammenspiel beider Algorithmen können die durch die Ladung von Elektrofahrzeugen ausgelösten Netzüberlastungen reduziert werden.
Klima(wandel)kommunikation : im Spannungsfeld von Wissenschaft, Medien und öffentlicher Meinung. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2023. - 248 Seiten. - (NEU - Nachhaltigkeits-, Energie- und Umweltkommunikation ; Band 8) ISBN 978-3-86360-269-7
Nicht nur die Erforschung des Klimawandels ist komplex, sondern auch die Analyse der Kommunikation über diese Forschung. Kommunikation über den Klimawandel ist nicht nur Wissenschaftskommunikation, sondern schon seit langem mindestens im gleichen Maße politische Kommunikation. Das zeigt sich auch in den Aufsätzen dieses Bandes. Der Band enthält 12 Beiträge zur Klimakommunikation in den verschiedenen Phasen des Kommunikationsprozesses: angefangen mit der Analyse von Veranstaltungskommunikation, über die Betrachtung medialer Kommunikationsinhalte bis hin zur Untersuchung der vielfältigen Reaktionen der Rezipierenden. Schwerpunkte bilden Ansätzen zur Segmentierung der Öffentlichkeit sowie experimentelle Studien, in denen die Wirkung verschiedener Kommunikationsstrategien getestet wird
Machine Learning assisted Digital Twin for event identification in electrical power system. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2023. - XII, 186 Seiten. - (Ilmenauer Beiträge zur elektrischen Energiesystem-, Geräte- und Anlagentechnik (IBEGA) ; Band 34)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
ISBN 978-3-86360-267-3
Die Herausforderungen für den zuverlässigen Betrieb des elektrischen Energiesystems werden mit der Umwandlung der Infrastruktur in Stromnetz von der zentralen Energieversorgung mit fossilen Brennstoffen hin zu der regenerativen Energieeinspeisung stetig zugenommen. Der Ausbau der erneuerbaren Energien im Zuge der klimapolitischen Zielsetzung zur CO²-Reduzierung und des Ausstiegs aus der Kernenergie wird in Deutschland zügig vorangetrieben. Aufgrund der nichtlinearen elektronischen Schaltanlagen werden die aus EE-Anlagen hervorgegangenen Oberschwingungen in das Stromnetz eingebracht, was nicht nur die Komplexität des Stromnetzes erhöht, sondern auch die Stabilität des Systems beeinflusst. Diese Entwicklungen erschweren den stabilen Betrieb, die Verringerung der Ausfälle und das Management der Netzschwankungen im elektrischen Energiesystem. Das Auftauchen von Digital Twin bringt die Gelegenheit zur Behebung dieser Herausforderung. Digital Twin ist ein digitales Informationsmodell, das den Zustand des physikalischen genau abbildet. Es kann nicht nur zur Überwachung der Betriebszustände mit nachvollziehbarem Einsichten über physischen Komponenten sondern auch zur Generierung der Daten durch Simulationen unter der Berücksichtigung der Auslegungsgrenze verwendet werden. Diesbezüglich widmet sich die Arbeit zunächst der Fragestellung, woher das Digital Twin Konzept stammt und wie das Digital Twin für die Optimierung des Stromnetzes eingesetzt wird. Hierfür werden die Perspektiven über die dynamische Zustandsschätzung, die Überwachung des des Betriebszustands, die Erkennung der Anomalien usw. im Stromnetz mit Digital Twin spezifiziert. Dementsprechend wird die Umsetzung dieser Applikationen auf dem Lebenszyklus-Management basiert. Im Rahmen des Lebenszyklusschemas von Digital Twin sind drei wesentliche Verfahren von der Modellierung des Digital Twins zur deren Applizierung erforderlich: Parametrierungsprozess für die Modellierung des Digital Twins, Datengenerierung mit Digital Twin Simulation und Anwendung mit Machine Learning Algorithmus für die Erkennung der Anomalie. Die Validierung der Zuverlässigkeit der Parametrierung für Digital Twin und der Eventserkennung erfolgt mittels numerischer Fallstudien. Dazu werden die Algorithmen für Online und Offline zur Parametrierung des Digital Twins untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wird das auf CIGRÉ basierende Referenznetz zur Abbildung des Digital Twin hinsichtlich der Referenzmessdaten parametriert. So sind neben der Synchronmaschine und Umrichter basierende Einspeisung sowie Erreger und Turbine auch regler von Umrichter für den Parametrierungsprozess berücksichtigt. Nach der Validierung des Digital Twins werden die zahlreichen Simulationen zur Datengenerierung durchgeführt. Jedes Event wird mittels der Daten von Digital Twin mit einem "Fingerprint" erfasst. Das Training des Machine Learning Algorithmus wird dazu mit den simulierten Daten von Digital Twin abgewickelt. Das Erkennungsergebnis wird durch die Fallstudien validiert und bewertet.
