05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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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 A high frequency alternating current heater using the advantages of a damped oscillation circuit for low voltage Li-ion batteries(2024) Oehl, Joachim; Gleiter, Andreas; Manka, Daniel; Fill, Alexander; Birke, Kai PeterIn many cases, batteries used in light e-mobility vehicles such as e-bikes and e-scooters do not have an active thermal management system. This poses a challenge when these batteries are stored in sub-zero temperatures and need to be charged. In such cases, it becomes necessary to move the batteries to a warmer location and allow them to acclimatize before charging. However, this is not always feasible, especially for batteries installed permanently in vehicles. In this work, we present an internal high-frequency AC heater for a 48 V battery, which is used for light electric vehicles of EU vehicle classes L1e and L3e-A1 for a power supply of up to 11 kW. We have taken advantage of the features of a damped oscillating circuit to improve the performance of the heater. Additionally, only a small inductor was added to the main current path through a cable with three windings. Furthermore, as the power electronics of the heater is part of the battery main switch, fewer additional parts inside the battery are required and therefore a cost and space reduction compared to other heaters is possible. For the chosen setup we reached a heating rate of up to 2.13 K min -1 and it was possible to raise the battery temperature from -10 °C to 10 °C using only 3.1% of its own usable capacity.Item Open Access Untersuchung von Parallelschaltungen unterschiedlich gealterter Zellmodule(2024) Kreher, Tina; Birke, Kai Peter (Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit wird das Thema „Untersuchung von Parallelschaltungen unterschiedlich gealterter Zellmodule“ im Rahmen von drei Themengebieten betrachtet. Es handelt sich dabei um Untersuchungen an parallelgeschalteten Lithium-Ionen-Zellen oder darauf basierenden Batteriesystemen. Der erste Teil untersucht das Potential die Messzeit zur Messdatenerhebung für die Parametrierung eines Ersatzschaltbildes zu reduzieren. Dafür werden verschiedene Charakterisierungsmethoden angewandt und die daraus erstellten Modelle hinsichtlich Genauigkeit und zeitlichem Messaufwand verglichen. Es zeigt sich, dass durch eine geschickte Wahl der Vorgehensweise die benötigte Messzeit und die damit verbundenen Kosten um bis zu 76 % reduziert werden können, ohne einen nennenswerten Nachteil auf die Modellgenauigkeit zu erhalten. Im zweiten Teil der Arbeit finden kalendarische und zyklische Alterungstests statt. Anhand der gewonnenen Daten werden Stressfaktoren der Zellalterung identifiziert und quantifiziert. Die Ergebnisse führen starke Alterung auf hohe Temperaturen und Ladezustände sowie große Zyklentiefen zurück. Des Weiteren wird ein Alterungsmodell erstellt, mit welchem die Alterung von Ersatzschaltbildparametern nachgebildet werden kann. Die eigentlichen Untersuchungen zu Parallelschaltungen finden im dritten Teil statt und bauen auf den Ergebnissen aus den ersten beiden Teilen auf. Zunächst wird ein Simulationsmodell aufgebaut und validiert, welches ein Parallelschaltungssystem aus zwei Lithium-Ionen-Zellen darstellt. Im nächsten Schritt erfolgt die Betrachtung einer ungesteuerten Parallelschaltung aus Zellen unterschiedlichen Alterungszustands, bei welcher mit einer inhomogenen Zellstromaufteilung zu rechnen ist. Dabei ist mit zunehmender Alterungsdifferenz der Zellen eine Lastverschiebung hin zur neueren Zelle festzustellen. Bezogen auf die Alterung zeigt sich eine bis zu 1,24-fach stärkere Kapazitätsabnahme und ein 1,33-facher Innenwiderstandsanstieg der neueren Zelle im Vergleich zu einem System mit gleichen Zellzuständen und homogener Stromaufteilung. Als nächstes findet die Ausarbeitung einer Betriebsstrategie für eine gesteuerte Parallelschaltung anhand eines möglichen Anwendungsfalls statt. Dafür wird implementiert, dass ein Parallelbetrieb beider