05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Strukturelle Eigenschaften von Cu(In,Ga)(Se,S)2 Dünnschichten(2003) Kötschau, Immo Michael; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)In Cu(In,Ga)(S,Se)2-Dünnfilmen treten, je nach Wachstum, auf natürliche Weise teilweise recht große Zusammensetzungsgradienten auf. Einerseits wurde an In-reichem Material eine Cu-arme Oberflächendefektschicht entdeckt, andererseits sorgt die Dynamik Cu-reicher Wachstumsprozesse für einen über die gesamte Schichtdicke veränderlichen Ga- oder S-Gehalt. Die gezielte Beeinflussung der tiefenabhängigen Konzentration von Ga und S kann unter anderem dazu genutzt werden, Rekombinationsverluste innerhalb der Solarzelle zu minimieren. Solches "Bandgap-Engineering" führte bereits zu entscheidenden Verbesserungen des Wirkungsgrades von Cu(In,Ga)(S,Se)2-Solarzellen. Für die gezielte quantitative Untersuchung der tiefenabhängigen Zusammensetzung in Dünnfilmen standen bisher ausschließlich nicht zerstörungsfreie Methoden zur Verfügung. Insbesondere können die mit Sputtermethoden erzielten Tiefenprofile der Zusammensetzung aufgrund des Sputterprozesses selbst stark fehlerbehaftet sein. Wegen dieser Problematik entwickelt diese Arbeit eine alternative Methode. Es hat sich gezeigt, dass sich Röntgenbeugungsspektren von Cu(In,Ga)(S,Se)2-Dünnfilmen, gemessen unter streifendem Einfall (Grazing Incidence X-Ray Diffraction; GIXRD), korrekt mittels eines Schichtenabsorptionsmodells, in welchem über die Absorption gewichteter Anteile aus unterschiedlich tiefen Schichten das Beugungsspektrum als Summe über alle Schichten berechnet wird, beschreiben lassen. Eine quantitative Auswertung von Strukturdaten, insbesondere die Verfeinerung von Zusammensetzungstiefenprofilen, ist damit möglich. Um die Gültigkeit der Modellierung einzugrenzen, erfolgte die Betrachtung und ausführliche Diskussion aller in der Praxis vorkommender apparate- und probenspezifischer Effekte. Während die Wechselwirkung von Oberflächenrauigkeiten und Brechung durch einfache Transformationen zu kompensieren sind, können beispielsweise tiefenabhängige Unterschiede der bevorzugten Orientierung Probleme aufwerfen, wenn über ihre Tiefenabhängigkeit keine Daten vorliegen. Prinzipiell ist jedoch die Untersuchung der Einflüsse aller Eingangsparamter, seien sie apparatebedingt oder durch die Probe selbst verursacht, möglich, solange alle übrigen Parameter bekannt sind. Eine eindeutige Verfeinerung von Tiefenprofilen muss dabei immer die Voraussetzung erfüllen, dass ein und derselbe Eingangsparametersatz gleichzeitig alle unter verschiedenen Einfallswinkeln gemessenen Spektren hinreichend genau beschreibt. Die Verfeinerung von Zusammensetzungstiefenprofilen erfolgt praktisch durch den Vergleich gemessener und simulierter Spektren, wobei dies in der jetzigen Fassung des dafür entwickelten Simulationsprogrammes (Thin Film X-Ray Diffraction Absorption Utility; TFXDAU) interaktiv geschieht. Die Eindeutigkeit der Anpassung hängt vom Umfang der a priori zur Verfügung stehenden Eingangsparameter ab. Liegen beispielsweise aufgrund des Wachstumsprozesses Informationen über mögliche Tiefenprofile bereits vor, lassen sich geeignete Modellfunktionen (Diffusionsprofile, Stufenfunktionen etc.) schrittweise durch vergleichende Simulationen anpassen. So gelang es, einen mehrstufigen S-Se-Gradienten des Anionen-Untergitters in einer Cu(In,Ga)(S,Se)2-Schicht detailgenau nachzuweisen. Die Veränderungen, die sich dabei gegenüber dem mit Sekundärionen-Massenspektrometrie gemessenen Tiefenprofil ergaben, ließen sich auf Messartefakte zurückführen, die der Sputterprozess selbst verursacht hat. Ebenso war ein In-Ga-Gradient im Kationen-Untergitter einer Cu(In,Ga)Se2-Schicht mit einer Tiefenauflösung von unter 50nm nachzuweisen. Die Gradierungen erstrecken sich dabei immer über die ganze Schichtdicke. In diesem Sinne erreicht diese Arbeit ihr eigentliches Ziel: die Entwicklung einer Methode, mit der die Tiefenabhängigkeiten der strukturellen Eigenschaften, welche auf das Engste mit den elektronischen Eigenschaften (Verlauf der Bandkanten) in Verbindung stehen, zu bestimmen sind. Als "Nebenprodukt" eignet sich diese Modellierung