Analyse und Entwicklung einer Softwarearchitektur für die intelligente, optische Inspektion. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2023. - ix, 205 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
ISBN 978-3-86360-268-0
Die automatische optische Inspektion ist das wichtigste Werkzeug der Qualitätskontrolle in der modernen Elektronikfertigung. Durch die automatisierte Bildaufnahme und das Ausführen vordefinierter Bildverarbeitungsschritte haben diese Systeme die manuelle optische Inspektion weitestgehend verdrängt. Trotz des großen Maßes an Automatisierung sind menschliche Experten an vielen Schritten der Prüfung unverzichtbar und damit potenzielle Fehlerquellen. In den letzten Jahren wurden zahlreiche Ansätze untersucht, welche einzelne Aspekte der optischen Qualitätssicherung durch die Anwendung von Methoden der künstlichen Intelligenz deutlich verbessern. Für den Wandel der optischen Inspektion hin zu einer verlässlichen und voll autonomen Prüfung wird in dieser Arbeit ein Modell mit fünf Phasen vorgestellt, welches die Entwicklungsschritte auf diesem Weg abbildet. Das neue Modell unterscheidet sich von bisherigen Ansätzen durch einen ganzheitlichen Blick auf die Qualitätskontrolle und die Berücksichtigung aller Prozessschritte. Um die Umsetzung dieses Modells zu tragen, zeigt diese Arbeit ein neues Architekturmuster auf, welches Lösungen auf Basis von künstlicher Intelligenz trainieren und ausführen kann. Durch seine hohe Flexibilität kann die neue Architektur über unterschiedliche Auslieferungen auf einer heterogenen Menge an Systemen angewendet werden und viele unterschiedliche Anwendungen von künstlicher Intelligenz über das Feld der optischen Inspektion hinaus umsetzen. Für die allgemeingültige Beschreibung von KI-Lösungen basiert diese Architektur auf einer Menge an Objekten, welche in dieser Arbeit definiert werden. Eine Umsetzung dieser Architektur wird diskutiert und ihre Anwendbarkeit anhand von drei Experimenten bewiesen. Die Implementierung der beschriebenen Architektur ist unter einer OpenSource-Lizenz veröffentlicht.
Prozessmodell für das Hinterspritzen von Dekorfolien in der In-Mould-Labeling Technik. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2023. - XIV, 207 Seiten. - (Fertigungstechnik - aus den Grundlagen für die Anwendung ; Band 15)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
ISBN 978-3-86360-262-8
Das Folienhinterspritzen ist ein spezielles Spritzgießverfahren zur Dekoration und Funktionalisierung von Kunststoffoberflächen. Dabei wird eine transparente Kunststofffolie bedruckt, verformt und hinterspritzt. Die Vorteile des Verfahrens liegen in der Oberflächenqualität und den zahlreichen Dekorationsmöglichkeiten. Nachteilig sind die hohen Investitionskosten, die sich meist nur durch hohe Stückzahlen und einer Vollauslastung der Maschine rechtfertigen lassen. Ansatzpunkte, die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, liegen in der Reduzierung der Zykluszeiten und der Ausschussraten. Typische Fehlerbilder beim Folienhinterspritzen sind die Auswaschung der aufgedruckten Dekore durch den Hinterspritzvorgang, Gestaltabweichungen wie Verzug und die Ablösung der Folie vom Träger. Der Arbeit liegt die These zugrunde, dass die Formteilqualität auf die Wechselwirkung zwischen thermischen und mechanischen Randbedingungen zurückgeführt werden kann. Basierend auf einer systematischen Verfahrensanalyse und einer analytischen Betrachtung der thermischen und mechanischen Einflussfaktoren, wird ein grundlegendes Prozessverständnis erarbeitet. Dies erfolgt unter Berücksichtigung von Prozess-, Material- und Geometriegrößen. Auswaschungen resultieren aus thermischen und mechanischen Folienbelastungen. Dabei können zwei wesentliche Entstehungsmechanismen abgeleitet werden, die von der Wandschubspannung und den Temperaturen abhängen. Es wird gezeigt, dass die Wirkungsweise von Schmelzetemperatur und Einspritzgeschwindigkeit von der Höhe der Wandschubspannung abhängt. Die Verbundfestigkeit wird anhand von bedruckten und unbedruckten Folien untersucht, wobei sich unterschiedliche Zusammenhänge zeigen. Während bei unbedruckten Folien die Verbundfestigkeit mit der thermischen Energie in der Grenzschicht steigt, liegt der Einfluss der Prozessparameter bei bedruckten Folien im Bereich der doppelten Standardabweichung. Ferner wird in der vorliegenden Arbeit erstmals die Orientierung betrachtet. Dabei zeigt sich ein vom Fließweg abhängiger Orientierungsverlauf sowie eine Abnahme der Orientierung mit den Temperaturen. Analog hierzu nimmt auch der Formteilverzug mit einem steigenden Temperaturniveau ab, da hohe Temperaturen zu einer Reduzierung der Schwindungsdifferenzen zwischen Folie und Träger führen. Abschließend werden die Erkenntnisse in einem qualitativen Prozessmodell zusammengefasst, das die Haupteinflussfaktoren auf die Formteilqualität beinhaltet und eine Prozessoptimierung zulässt.
