Temperatur als Beschleunigungsfaktor der Degradation von Polymersolarzellen. - Ilmenau. - 91 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Seit Beginn des Jahrtausends liegt die Verwendung organischer Verbindungen als photoaktive Materialien im Fokus vieler Forschergruppen weltweit. Dadurch können Solarzellen mithilfe einfacher und kostengünstiger Verfahren auf flexiblen Substraten in einer großen Variation an Farben hergestellt werden. Ihre Effizienz und Stabilität reicht jedoch noch nicht an die der anorganischen Photovoltaik heran. In dieser Arbeit wurden deshalb Polymersolarzellen aus drei verschiedenen Aktivmaterialien (P3HT, PCDTBT und PBDTTT-CT) auf den Einfluss der Temperatur auf ihr Degradationsverhalten hin untersucht. Dabei wurden Proben bei jeweils 45 und 65 ˚C gealtert und Änderungen in Ihrer Funktionalität mithilfe elektrischer Charakterisierungsmethoden und Elektrolumineszenz-Imaging überprüft. Es konnten Beschleunigungsfaktoren für die unterschiedlichen Architekturen bestimmt und Aktivierungsenergien für die zugrundeliegenden Prozesse abgeschätzt werden. Dadurch ist es besser möglich, eine Übertragung der unter Laborbedingungen gewonnenen Lebensdauern auf eine reale Anwendung zu ermöglichen.
Vibrationsanregungen und elektronische Eigenschaften eines molekularen Elektronendonators auf Graphen. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Der molekulare Elektronendonator Dibenzotetraphenylperiflanthen (DBP) wurde auf seine elektronischen Eigenschaften sowie seine Schwingungseigenschaften auf einem Graphen/Ir(111) Substrat untersucht. Organische Moleküle sind besonders für die spätere Applikation in organischen Solarzellen oder organischen Leuchtdioden (OLED) von großer Bedeutung. Mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) und Elektronenenergieverlustspektroskopie (HREELS) wurden die Schwingungsmoden des DBP Moleküls eindeutig identiziert. Dabei war es möglich in der Rastertunnelspektroskopie durch die verringerte Hybridisierung zwischen Molekül und Ir(111)-Substrat, welche durch das dazwischenliegende Graphen erreicht wurde, direkt Signaturen der Schwingungsanregung des niedrigsten unbesetzten (LUMO) und des höchsten besetzten (HOMO) Molekülorbitals in den aufgenommen Spektren zu messen. Die gefundenen Vibrationsmoden wurden mit theoretisch berechneten Schwingungsmoden des DBP Moleküls verglichen. Die Messung wurde über in Inseln zusammengeschlossenen Molekülen sowie Einzelmolekülen durchgeführt, wobei eine Verschiebung des gesamten Spektrums festgestellt wurde.
Entwicklung, Simulation und Untersuchung der Wachstumsparameter neuartiger GaAs-Solarzellenstrukturen. - Ilmenau. - 86 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Struktur der GaAs Solarzelle. Diese III-V Solarzelle hat oft einen p-n-Homoübergang (herkömmliche Struktur). Das Problem dieser Zellenstruktur ist der hohe Anteil der nichtstrahlenden Rekombination in der Nähe des p-n-Übergangs. Durch Simulation mit AFORS-HET werden die herkömmliche GaAs-Solarzelle, die GaAs-Solarzelle mit hinterem p-n-Übergang und die GaAs-Solarzelle mit p-n-Heteroübergang verglichen. Die Zellen wurden mit Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) präpariert. Mithilfe