dazu, die integralen Ga- und S-Gehalte an homogenen Proben bis auf 2% genau zu bestimmen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Möglichkeiten des Schichtenabsorptionsmodells noch nicht ausgeschöpft sind. Oberflächennahe Zusammensetzungsgradienten zeigen in Beugungsspektren, die unter kleinsten Einfallswinkeln gemessen werden, noch deutliche Auswirkungen. Die Existenz der immer wieder ins Spiel gebrachten Cu-armen Oberflächendefektschicht war mit Hilfe der Modellierung Cu-armer Oberflächen eindeutig nachzuwiesen. Überdies ließ sich ein Zusammenhang zwischen integralem Cu-Gehalt und der mittleren Dicke der Cu-armen Oberflächendefektschicht belegen.Item Open Access Analytic free-energy expression for the 2D-Ising model and perspectives for battery modeling(2023) Markthaler, Daniel; Birke, Kai PeterAlthough originally developed to describe the magnetic behavior of matter, the Ising model represents one of the most widely used physical models, with applications in almost all scientific areas. Even after 100 years, the model still poses challenges and is the subject of active research. In this work, we address the question of whether it is possible to describe the free energy A of a finite-size 2D-Ising model of arbitrary size, based on a couple of analytically solvable 1D-Ising chains. The presented novel approach is based on rigorous statistical-thermodynamic principles and involves modeling the free energy contribution of an added inter-chain bond DAbond(b, N) as function of inverse temperature b and lattice size N. The identified simple analytic expression for DAbond is fitted to exact results of a series of finite-size quadratic N N-systems and enables straightforward and instantaneous calculation of thermodynamic quantities of interest, such as free energy and heat capacity for systems of an arbitrary size. This approach is not only interesting from a fundamental perspective with respect to the possible transfer to a 3D-Ising model, but also from an application-driven viewpoint in the context of (Li-ion) batteries where it could be applied to describe intercalation mechanisms.Item Open Access Modeling and experimental investigation of the interaction between pressure-dependent aging and pressure development due to the aging of lithium-ion cells(2023) Avdyli, Arber; Fill, Alexander; Birke, Kai PeterIn order to meet the increasing demands of the battery in terms of range, safety and performance, it is necessary to ensure optimal operation conditions of a lithium-ion cell. In this thesis, the influence of mechanical boundary conditions on the cell is investigated theoretically and experimentally. First, fundamental equations are derived that lead to coupled models that can be parameterized based on specific cell measurements and predict the pressure evolution due to capacity aging and vice versa. The model is used to derive optimal operating points of the cell, which can be considered in the module design.Item Open Access Top‐down approach to study chemical and electronic properties of perovskite solar cells : sputtered depth profiling versus tapered cross‐sectional photoelectron spectroscopies(2021) Das, Chittaranjan; Zia, Waqas; Mortan, Claudiu; Hussain, Navid; Saliba, Michael; Ingo Flege, Jan; Kot, MałgorzataA study of the chemical and electronic properties of various layers across perovskite solar cell (PSC) stacks is challenging. Depth‐profiling photoemission spectroscopy can be used to study the surface, interface, and bulk properties of different layers in PSCs, which influence the overall performance of these devices. Herein, sputter depth profiling (SDP) and tapered cross‐sectional (TCS) photoelectron spectroscopies (PESs) are used to study highly efficient mixed halide PSCs. It is found that the most used SDP‐PES technique degrades the organic and deforms the inorganic materials during sputtering of the PSCs while the TCS‐PES method is less destructive and can determine the chemical and electronic properties of all layers precisely. The SDP‐PES dissociates the chemical bonding in the spiro‐MeOTAD and perovskite layer and reduces the TiO2, which causes the chemical analysis to be unreliable. The TCS‐PES