Beitrag zur Minimierung der Insertionskräfte von Cochlea-Implantat-Elektrodenträgern : Untersuchung gerader, lateral liegender Elektrodenträger sowie deren Funktionalisierung mittels nachgiebiger Aktuatoren. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2023. - 172 Seiten. - (Berichte der Ilmenauer Mechanismentechnik (BIMT) ; Band 8)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
ISBN 978-3-86360-264-2
Sensorineurale Hörstörungen können mit einem Cochlea-Implantat behandelt werden. Der zu implantierende Teil des Cochlea-Implantat-Systems besteht aus Empfängerspule und Elektrodenträger. Der Elektrodenträger wird vom Chirurgen in die Cochlea inseriert, um dort die geschädigten Haarzellen zu ersetzen und die elektrische Stimulation des Hörnervs zu übernehmen. Diese manuelle Insertion des Elektrodenträgers in die Cochlea soll möglichst vorsichtig erfolgen, um keine intra-cochleären Strukturen zu beschädigen sowie post-operative Entzündungen und die iatrogene Ertaubung von Patienten mit Restgehör zu vermeiden, weswegen für diese Herangehensweise der Begriff „Soft Surgery“ geprägt wurde (Lehnhardt (1993), „Intracochlear placement of cochlear implant electrodes in soft surgery technique“). Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Elektrodenträger und dessen Insertionsprozess in die Cochlea. Dazu werden zunächst digitale und anschließend physikalische, planare Modelle der humanen Cochlea erstellt, die die morphologische Variation abbilden. Diese werden anschließend für Insertionsstudien verwendet, welche dazu dienen, die Insertionskräfte während der Insertion zu messen. Es werden Einflussfaktoren auf den Insertionsprozess systematisiert und drei davon anhand von Studien mit eigens hergestellten Labormustern untersucht: Die Geometrie der Cochleamodelle, die Insertionsgeschwindigkeit des Elektrodenträgers und eine Beschichtung des Elektrodenträgers. Die Insertionsstudie in Cochleamodelle unterschiedlicher Größe wird verwendet, um die Abhängigkeit der Insertionskräfte von der Geometrie der Modelle zu analysieren. Der Einfluss der Insertionsgeschwindigkeiten und die Beschichtung des Elektrodenträgers werden mit dem Ziel einer Reduktion der Insertionskräfte untersucht. Abschließend wird ein fluidisch-aktuierter, nachgiebiger Mechanismus zur Funktionalisierung des Elektrodenträgers betrachtet. Zunächst wird ein im spannungsfreien Zustand gerader Mechanismus analysiert. Die Skalierbarkeit des vorgeschlagenen nachgiebigen Mechanismus wird analytisch und numerisch gezeigt. Anschließend liefert die Synthese des fluidmechanischen Aktuators dessen geometrische Maße, um unter Druckbeaufschlagung mit definiertem Druck einer vorgegebenen Form zu entsprechen. Diese Synthese wird angewandt, um die Geometrien eines nachgiebigen Mechanismus für drei unterschiedlich große Formen der Cochlea zu bestimmen.