der Kapazität-Spannung-Messung (CV-Messung) wurde die Dotierung jeder Schicht in den Zellen eingestellt. Die Kontrolle der Gitteranpassung der InGaP-Schicht auf dem GaAs-Substrat erfolgte mittels der Röntgenbeugungsmessung (XRD-Messung). Die angefertigten Zellen wurden mit der Strom-Spannung-Messung (I-U- Messung) und Quanteneffizienz-Messung (QE-Messung) charakterisiert und verglichen. Nach der Simulation ist die GaAs-Solarzelle mit p-n-Heteroübergang wegen des großen Kurzschlussstroms, der hohen Quanteneffizienz und des hohen Wirkungsgrads die beste Solarzellenstruktur. Ein möglicher Grund dafür ist die große Bandlücke der InGaP-Schicht, da hier nicht viel Licht absorbiert wird und somit nicht so viele Ladungsträger erzeugt werden können. In dieser Zellenstruktur soll der Anteil der nichtstrahlenden Rekombination in der Nähe des p-n-Übergangs kleiner als bei der herkömmlichen Solarzelle sein. Außerdem werden bei der Solarzelle mit p-n-Heteroübergang der Kurzschlussstrom und die Quanteneffizienz aufgrund der Diffusionslänge der Löcher nicht reduziert, wie es bei der Solarzelle mit hinterem p-n-Übergang der Fall ist. Bezüglich der Charakterisierung der gewachsenen Solarzellen hat die Solarzelle mit hinterem p-n-Übergang trotz des niedrigen Kurzschlussstroms und der geringen Quanteneffizienz eine hohe Leerlaufspannung, einen großen Füllfaktor und einen hohen Wirkungsgrad im Vergleich zu der herkömmlichen Solarzelle. Der niedrige Kurzschlussstrom und die geringe Quanteneffizienz resultieren aus der niedrigen Diffusionslänge der Löcher. Die Reduktion der nichtstrahlenden Rekombination durch diesen Zellentyp, was den Dunkelstrom und den Idealitätsfaktor verringert, ist ein Grund für die hohe Leerlaufspannung und den großen Füllfaktor dieses Zellentyps.
Energieeffiziente Kälteerzeugung mittels passiver Infrarot-Nacht-Kühlung. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
In der vorliegenden Arbeit wurde das Passive Infrarot Nachtkühlung-System (PINC-System), welches am Energy Efficiency Center (EEC) installiert ist, in der Simulationsumgebung TRNSYS abgebildet. Hierbei wurde das PINC-System kombiniert mit einer thermischen Gebäudesimulation. Die Kälteübergabe in den Räumen wurde in der Simulation über Kühldecken realisiert. Das Simulationsmodell konnte anhand realer Monitoringdaten des EEC validiert werden. Die Hauptaufgabe bestand darin, das PINC-System des ECC in TRNSYS als Modell aufzubauen. Das PINC-Modell wurde mit den Monitoring-Daten des Jahres 2015 validiert bzw. überprüft. Aus dem validierten Modell wurde im nächsten Schritt das PINC-System mit einem Gebäude-Modell verbunden. Danach wurde ein Vergleich zwischen dem PINC-System und einer Kältemaschine vollzogen, um das PINC-System exakt bewerten zu können. Anschliessend wurden verschiedene Szenarien definiert und anhand von Simulationen evaluiert. Hierbei wurde entweder eine konventionelle Kühldecke oder eine PCM-Kühldecke im Gebäude verwendet. Die Ergebnisse bestätigten, dass das SEER des PINC-Systems ist effektiver als das SEER der konventionellen Kältemaschine. Andererseits verbraucht die PCM-Kühldecke mehr Energie, als die konventionelle Kühldecke.
