Untersuchung der Absorption unterhalb der Bandkante von Polymer-Fulleren-Schichten. - 93 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2011
Die Bestimmung der Zustände innerhalb der Bandkante von Polymer/Fulleren Solarzellen (P3HT/PCBM) ist für die Erforschung der zu Grunde liegenden Prozesse der Absorption, Exzitonentrennung und des Ladungsträgertransports von großer Bedeutung. Insbesondere Trap-Zustände und Chargetransfer-Übergänge geben einen tieferen Einblick. Um die typischerweise sehr kleine Absorption unterhalb der Bandkante untersuchen zu können, wurde die photothermische Ablenkungsspektroskopie in Verbindung mit ellipsometrischen Messungen an der TU Ilmenau etabliert. Zusätzlich lieferten noch hoch auflösende EQE-Messungen Anhaltspunkte über die Zustände, welche Zustände in der Bandlücke zum Photostrom beitragen. Nach Grundlegenden Messungen der Mischschichten aus P3HT und PCBM wurde die Absorption in der Bandlücke mittels verschiedener Additive gezielt variiert und ausgewertet.
Der Einfluß von reaktiv DC gesputtertem aluminiumdotierten ZnO auf die Grenzflächeneigenschaften in ZnO:Al/a-Si:H/c-Si-Solarzellstrukturen. - 85 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Amorph/kristalline (a-Si:H/c-Si) Heteroübergang-Solarzellen besitzen das Potential eines sehr hohen Umwandlungswirkungsgrads. Das Passiviervermögen der a-Si:H/c-Si-Grenzfläche hat dabei entscheidenden Einfluß. Aber das Zellkonzept bedingt die Deposition einer transparenten und leitfähigen Oxidschicht (z.B. ZnO:Al) auf den Emitter. Das Ziel dieser Arbeit ist den Einfluß der ZnO:Al Deposition mittels reaktivem DC Magnetron Sputtern auf die a-Si:H/c-Si Grenzflächeneigenschaften zu untersuchen. Dazu gehören die Betrachtung der Passiviereigenschaften und der Elektrostatik. Es wurde Probenserie verschiedener intrinsischer a-Si:H Schichten präpariert und die a-Si:H(i)/c-Si(p)-Grenflächenpassivierung kontaktlos und zerstörungsfrei vor und nach dem Sputterprozess mittels sehr empfindlicher elektrischer Methoden gemessen. Eine a-Si:H(i)/c-Si(p) Grenzflächenschädigung bei geringen a-Si:H(i)-Schichtdicken konnte beobachtet werden. Der Grund ist die Formation von negativen Sauerstoffionen im Sputterplasma, welche auf das a-Si:H(i)/c-Si(p)-Substrat mit hoher kinetischer Energie auftreffen. Die Implantationstiefe bzw. dei kritische a-Si:H(i)-Schichtdicke wurden mittels Monte-Carlo-Simulation bestätigt.
Elektronenspektroskopische Untersuchungen an mit Wasserstoff interkaliertem Graphen auf 6H-SiC(0001). - 118 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
Die vorliegende Arbeit vergleicht die stark gekoppelten Phonon-Plasmon-Moden von Graphen und mit Wasserstoff interkaliertem Monolagen-Graphen, welches epitaktisch auf dem Substrat 6H-SiC(0001) gewachsen wurde. Die Dispersion dieser Moden wurde mithilfe eines einfachen dielektrischen Modells simuliert. Der quasi-freistehende Charakter des mit Wasserstoff interkaliertem Graphens konnte bestätigt werden. Aus dem Modell können essentielle Größen des Graphens wie die Ladungsträgerdichte, die effektive Masse und die Ladungsträgerbeweglichkeit abgeleitet werden, welche wichtig sind für technologische Anwendungen wie Hochfrequenztransistoren. Weiterhin deutet das Vorhandensein von Silizium-Wasserstoff und Kohlenstoff-Wasserstoff Streck- und Biegeschwingungen nicht nur auf eine Absättigung der freien Siliziumbindungen an der Granzfläche hin wie es bisher in der Literatur berichtet wurde.