revealed a band bending only at the spiro‐MeOTAD/perovskite interface of about 0.7 eV. Both the TCS and SDP‐PES show that the perovskite layer is inhomogeneous and has a higher amount of bromine at the perovskite/TiO2 interface.Item Open Access Surface charge density and induced currents by self-charging sliding drops(2024) Bista, Pravash; Ratschow, Aaron D.; Stetten, Amy Z.; Butt, Hans-Jürgen; Weber, Stefan A. L.Spontaneous charge separation in drops sliding over a hydrophobized insulator surface is a well-known phenomenon and lots of efforts have been made to utilize this effect for energy harvesting. For maximizing the efficiency of such devices, a comprehensive understanding of the dewetted surface charge would be required to quantitatively predict the electric current signals, in particular for drop sequences. Here, we use a method based on mirror charge detection to locally measure the surface charge density after drops move over a hydrophobic surface. For this purpose, we position a metal electrode beneath the hydrophobic substrate to measure the capacitive current induced by the moving drop. Furthermore, we investigate drop-induced charging on different dielectric surfaces together with the surface neutralization processes. The surface neutralizes over a characteristic time, which is influenced by the substrate and the surrounding environment. We present an analytical model that describes the slide electrification using measurable parameters such as the surface charge density and its neutralization time. Understanding the model parameters and refining them will enable a targeted optimization of the efficiency in solid–liquid charge separation.Item Open Access Impedance based temperature estimation of lithium ion cells using artificial neural networks(2021) Ströbel, Marco; Pross-Brakhage, Julia; Kopp, Mike; Birke, Kai PeterItem Open Access Ionenassistierte Deposition von Siliciumschichten(2001) Oberbeck, Lars; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit untersucht die Wachstumsvorgänge sowie die strukturellen und elektrischen Eigenschaften von Si-Epitaxieschichten aus der ionenassistierten Deposition (IAD). Bei der IAD werden Si-Atome durch einen Elektronenstrahlverdampfer bereitgestellt und in der Gasphase durch Elektronenemission aus einem Glühdraht teilweise ionisiert; der Ionisationsgrad beträgt ca. 1 %. Eine angelegte Spannung beschleunigt diese Si+ Ionen zum Substrat hin. Die Ko-Evaporation von Bor bzw. Phosphor ermöglicht die in-situ Dotierung der Epitaxieschichten zur Herstellung von pn-Übergängen. Die epitaktische Abscheidung von Si mittels IAD ist auf beliebigen Substratorientierungen möglich. Die Defektdichte und die Minoritätsträgerdiffusionslänge hängen aber stark von der Substratorientierung und der Beschleunigungsspannung ab. Dieses Ergebnis ist auf Unterschiede in der Oberflächenrekonstruktion und in den Aktivierungsenergien für atomare Diffusionsprozesse zurückzuführen. Bei der Betrachtung der Wachstumsmechanismen bei der IAD müssen zwei Temperaturbereiche unterschieden werden: Im Temperaturbereich < 400 °C unterstützen interstitielle Atome das epitaktische Wachstum, bei höheren Temperaturen dominiert die direkte Erhöhung der Adatommobilität durch Ionenbeschuß der Wachstumsoberfläche. Die optimale Ionenenergie liegt im Bereich 8 ... 20 eV für (100)-orientierte Epitaxieschichten. Diese Arbeit vertieft wesentlich das Verständnis der Wachstumsvorgänge bei der ionenassistierten Deposition von Si-Epitaxieschichten bei Depositionstemperaturen unterhalb von 650 °C und bietet erstmals eine grundlegende Evaluierung des Potentials von Si-Niedertemperaturepitaxieschichten. Eine umfassende Untersuchung struktureller und elektrischer Eigenschaften der Epitaxieschichten hat zur Herstellung von Schichten mit sehr guten Majoritäts- und Minoritätsträgereigenschaften bei einer Rekord-Depositionsrate von 0,8 µm/min geführt.Item Open Access Pressure characteristics and chemical potentials of constrained LiFePO4/C6 cells(2018) Singer, Jan Patrick; Kropp, Timo; Kuehnemund, Martin; Birke, Kai PeterConstraining lithium-ion cells increases the cyclic lifetime. However, depending on an expected volume expansion during