Röntgenphotoelektronenspektroskopische Untersuchungen von C1C2Im[Tf2N] und BMP[Tf2N] in Gegenwart von Li[Tf2N]. - Ilmenau. - 52 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Die vorgelegte Bachelorarbeit ist durch das wachsende Interesse in Forschung und Industrie an Ionischen Flüssigkeiten (ILs) motiviert. Aufgrund ihrer umfangreichen und kontrolliert modifizierbaren Eigenschaften sind sie für viele Anwendungsgebiete geeignet. Es wurde untersucht, wie sich die Oberflächeneigenschaften der zwei ILs BMP[Tf2N] und C1C2Im[Tf2N] in Gegenwart von Li[Tf2N], einem Lithiumsalz, verändern. Die Untersuchungen wurden mittels der oberflächenempfindlichen Röntgenphotoelektronenspektroskopie (X-Ray photoelectron spectroscopy, XPS) durchgeführt. XPS bietet zwei sigifikante Vorteile für die Untersuchungen, (1) die Technik ist sehr oberflächenempfindlich und (2) die UHV-Technik der XPS kann aufgrund des niedrigen Dampfdruckes der ILs ohne Probleme durchgeführt werden. Die Konzentration an Li-Salz wurde von 0,5M bis 2,0M in 0,5M-Schritten variiert. Zusätzlich wurde die Unterscheidung der Proben in Luft ausgesetzt und Luft nicht ausgesetzt gemacht. Die Untersuchungen können wie folgt zusammengefasst werden: Neben allen Elementen des [Tf2N]-Anions (Stickstoff, Kohlenstoff, Fluor, Sauerstoff and Schwefel) wird in den Lösungen eine zusätzliche Komponente im Rumpfniveauspektrum von Fluor entdeckt. Hierbei handelt es sich wahrscheinlich um LiF. In allen Proben gibt es eine stärkere Anlagerung von Lithium an der Oberfläche als theoretisch erwartet. Sind die Proben der Luft nicht ausgesetzt, ist die Anzahl an Lithiumspezien an der Oberfläche bei niedrigen Konzentrationen höher als bei den Proben, die der Luft ausgesetzt waren. Bei BMP[Tf2N] ergibt sich ein linearer Anstieg der Lithiumspezien an der Oberfläche in Abhängigkeit der Li[Tf2N]-Konzentration bei Luftkontakt. Im Gegensatz dazu ist bei C1C2Im[Tf2N] eine Tendenz zur Sättigung bei steigender Li[Tf2N]-Konzentration zu beobachten. Bei C1C2Im[Tf2N] wurde eine höhere Anzahl an Lithiumspezien an der Oberfläche detektiert als bei BMP[Tf2N].
Welches sind die technisch und wirtschaftlich realisierbaren Potentiale für die Nutzung von Großflächen-Solarthermie in mehrgeschossigen Systembauten und unter welchen Randbedingungen können diese umgesetzt werden?. - Ilmenau. - 116 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Um den Klimawandel entgegenzuwirken ist es notwendig den Treibhausgasanstieg in der Atmosphäre entgegenzuwirken. Dies kann nur mithilfe des Einsatzes erneuerbarer Energien gelingen. Bekannte Techniken sind Photovoltaik, Solarthermie, Wind- und Wasserkraft. Da die Wärmeenergie einen großen Anteil an der genutzten Gesamtenergie hat, muss auch in dem Wärmeenergiesektor eine Energiewende gelingen. In der Masterarbeit werden verschiedene Techniken zur Wärmebereitstellung in Großwohnungsbauten anhand technischer, energetischer und wirtschaftlicher Daten miteinander verglichen. Ziel ist es Potentiale an einen oder mehreren Gebäuden aufzuzeigen. Erreicht wird dieses Ziel durch ein extra entwickeltes Berechnungswerkzeug, dass verschiedene Gebäude zu einen Energiesystem zusammenfasst. Mit diesem Hilfsmittel können nicht nur Experten mögliche Potentiale an ihren Gebäuden bestimmen und verschiedene Techniken miteinander vergleichen. Die Masterarbeit zeigt Rahmenbedingungen auf unter denen sich ein sehr effizienter Einsatz der verschiedenen Techniken ergibt.