Struktur-Eigenschafts-Zusammenhang von Anthracen-haltigen PPE-PPV-Copolymeren mit systematisch variierter Seitenkettenstruktur in Polymer-Solarzellen. - 63 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Durch den steigenden Energiehunger der Menschheit und die fortschreitende Verbreitung von mobilen elektrischen Anwendungen steht die Polymere Solarzelle seit einigen Jahren im Interesse der Forschung. Sie verspricht gegenüber der anorganischen Solarzelle Vorteile bei Gewicht, Dicke, Kombination mit flexiblen Substraten und deutlich geringe Herstellungskosten. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der systematisch variierten Seitenkettensubstitution an der der Hauptkette eines PPE(Poly(Phenylen-Ethinylen))-PPV(Poly(Phenylen-Vinylen) -Copolymers. Es konnte gezeigt werden, dass die Seitenkettensubstitution von konjugierten Polymeren einen großen Einfluss auf ihre strukturellen und optoelektronischen Eigenschaften hat. So führten lineare Seitenketten an der Anthracen-haltigen Phenylen-Vinylen-Gruppe zu einer größeren Ordnung der sekundären und tertiären Polymerstruktur im Vergleich zu verzweigten Seitenketten. Diese Ordnung konnte mit Hilfe von Röntgenstrukturanalyse an Polymerpuvler und des Absorptionsspektrums sowie der Oberflächenmorphologie von Polymerfilmen nachgewiesen werden, und hatte gleichzeitig auch einen deutlichen Einfluss auf die photovoltaischen Eigenschaften. So wurde in dieser Arbeit klar dargestellt, dass diese Ordnung zu größeren Photoströmen und Füllfaktoren führt. Das von Dr. Daniel Egbe neue Konzept eines statistisch substituierten Polymers führte interessanterweise unter allen betrachteten Polymeren dieser Familie zur Ausbildung der höchsten Kristallinität. Mit diesem Polymer konnte eine Solarzelle mit 3.8% Wirkungsgrad realisiert werden, was nach derzeitigem Kenntnisstand die bisher höchste Effizienz einer PPV-basierten Polymer-Solarzelle darstellt. Zusätzlich zum Einfluss der Seitenketten auf die Morphologie bzw. Ordnung der Polymere, konnte ein Zusammenhang zwischen der Seitenkettenlänge und der erreichten offenen Klemmenspannung in einer bulk-heterojunction Solarzelle erneut verifiziert werden. Die erzielte Photospannung verhielt sich anti-proportional zu der Seitenkettenlänge am PPE-PPV-Copolymer. Somit konnten im Rahmen dieser Arbeit verschiedene eindeutige Struktur-Eigenschafts-Zusammenhänge zwischen der chemischen Struktur der Polymere - hier insbesondere der Struktur der Seitenketten - und der optischen, strukturellen und morphologischen Eigenschaften von photoaktiven Schichten in Solarzellen nachgewiesen werden. Diese Erkenntnisse können in Zukunft für die noch gezieltere synthetische Einstellung von Polymereigenschaften von weiterentwickelten Polymeren für die Anwendung in Solarzellen genutzt werden
Lokale Laserablation von Siliziumnitrid auf kristallinen Silizium-Solarwafern und Erzeugung eines Nickel-Seedlayers. - 95 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
In dieser Arbeit wurde mit Ultrakurzpuls-Laser mit unterschiedlichen Laserparametern die Siliziumnitrid-Antireflexionsschicht (a-SiNx:H) von texturierten, damage-geätzten und polierten Siliziumsolarwafern lokal in Form von Teststrukturen geöffnet. Anschließend wurde ein Nickel-Seedlayer erzeugt. Dafür wurden zwei außenstromlos-arbeitende Bäder verglichen. Zur Kontaktformierung wurde in einem weiteren Prozessschritt bei unterschiedlichen Temperaturen in einem Ofen ein Nickelsilizid ausgebildet. Aus Demonstrationszwecken wurde auf dem getemperten Nickel-Seedlayer galvanisch Kupfer und Zinn abgeschieden. Die Schwerpunkte der Arbeit lagen in einer Optimierung der Laser- (Fluenz, Repetitionsfrequenz, Fokus, Strahl-Aufweitung), Nickelabscheide- (Zeit, Temperatur, pH-Wert, Stabilisatorgehalt, Dekapierung) und Temperparameter (Temperatur, Zeit). Hierbei sollten die Laserparameter so eingestellt werden, dass eine möglichst schädigungsfreie Ablation der Siliziumnitrid-Antireflexionsschicht für das unterliegende Substrat mit einem hochdotierten Emitter möglich ist. Die Badparameter und die Vorbehandlungsschritte sollten so angepasst werden, dass mit einer hohen Abscheidungsgeschwindigkeit eine reproduzierbare homogene Nickelschicht mit geringen Leitungswiderständen abgeschieden werden konnte. Bei den Temperparametern sollte ein möglichst geringer Kontaktwiderstand erzeugt werden, bei dem der Emitter nicht geschädigt werden sollte