charge and discharge cycling, defining the optimal constraining pressure range is not straightforward. In this study, we investigate a lithium iron phosphate/graphite pouch cell at four initial constraining pressure levels. As a function of C-Rate, the thermodynamic principle of the non-monotonic pressure curve during full charge and discharge cycles is evaluated. Using the rubber balloon model to calculate the chemical potential of lithium iron phosphate and discussing the relationship between the chemical potential and pressure, we illustrate the pressure curve qualitatively. By applying differential pressure analysis, we evaluate the resulting pressure curves of a single graphite stage. Approaching a fundamental understanding of reduced cycling lifetime of full cells with unknown material composition, we allocate the stages and stage transitions of graphite as well as the phase transition of lithium iron phosphate. Local extreme values in the differential pressure analysis indicate phase and stage transitions. These values can identify critical operating conditions that should be considered for defining the optimum initial constraining pressure range.Item Open Access Non-uniform circumferential expansion of cylindrical Li-ion cells - the potato effect(2021) Hemmerling, Jessica; Guhathakurta, Jajnabalkya; Dettinger, Falk; Fill, Alexander; Birke, Kai PeterThis paper presents the non-uniform change in cell thickness of cylindrical Lithium (Li)-ion cells due to the change of State of Charge (SoC). Using optical measurement methods, with the aid of a laser light band micrometer, the expansion and contraction are determined over a complete charge and discharge cycle. The cell is rotated around its own axis by an angle of α=10° in each step, so that the different positions can be compared with each other over the circumference. The experimental data show that, contrary to the assumption based on the physical properties of electrode growth due to lithium intercalation in the graphite, the cell does not expand uniformly. Depending on the position and orientation of the cell coil, there are different zones of expansion and contraction. In order to confirm the non-uniform expansion around the circumference of the cell in 3D, X-ray computed tomography (CT) scans of the cells are performed at low and at high SoC. Comparison of the high resolution 3D reconstructed volumes clearly visualizes a sinusoidal pattern for non-uniform expansion. From the 3D volume, it can be confirmed that the thickness variation does not vary significantly over the height of the battery cell due to the observed mechanisms. However, a slight decrease in the volume change towards the poles of the battery cells due to the higher stiffness can be monitored.Item Open Access Cycling of double-layered graphite anodes in pouch-cells(2022) Müller, Daniel; Fill, Alexander; Birke, Kai PeterIncremental improvement to the current state-of-the-art lithium-ion technology, for example regarding the physical or electrochemical design, can bridge the gap until the next generation of cells are ready to take Li-ions place. Previously designed two-layered porosity-graded graphite anodes, together with LixNi0.6Mn0.2Co0.2O2 cathodes, were analysed in small pouch-cells with a capacity of around 1 Ah. For comparison, custom-made reference cells with the average properties of two-layered anodes were tested. Ten cells of each type were examined in total. Each cell pair, consisting of one double-layer and one single-layer (reference) cell, underwent the same test procedure. Besides regular charge and discharge cycles, electrochemical impedance spectroscopy, incremental capacity analysis, differential voltage analysis and current-pulse measurement are used to identify the differences in ageing behaviour between the two cell types. The results show similar behaviour and properties at beginning-of-life, but an astonishing improvement in capacity retention for the double-layer cells regardless of the cycling conditions. Additionally, the lifetime of the single-layer cells was strongly influenced by the cycling conditions, and the double-layer cells showed less difference in ageing behaviour.