Publikationen

Molecular dynamics (MD) simulation is employed for exploring the coordination of atoms in peralkaline BaO-Al2O3-SiO2 glasses of variable Gd3+ doping concentrations between 1 and 3.8 mol% Gd2O3. For this the MD simulation procedure of inherent structure sampling was used which provides statistically robust information on the local atomic surrounding of the doped rare earth ions. Distributions of Si/Al/Ba/Gd cations in the first, second and third coordination spheres are investigated. Special focus is laid on the effect of Gd3+ doping concentration on the local surrounding of the Gd3+ ions, i. e. rare earth clustering, and general glass structure. The simulations show that SiOAl bonds are preferred in comparison to SiOSi and AlOAl connections with respect to the random model predictions. Deviations from a statistical Si/Al distribution around the BaOp and GdOq polyhedra are observed. The network modifier ions are preferably surrounded by other network modifier ions, rather than by network formers. It is shown that the incorporation of Gd does not affect radial distribution functions, cumulative radial distribution function curves and the coordination sphere of Gd for Gd2O3 doping concentrations of up to 3.8 mol%, i.e. no rare earth clustering is observed. However, increasing Gd2O3 concentrations decrease the number of bridging oxygen and increase the number of non-bridging oxygen (NBO) species in the glass structure. Charge compensation of the additional non-bridging oxygen species is achieved by increasing NBO coordination numbers with Ba2+.

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.

Robot polishing is increasingly being used in the production of high-end glass workpieces such as astronomy mirrors, lithography lenses, laser gyroscopes or high-precision coordinate measuring machines. The quality of optical components such as lenses or mirrors can be described by shape errors and surface roughness. Whilst the trend towards sub nanometre level surfaces finishes and features progresses, matching both form and finish coherently in complex parts remains a major challenge. With increasing optic sizes, the stability of the polishing process becomes more and more important. If not empirically known, the optical surface must be measured after each polishing step. One approach is to mount sensors on the polishing head in order to measure process-relevant quantities. On the basis of these data, machine learning algorithms can be applied for surface value prediction. Due to the modification of the polishing head by the installation of sensors and the resulting process influences, the first machine learning model could only make removal predictions with insufficient accuracy. The aim of this work is to show a polishing head optimised for the sensors, which is coupled with a machine learning model in order to predict the material removal and failure of the polishing head during robot polishing. The artificial neural network is developed in the Python programming language using the Keras deep learning library. It starts with a simple network architecture and common training parameters. The model will then be optimised step-by-step using different methods and optimised in different steps. The data collected by a design of experiments with the sensor-integrated glass polishing head are used to train the machine learning model and to validate the results. The neural network achieves a prediction accuracy of the material removal of 99.22%.

Light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) is a powerful method for 3D characterization of fluorescent samples. In this contribution we introduce the technique for the application in material analytics by demonstrating the 3D imaging of Ce 3+ -doped YAG (Y 3 Al 5 O 12 ) crystals isolated in a glass matrix. When excited with short wavelength laser radiation, the Ce 3+ doping enables fluorescence in the wavelength range between about 450 nm and 680 nm. Since the excitation wavelengths of Ce 3+ in the YAG and glass phases of the glass ceramic differ substantially, a suitable laser wavelength can be used to excite only the YAG phase. Thus, an imaging contrast to the surrounding glass matrix is generated. We exploit the crystal dendrites for monitoring the image contrast and improve it by a deconvolution operation of the images. This field of application of LSFM offers great potential, e. g. for fundamental understanding of the microstructuring processes in silicate glasses.

Robot polishing is increasingly being used in the production of high-end glass work pieces such as astronomy mirrors, lithography mirrors, laser gyroscopes or high-precision coordinate measuring machines. The quality of optical components such as lenses or mirrors can be described by shape errors and surface roughness. Whilst the trend towards sub nanometre level surfaces finishes and features progresses, matching both form and finish coherently in complex parts remains a major challenge. With increasing optic sizes, the stability of the polishing process becomes more and more important. Polishing agent nozzles supply the polishing process with sufficient polishing agent and it is assumed that this slurry erosion has an influence on the material removal. To investigate this, a static test set-up was built. The primary aim of this paper is to point out and raise awareness of the problem of slurry erosion in glass polishing and the influence of slurry erosion by conventional polishing nozzles is shown. From an angle of 30˚, the nozzle turns into a fluid jet tool and removes material independently.