Wachstum und Charakterisierung von ternären III-V Nanodrahtstrukturen. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Im Fokus dieser Arbeit steht das Wachsen von ternären III-V Halbleiternanodrähten mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) über den vapor-liquid-solid (VLS)-Wachstumsmodus. Die Verbindungshalbleiter Galliumphosphidnidrid (GaPN) und Galliumarsenidphosphid (GaAsP) wurden auf Galliumphosphid (GaP(111)B) Substraten gewachsen und durch Variation der Wachstumsparameter sowie Wachstumssequenzen optimiert. Es erfolgte die Charakterisierung der Morphologie; der Kristallstruktur und der chemischen Zusammensetzung der Nanodrahtproben. Die hierfür verwendeten Untersuchungsmethoden waren die Rasterelektronenmikroskopie (REM), die Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX), die Röntgenbeugung (XRD) und die Raman-Spektroskopie. Die GaPN-Nanodrähte (NWs) wurden bei Temperaturen zwischen 500 ˚C und 550 ˚C und einem UDMH:TBP Präkursorverhältnis von 0:1 bis 9:1 gewachsen. Der Gruppe III-Präkursor stellte TMGa dar. Es konnten GaPN NWs über den VLS Wachstumsmodus gewachsen werden. Bei einem UDMH:TBP Präkursorverhältnis von 1:1 und 3:1 und einer NW-Wachstumstemperatur von 500 ˚C und 525 ˚C haben die NWs die besten morphologischen Eigenschaften: alle Nanodrähte stehen senkrecht zur Substratoberfläche in [111] Richtung und sind kaum getapert. Der Einbau von Stickstoff über den VLS Modus konnte mittels Ramanspektroskopie nachgewiesen werden. Jedoch scheint es, dass sich nur ein geringer Teil (≤ 0,24 %) auf Gruppe-V-Plätze einbaut und es zur Bildung von N-Clustern kommt. Der Präkursor UDMH fördert die axiale Wachstumsrate und hemmt die radiale Wachstumsrate der NWs. GaAsP-NWs wurden erfolgreich gewachsen. Der Phosphor zu Arsenanteil im Kristallgitter kann durch Variation des TBP:TBA Verhältnisses oder durch Variation der NW-Wachstumstemperatur eingestellt werden. Ihre morphologischen und strukturellen Eigenschaften können durch Anpassung der Präkursorflüsse, durch Veränderung der Ankeimtemperatur und -zeit, über den NW-Durchmesser, Beeinflussung der Heterogrenzflächen und nicht zuletzt der NW-Wachstumstemperatur gesteuert werden. Die GaAsP-NWs wuchsen erfolgreich bei TBP:TBA Verhältnissen von 0:1 bis 1:0 und bei einer NW-Wachstumstemperatur von 450 ˚C. Durch die XRD-Messungen konnte ein Polytypismus, die Ausbildung von Zinkblende- und Wurtzitphasen, der NWs festgestellt werden. Es wurde der Einbau von Phosphor in Abhängigkeit vom TBP:TBA Verhältnis untersucht. Es zeigt sich ein stark nichtlineares Verhalten, wobei der Einbau von Phosphor deutlich weniger effizient ist als der des Arsens. Darüber hinaus ist der Phosphoreinbau für 100 nm Au-Partikel weniger effizient als der für 50 nm Au-Partikel. Werden die gesamten Präkursorflüsse (TMGa, TBP und TPA) um das 1,5 bis 8-fache der Ausgangsflüsse erhört, so wird ein Rückgang des NW-Taperings und ein Anstieg der NW-Länge beobachtet. Durch eine Reduktion der Ankeimtemperatur von 600 ˚C auf 550 ˚C (mit gleichzeitiger Erhöhung der Ausheizzeit), lassen sich die parasitär gewachsene NWs stark reduzieren. Das Versetzen der Heterogrenzfläche in den NW, durch das Wachsen eines GaP-Sockels, verhindert das planare NW-Wachstum fast völlig. Eine Erhöhung des NW-Durchmessers führt zur Reduktion an Wurtzitphasen im NW. Zum Schluss gelang das Wachsen der NWs auf GaP/Silizium Quasisubstraten.