Verification of automata with storage mechanisms. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2023. - xi, 247 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
ISBN 978-3-86360-265-9
Ein wichtiges Forschungsthema in der Informatik ist die Verifikation, d.h., die Analyse von Systemen bezüglich ihrer Korrektheit. Diese Analyse erfolgt in zwei Schritten: Zuerst müssen wir das System und die gewünschten Eigenschaften formalisieren. Anschließend benötigen wir Algorithmen zum Testen, ob das System die Eigenschaften erfüllt. Oftmals können wir das Systemals endlichen Automaten mit geeignetem Speichermechanismus modellieren, z.B. rekursive Programme sind im Wesentlichen Automaten mit einem Stack. Hier betrachten wir Automaten mit zwei Varianten von Stacks und Queues: 1. Partiell vergessliche Stacks und Queues, welche bestimmte Teile ihrer Inhalte jederzeit vergessen können. Diese können für unzuverlässige Systeme verwendet werden. 2. Verteilte Stacks und Queues, d.h., mehrere Stacks und Queues mit vordefinierter Synchronisierung. Häufig lassen sich die Eigenschaften unserer Modelle mithilfe des (wiederholten) Erreichbarkeitsproblems in unseren Automaten lösen. Dabei ist bekannt, dass die Entscheidbarkeit dieser Probleme oftmals stark vom konkreten Datentyp des Speichers abhängt. Beide Probleme können für Automaten mit einem Stack in Polynomialzeit gelöst werden. Sie sind jedoch unentscheidbar, wenn wir Automaten mit einer Queue oder zwei Stacks betrachten. In bestimmten Spezialfällen sind aber dennoch in der Lage diese Systeme zu verifizieren. So können wir beispielsweise bestimmte Automaten mit mehreren Stacks betrachten - so genannte Asynchrone Kellerautomaten. Diese bestehen aus mehreren (lokalen) Automaten mit jeweils einem Stack. Wann immer diese Automaten etwas in mind. einen Stack schreiben, müssen sie unmittelbar zuvor von diesen Stacks etwas lesen. Das (wiederholte) Erreichbarkeitsproblem ist in asynchronen Kellerautomaten in Polynomialzeit entscheidbar. Wir können zudem das Erreichbarkeitsproblem von Queueautomaten durch Exploration des Konfigurationsraums semi-entscheiden. Hierzu können wir mehrere aufeinanderfolgende Transitionen zu so genannten Meta-Transformationen zusammenfassen und diese in einem Schritt simulieren. Hier betrachten wir Meta-Transformationen, die zwischen dem Lesen und Schreiben von Wörtern aus zwei gegebenen regulären Sprachen alternieren. Diese Meta-Transformationen können in Polynomialzeit ausgeführt werden. Für dieses Ergebnis müssen wir jedoch zunächst verschiedene algebraische Eigenschaften der Queues betrachten.
Novel reactor design and method for atmospheric pressure chemical vapor deposition of micro and nano SiO2-x films in photovoltaic applications. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2022. - 241 Seiten. - (Werkstofftechnik aktuell ; Band 26)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
ISBN 978-3-86360-263-5
In dieser Arbeit wurden ein kostengünstiges Verfahren und eine Anlage zur chemischen Gasphasenabscheidung von SiO2-x-Schichten bei Atmosphärendruck (atmospheric pressure chemical vapor deposition, APCVD) im Labormaßstab entwickelt. Dabei kommt die Hydrolyse von SiCl4 bei Raumtemperatur zum Einsatz. Der Anwendungsschwerpunkt für die SiO2-x-Schichten liegt im Bereich Photovoltaik (PV), speziell kristalline Siliziumsolarzellen. Dort ist die Reduzierung der Herstellungskosten von großer Bedeutung. Im Vergleich zu den bekannten Verfahren für die chemische Gasphasenabscheidung senkt der gewählte Ansatz die Kosten für die SiO2-x-Schichtabscheidung deutlich. Hauptziele der Entwicklungsarbeit waren einfaches Reaktordesign, geringe Sicherheitsmaßnahmen und Wartungszeiten, die Vermeidung von Gasphasenreaktionen und Staubbildung, eine für PV-Anwendungen geeignete Schichtqualität sowie die Möglichkeit, die Abscheideraten in einem weiten Bereich zu variieren. Es wurde ein neuartiger APCVD-Reaktor aus Polycarbonat und thermoplastischen Materialien aufgebaut, mit dem die SiO2-x-Schichten heterogen auf der Substratoberfläche unter Eliminierung von Gasphasenreaktionen synthetisiert werden können. Die Abscheiderate wurde in Abhängigkeit von der Konzentration der Rektanden im Trägergas untersucht. Dank der Entwicklung