Herstellung und Charakterisierung transparent leitfähiger ZnO:Al-Schichten auf PET und deren Co-Dotierung mit Indium. - 73 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
Transparent leitfähige Oxide finden vor allem in der Optoelektronik vermehrt Anwendung und verbreiten sich spätestens seit der Entwicklung von LCD-Flachbildschirmen weltweit. Dabei wird heutzutage aufgrund der exzellenten elektrischen Eigenschaften vor allem zinndotiertes Indiumoxid (ITO) eingesetzt. Wegen der begrenzten Verfügbarkeit des Metalls Indium wird jedoch seit einiger Zeit an aluminiumdotiertem Zinkoxid (ZnO:Al) als Alternativmaterial geforscht. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde dotiertes Zinkoxid mit Hilfe eines reaktiven Sputterprozesses in einer Rolle-zu-Rolle Laborbeschichtungsanlage am Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik in Dresden auf PET-Folie abgeschieden. Dabei wurden zwei Themenkomplexe bearbeitet: Zunächst wurde die Schichtabscheidung von ZnO:Al vor allem hinsichtlich Sauerstofffluss, Druck, Leistung und Schichtdicke optimiert, wobei die optischen und elektronischen Eigenschaften im Fokus der Betrachtungen standen. Es konnte unter anderem nachgewiesen werden, dass vor allem bezüglich des Sauerstoffflusses nur ein sehr enges Prozessfenster zu Verfügung steht. In einem zweiten Versuchskomplex wurde das System zusätzlich mit Indium codotiert, um eine weitere Verbesserung der elektronischen Eigenschaften zu erreichen. Dabei wurde ein Rückgang der Streuung an den Korngrenzen mit steigendem Indiumgehalt festgestellt, jedoch ergab sich keine Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit um eine gesamte Größenordnung, wie es nach Kirby und van Dover (Thin Solid Films 517, 1958 (2009)) zu erwarten war. Insgesamt wurden durch ein anwendungsnahes Rolle-zu-Rolle-Verfahren Schichten mit einem spezifischen Widerstand von 2,8 x 10-3 Ohm cm und einer Transparenz von 80,2 % abgeschieden. Diese Schichteigenschaften sind mit bereits veröffentlichten Werten aus stationären Laborbeschichtungen vergleichbar und verdeutlichen das Potenzial von ZnO:Al auf polymeren Substraten.
Aufbau und Charakterisierung eines STED-Mikroskopes. - 60 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
Die Fernfeldmikroskopie ist die einzige optische Methode, die eine Abbildung lebender Organismen in ihrer natürlichen Umgebung ermöglicht. Dabei können mit spezifischen Fluoreszenzfarbstoffen bestimmte biologische Strukturen markiert werden. Die erzielbare Auflösung ist aber physikalisch begrenzt durch die Beugung des Lichtes an der Objektivöffnung und beträgt in lateraler Richtung etwa ein Drittel der Wellenlänge. Durch stimulierte Emission mit zum Anregungslicht rotverschobenem Licht können Fluoreszenzfarbstoffe lokal abgeregt werden (Stimulated Emission Depletion, STED), womit das Beugungslimit fundamental überwunden wird. In der vorliegenden Arbeit wurde ein solches STED-Mikroskop aufgebaut und charakterisiert. Dabei wurde der Aufbau im Vergleich zu bisher realisierten Experimenten in zwei Punkten wesentlich modifiziert: Zur Erzeugung der kurzen Laserpulse in zwei Wellenlängen (eine für die Anregung und eine für die Abregung der Fluoreszenzmoleküle) kam statt des häufig verwendeten Titan-Saphir-Lasers ein modengekoppeltes Faserlasersystem zum Einsatz. Für eine effiziente Abregung müssen die rotverschobenen Pulse zeitlich auf eine Länge von etwa 200 ps zeitlich gedehnt werden. Dafür wurde erstmals in einem STED-Mikroskop ein gechirpter Spiegel verwendet. Der Aufbau zeichnet sich insgesamt durch eine größere Stabilität, einfachere Justage und geringere Betriebs- und Anschaffungskosten aus. Zur Charakterisierung des STED-Mikroskops hinsichtlich der erzielbaren Auflösung wurden Nano-Kristalle eines rot emittierenden Fluoreszenzfarbstoffes verwendet. Damit konnte eine Auflösung von 100 nm in lateraler Richtung sowie 190 nm in Richtung der optischen Achse demonstriert werden, was eine Verbesserung um dem Faktor zwei gegenüber dem beugungsbegrenzten Mikroskop bedeutet.