Untersuchung der Generationskinetik von thermischen Donatoren in Silizium mit Fouriertransform-Infrarotspektroskopie. - Ilmenau. - 44 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Das Ziel der Arbeit war, die Generationskinetik von thermisch erzeugten Donatoren in sauerstoffreichem Silizium genauer zu beleuchten und mit Hilfe der Fouriertransform-Infrarotspektroskopie sowie von Vierspitzenmessungen bisherige Untersuchungen zu vertiefen und zu verifizieren. Die Infrarotspektroskopie hat sich als geeignete Untersuchungsmethode gezeigt, um die Ionisationsenergien von flachen Donatoren für die hier verwendeten dicken Proben zu überprüfen, die weitere Forschergruppen gemessen haben. Die Befunde über die Generationskinetik der thermischen Doppeldonatoren, die in dieser Arbeit gefunden wurden, decken sich in einigen Punkten, mit denen, die andere Forschergruppen gemessen und postuliert haben. Allerdings wurden auch Unterschiede festgestellt. Die wichtigsten bestätigten Ergebnisse sind, dass die optimale Generationstemperatur, bei der die höchste Formierungsrate der thermischen Doppeldonatoren beobachtet wird, bei 450˚C liegt. Außerdem wurde die Auffassung bestätigt, dass die thermischen Defekte zweifach ionisierbare Sauerstoffkomplexe sind, die unter andauernder Temperaturbehandlung weiteren Sauerstoff anlagern und sich dadurch vergrößern. Abhängigkeiten der Generation von der Sauerstoffkonzentration konnten nur insofern bestätigt werden, als dass Proben verwendet wurden, die die erforderlich hohe Konzentrationen an Sauerstoff enthielten, welche sich in Untersuchungen anderen Forschergruppen als notwendig gezeigt hatte. Die Verwendung bordotierter Proben machte es außerdem möglich, die Kompensation von Defektelektronen durch die Generation der thermischen Doppeldonatoren zu messen und damit ebenfalls vergleichbare Berichte früherer Untersuchungen nachzuvollziehen. Die Frage, die sich zu Beginn der Arbeit stellte, war, ob sich thermische Doppeldonatoren eignen, die Lebensdauer von Siliziumbasierten Strahlungsdetektoren zu verlängern. Die gezielte Veränderung der Leitfähigkeit von Wafermaterialien aus Silizium (und Germanium) mit Hilfe der Generation thermischer Defekte wird schon länger in der Halbleiterindustrie angewandt und ist gut erprobt. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen liefern eine Grundlage für Defekt-Engineering, um die Generationskinetik thermischer Defekte und deren Eignung für die Lebensdauerverlängerung von Strahlungsdetektoren, zu prüfen.
Magnetic molecules on a superconductor surface : changes in the Bardeen-Cooper-Schrieffer energy gap. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Anhand von adsorbierten Mangan(II)-Phthalocyanine (MnPc) auf einer Pb(111)-Oberfläche, wird das Wechselspiel zwischen Supraleitung und Magnetismus mit einem Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskope auf der atomaren Skala untersucht. Das MnPc-Molekül behält nach der Adsorption sein magnetisches Moment, welches lokal die supraleitende Kohärenz stört und Cooper-Paarung schwächt. Als Resultat dieser Koppelung treten sogenannten Yu-Shiba-Rusinov-Zuständen (YSR-Zustände) innerhalb der Energielücke auf. Da die MnPc-Inseln in einer nahezu inkommensurablen Überstruktur wachsen, ist die Austauschwechselwirkung jedes einzelnen Moleküls mit der Oberfläche anders, wodurch sich auch die Signaturen der YSR-Zustände in den Spektren des differentiellen Leitwerts (dI/dV) unterscheiden. In dieser Arbeit wird der Einfluss der YSR Zustände auf essentielle Transportmechanismen experimentell untersucht, sowohl im Tunnelbereich als auch im Kontakt. Besonderes Augenmerk wird auf Änderungen innerhalb der Energielücke in Folge von Andreev-Reflexionen gelegt.
NMR-Untersuchungen der Relaxationszeiten von Maltenen in Anwesenheit von Asphaltenen. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Das Ziel der Bachelorarbeit ist die Untersuchung des Einflusses von verschiedenen Asphalten-Konzentrationen und -Arten auf die Relaxationszeiten von kleinen Molekülen, sogenannten Maltenen. Hierzu wurden verschiedene asphaltenhaltige Lösungen angesetzt, welche anschließend mit der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) untersucht wurden, um die Relaxationszeiten der Maltene zu bestimmen. Es wurde eine Abhängigkeit der Relaxationszeiten von der Asphalten-Konzentration gefunden. Des Weiteren ist der Einfluss des Asphaltens auf die Relaxationszeiten der Maltene für fluorierte Moleküle deutlich stärker ausgeprägt, als für protonierte Moleküle. Dieser Effekt nimmt mit der Größe, nicht jedoch mit der Aromatizität, der untersuchten Maltene zu. Es konnte kein Einfluss der Elektronenkonzentration der Lösung auf die Relaxationszeiten festgestellt werden.