geeigneter Verdampferkonfigurationen für die Raktenden SiCl4 und H2O können deren Konzentrationen in den inerten Trägergasen vor der Durchmischung in einem Injektor genau eingestellt werden. Die Schlüsselfaktoren für die Kontrolle und Steuerung dieser Konzentrationen sind die Temperaturen und die Volumenströme der Reaktandengase in den Verdampern und im Injektor. Das APCVD-Injektordesign wurde mit Hilfe numerischer Strömungsmechanik optimiert. Für die Simulationen wurde die Software ANSYS verwendet. Als Ergebnis der Optimierung können die SiO2-x-Schichten auf einer Substratfläche von 156 × 156 mm2 gleichmäßig abgeschieden werden. Das ist die derzeitige Standardgröße industriell hergestellter kristalliner Siliziumsolarzellen. Die Design-Studien hatten auch das Ziel, einen Injektor zu entwickeln, der ohne bewegte Teile für eine homogene Durchmischung der Gase sorgt. Das letztendlich geeignete Design wurde aus thermoplastischen Werkstoffen mit Hilfe von 3D-Druck im Schmelzschichtungsverfahren hergestellt. Ferner wurde die Reduzierung der Gasphasen-reaktion in der Nähe des Substrats durch Einstellung des Molverhältnisses der Reaktanden und eine geeignete Führung der Injektorabgase erreicht. Die Kondensation von Reaktanden und die parasitäre Oxidabscheidung auf den Innenflächen des APCVD-Injektors wurden erfolgreich vermieden, ohne dass ein bei Inline-APCVD-Injektoren üblicher Gasvorhang erforderlich ist. Die resultierenden APCVD- SiO2-x-Schichten wurden hinsichtlich ihrer chemischen und optischen Eigenschaften sowie ihrer Zusammensetzung umfassend charakterisiert, um ihre Qualität und Kompatibilität mit PV- und anderen potenziellen Anwendungen zu beurteilen. Dabei zeigte sich, dass die Schichten nahezu stöchiometrisch sind. Deswegen wurde die Bezeichnung SiO2-x anstelle von SiO2 gewählt. Die Abscheiderate wurde in Abhängigkeit von den Volumenströmen, der Substrattemperatur und dem Molverhältnis der Reaktanden untersucht. Die Variation der Substrattemperatur nahe der Raumtemperatur und des Molverhältnisses der Reaktanden führt zu einer großen Bandbreite von Abscheideraten und Materialeigenschaften. Die Hydroxylgehalte in den SiO2-x-Schichten wurden bei verschiedenen Abscheidebedingungen bestimmt. Es wurde gefunden, dass die Kalzinierung für 1 min bei relativ niedrigen Temperaturen kleiner 300 ˚C die Hydroxylgruppen in den abgeschiedenen Filmen deutlich reduziert. Die Nachteile der Kalzinierung bei hohen Temperaturen über 500 ˚C nach der Schichtabscheidung wurden ebenfalls untersucht. Optimierte Werte für das Molverhältnis der Reaktanden, der Substrattemperatur sowie der Kalzinierungstemperatur und -dauer wurden gefunden, um APCVD-SiO2-x-Schichten ohne mikroskopisch kleine Löcher und Risse zu erhalten, so dass sie für die verschiedenen PV-Anwendungen geeignet sind. Verschiedene kostengünstige Prozesse für die Herstellung von kristallinen Silizium-Solarzellen unter Verwendung der APCVD SiO2-x-Schichten wurden entwickelt. So konnten nach einseitiger SiO2-x-Beschichtung und einer 1-minütigen Kalzinierung einkristalline Si-Wafer mit alkalischer Ätzlösung einseitig texturiert werden. Eine weitere Anwendung ist die Verwendung von APCVD SiO2-x als Maske für die lokale galvanische Abscheidung des Vorderseiten-Metallkontakts auf Solarzellen mit Heteroübergang. Dabei wurde eine Ag-Paste in Form eines linienförmigen Kontakts mittels Siebdruck auf das transparente leitfähige Oxid (transparent conducting oxide, TCO) der Solarzellen dünn aufgebracht und nach einer ganzflächigen APCVD SiO2-x-Beschichtung der Solarzell-Vorderseite mit Cu galvanisch verstärkt. In einer anderen Prozesssequenz wurde eine Polymerpaste in Form des späteren linienförmigen Metallkontakts mittels Siebdruck auf das Vorderseiten-TCO der Solarzellen aufgebracht und nach der ganzflächigen Beschichtung mit APCVD-SiO2-x mit Lösungsmittel wieder entfernt. In die entstandenen lokalen Öffnungen der SiO2-x-Maske erfolgte die lokale galvanische Metallabscheidung direkt auf dem TCO. In der letzten untersuchten Anwendung wurden APCVD-SiO2-x-Schichten als Schutz vor parasitärer galvanischer Metallabscheidung auf der Vorderseite von einkristallinen pn-Solarzellen sowie auf der Rückseite von multikristallinen bifazialen pn-Solarzellen untersucht.