Studienabschlussarbeiten

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.

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.

In der vorliegenden Arbeit wurden die Oberflächeneigenschaften von SU-8, von verschiedenen OTS-silanisierten Substraten und von plasmapolymerisierten Fluor-Kohlenstoff-Schichten FCPP-Schichten) untersucht. Diese Materialien eignen sich für die Herstellung bzw. Beschichtung opto-fluidischer Mikrosysteme, deren Entwicklung im Projekt integrierte mikrooptische Pinzetten bearbeitet wird. Mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) wurden die chemische Zusammensetzung und die Bindungsverhältnisse in den Materialien aufgeklärt. Analog dazu wurden die Kontaktwinkel und Oberflächenenergien bestimmt, um so zusätzliche Aussagen über die Benetzbarkeit und mögliche Anhaftungseffekte von Zellen/Partikeln zu treffen. Weiterhin wurde die Modifikation dieser Materialien durch Lichteinfluss (Röntgen-, UV- und IR-Strahlung) sowie durch die Behandlung mit Chemikalien (Piranhasäure und NaOH) mit XPS und Kontaktwinkelmessungen untersucht. Die Bestrahlung von SU-8 mittels Röntgen- und IR-Strahlung zeigt keine Veränderung der chemischen Bindungen im Material. Bei UV-Bestrahlung unter Ultrahochvakuum Bedingungen degradiert SU-8 stark, was zu Verfärbung, Veränderung der Kontaktwinkel und zu Zerstörung der Etherbindungen führt. Weiterhin ist eine Degradation durch Behandlung mit Chemikalien nachweisbar, wobei in diesen Fällen die Unterschiede in den Kontaktwinkeln gering sind. OTS-Silanisierung eignet sich zur Beschichtung von SU-8 und erzeugt eine hydrophobe Oberfläche. Eine Modifikation von OTS-silanisierten Material durch Lichteinfluss konnte nicht nachgewiesen werden. Alternativ wurde die Passivierung von Silizium durch FCPP-Schichten untersucht. Die FCPP-Schichten zeichnen sich durch hohe Kontaktwinkel mit Wasser aus. Die verschiedenen Oberflächenbehandlungen führen in den FCPP-Schichten zu deutlichen Veränderungen in der chemischen Struktur. Die gravierenden chemischen Veränderungen beeinflussen das Benetzungsverhalten der FCPP-Schichten nur gering.

Die komplexe dielektrische Funktion von kubischen InN wurde mit Hilfe der Spektralellipsometrie vom mittleren infraroten bis in den sichtbaren Spektralbereich ermittelt. Die Schichten wurden anhand Molekularstrahlepitaxie auf c-GaN/3C-SiC Pseudosubstrate abgeschieden. Die hohe Elektronenkonzentration von über 10^19cm-3, berechnet aus der Plasmafrequenz, verursacht einen ausgeprägten Burstein-Moss-Shift an der Bandlücke. Bezieht man Nicht-Parabolizität und die Befüllung des Leitungsbandes in die Auswertung mit ein, ergeben sich renormalisierte Bandkanten zwischen 0,43 und 0,455eV. - Einschliesslich der ladungsträgerabhängigen Bandlücken-renormierung kann eine intrinsische Bandlücke von ˜0.595eV für kubisches InN gefunden werden, welches 85meV geringer als das für hexagonales InN ist. Werte für effektive Elektronenmasse, statische und hochfrequente Dielektrizitätskonstante sind ebenfalls mit angegeben.

Der Teilchentransport in eindimensionalen, offenen Kanälen findet in vielen aktuellen Forschungsbereichen der Physik und Biologie Anwendung. In der Biologie erfolgt zum Beispiel der Austausch von Kalium- und Natriumionen entlang von eindimensionalen Ionenkanälen durch Zellwände, welche von Membranproteinen gebildet werden. Ein anderes Beispiel ist die Bewegung von Ribosomen entlang der mRNS während der Proteinsynthese. Sie kann als eindimensionale Bewegung approximiert werden, wobei die mRNS die Potentiallandschaft vorgibt, in der das Ribosom als getriebenes Teilchen wandert. Ein Anwendungsgebiet in der Physik ist der Teilchentransport in dünnen Schichten. Durch Ankoppeln äußerer Felder bewegen sich die Teilchen bevorzugt in eine Richtung, dabei kann die Bewegung der Teilchen orthogonal zur Richtung des Feldes in guter Näherung vernachlässigt werden. Ein Beispiel hierfür sind ionenleitende Gläser. Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden nächste Nachbarwechselwirkungen sowohl in getriebene als auch ungetriebene Systeme in der Art eingeführt, dass die Sprungraten das detaillierte Gleichgewicht in Hinblick auf das großkanonische Ensemble erfüllen. Außerdem wird der nichtlineare Teilchentransport im Vergleich zu Experimenten, in denen nichtlineare, frequenzabhängige Stromdichten gemessen wurden, näher betrachtet. Es wird gezeigt, dass offene Randbedingungen wesentlich die Sprungdynamik im Kanal beeinflussen. Weiterhin werden effektive Sprungdistanzen behandelt, deren Berechnung stark von der Art der Raten abhängt.