Gallium implantiertes Silizium mit metallischer Leitfähigkeit. - 69 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
Für komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Bauelemente müssen Halbleiterschichten mit niedrigen Widerständen hergestellt werden. Die dafür notwendigen Dotierkonzentrationen liegen oberhalb des Metall-Isolator-Übergangs. Die Supraleitfähigkeit hochdotierter Halbleiter ist ebenfalls von zunehmendem Interesse. Über das Verhalten von Gallium dotiertem Silizium ist jedoch nur wenig bekannt. Es wurden mit hohen Galliumdosen durch eine SiO2 Schutzschicht implantierte Siliziumproben untersucht. Die Struktur der dünnen Schichten und die Umverteilung des Galliums nach Kurzzeitausheilung wurde mit Rutherford Rückstreuspektrometrie und Transmissionselektronenmikroskopie analysiert. Abhängig von der Ausheiltemperatur kommt es zur Polykristallisation oder Festphasenepitaxie. Tieftemperatur Hall-Messungen (T > 2 K) dienen der elektrischen Charakterisierung und dem Nachweis von metallischem Widerstandsverhalten.
One-dimensional hopping transport with nearest-neighbor interactions. - 60 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2010
Im thermischen Gleichgewicht ist die Wahrscheinlichkeit, ein System in einem bestimmten Zustand vorzufinden, durch die Gibbs-Boltzmann-Verteilung gegeben. Allerdings ist dieser Fall in der Natur eher die Ausnahme. Insbesondere sind alle lebenden Organismen angetrieben oder äußeren Triebkräften ausgesetzt. Die statistischen Ensembles des Gleichgewichts sind diesbezüglich nicht mehr anwendbar. Um physikalische Eigenschaften von komplexen Systemen fernab vom thermischen Gleichgewicht zu studieren, wird im großen Maße auf einfache Modellsysteme, wie getriebene Gittergase, zurückgegriffen. Speziell für eindimensionale Gittergase mit Hard-Core-Wechselwirkungen existiert eine Vielzahl analytischer Lösungsmethoden, die zu exakten Resultaten führen. Jedoch versagen diese Verfahren bei der Einführung von zusätzlichen Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungen. - In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie mittels klassischer Dichtefunktionaltheorie (DFT) und der Idee des lokalen Gleichgewichts dennoch eine Analyse jener Systeme möglich ist. Hierbei werden Nichtgleichgewichtszustände durch Gleichgewichtsverteilungen approximativ beschrieben und auftretende Dichtekorrelationen werden im Sinne der DFT als reine Funktionen von Einteilchendichten ausgedrückt. Dadurch sind makroskopische Größen, wie Ströme, analytisch beschreibbar und lösbare kinetische Gleichungen können aus der entsprechenden Mastergleichung abgeleitet werden. Ausgehend von den Resultaten der DFT ist durch die Erweiterung zur zeitabhängigen Theorie (TDFT) auch die Charakterisierung dynamischer Prozesse, wie die zeitliche Entwicklung von Dichteprofilen, möglich. Die Ergebnisse der TDFT werden mit kinetischen Monte Carlo Simulationen evaluiert. Sowohl die Stromanalyse als auch die Untersuchung der Dichteprofile lassen hierbei eine sehr gute quantitative Übereinstimmung zwischen Theorie und numerischen Experimenten erkennen.
Compact wavelength shift detector for optical sensor read-out. - 60 S. Ilmenau : Techn. Univ., Diplomarbeit, 2010
Die vorliegende Diplomarbeit ist in zwei wesentliche Aufgaben unterteilt. Die erste Aufgabe besteht darin das Konzept eines Detektors für Wellenlängenveränderung, erfunden von PARC (Palo Alto Research Center in Kalifornien/USA), auf den nahen Infrarot Bereich bei 1550nm anzupassen und einen Laboraufbau zu realisieren. Im zweiten Teil wird die Entwicklung eines speziellen Prototyps beschrieben, welcher eine Wellenlängenauflösung kleiner eines Picometers über einen Wellenlängenbereich von 5nm hat. Für den Laboraufbau werden zu erst drei verschiedene handelsübliche linear ortsabhängige Transmissionsfilter charakterisiert und gegenübergestellt, wobei ein Filter für die späteren Messungen selektiert wird. Zur Simulation des Detektors ist ein Programm in Matlab 6.5 programmiert worden, welches den Einfluss der geometrischen Parameter des Detektors auf seine Funktionsweise verständlich macht. Darüber hinaus wird das Programm für die Optimierung des Filters zur Anpassung an den speziellen Wellenlängenbereich des Prototyps genutzt. Das Simulationsprogramm wird mit verschiedenen Umsetzungen des Detektors im Laboraufbau validiert. Für die eigentliche Messung von Wellenlängenänderungen wird ein Faser-Bragg-Gitter-Sensor ausgelesen, wobei eine Änderung von ˜30fm messbar ist. Zur Entwicklung des Prototyps ist ein spezieller Filter nach der Optimierung des Simulationsprogramms angefertigt worden. Die Auswahl aller weiteren Komponenten und die gegenseitige Anordnung sowie Justierung für die Herstellung wird beschrieben. Zuletzt wird der Prototyp charakterisiert und mit den gewünschten Spezifikationen verglichen, welche realisiert werden.