Zellen, wie auch das gezielte Zu- und Wegschalten von einzelnen Strängen im System zulässig ist. Die Ergebnisse zeigen, dass so ein sicherer Betrieb von Parallelschaltungen bestehend aus unterschiedlich stark gealterten Zellen möglich ist. Die auf Zellebene gewonnenen Ergebnisse zu Parallelschaltungen werden im Rahmen eines Forschungsprojekt auf eine Fahrzeuganwendung mit zwei autarken Batterien unterschiedlichen Alterungszustandes übertragen. Zusammen mit dem Projektpartner erfolgt der Aufbau eines Prototyps, bei welchem der Parallelbetrieb und das gezielte An- und Abkoppeln der Batterien an das Hochvoltsystem möglich ist. Dieser Aufbau dient als Machbarkeitsnachweis für den Parallelbetrieb von Lithium-Ionen-Zellen und Batterien mit unterschiedlichen Alterungszuständen.Item Open Access Laser doping for silicon solar cells : modeling and application(2024) Hassan, Mohamed; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)In meiner Dissertation geht es um die Simulation des Laserdotierungsprozess der Oberfläche des Siliziumwafers um hoch effizienten Solarzellen herzustellen. Die Simulation ermöglicht die genaue Vorhersage der Dimensionen eines dotierten Bereiches. Das hat ermöglicht, nicht nur die Abhängigkeit des ergebenden Schichtleitwerts von der benutzten Rastergeschwindigkeit des Laserstrahls auf die Siliziumoberfläche zu verstehen, sondern auch der Schichtleitwert einer laserdotierten Schicht basierend auf ein einfaches geometrisches Modell vorherzusagen.Item Open Access All-perovskite tandem solar cells : from fundamentals to technological progress(2024) Lim, Jaekeun; Park, Nam-Gyu; Seok, Sang Il; Saliba, MichaelOrganic-inorganic perovskite materials have gradually progressed from single-junction solar cells to tandem (double) or even multi-junction (triple-junction) solar cells as all-perovskite tandem solar cells (APTSCs). Perovskites have numerous advantages: (1) tunable optical bandgaps, (2) low-cost, e.g. via solution-processing, inexpensive precursors, and compatibility with many thin-film processing technologies, (3) scalability and lightweight, and (4) eco-friendliness related to low CO2 emission. However, APTSCs face challenges regarding stability caused by Sn2+ oxidation in narrow bandgap perovskites, low performance due to Voc deficit in the wide bandgap range, non-standardisation of charge recombination layers, and challenging thin-film deposition as each layer must be nearly perfectly homogenous. Here, we discuss the fundamentals of APTSCs and technological progress in constructing each layer of the all-perovskite stacks. Furthermore, the theoretical power conversion efficiency (PCE) limitation of APTSCs is discussed using simulations.Item Open Access Powering the future : Germany's Wasserstoffstrategie in the transition to climate neutrality : case study on green hydrogen for the chemical industry(2024) Seithümmer, Valentin Benedikt; Lutz, Julia Valentina; Kaufmann, Samuel Jaro; Chinnaraj, Haripriya; Rößner, Paul; Birke, Kai PeterThis article provides a comprehensive insight into Germany's transition to climate neutrality, bringing together the political framework of Germany's Climate Protection Act (CPA), the funding strategy of its key pillar, namely the “Wasserstoffstrategie” and the technical dimensions for non-technical stakeholders through a case study of Germany's largest current hydrogen user, the chemical industry. Increasing complexity of our modern economy and society and a lack of clarity in reporting contribute to misleading conclusions and can facilitate polarised views. To overcome that gap, we aim to draw a clear picture of these complex scientific topics and make them also accessible to non-technical stakeholders. This paper reviews Germany's climate policy, emphasizing the federal constitutional court's pivotal role. By calculating prospective GHG-reduction paths for Germany, we illuminate the gap between aspirational targets and practical strategies, emphasizing the need to translate global targets into actionable national plans. Taking the crucial, often-overlooked CO2-budget into account, potential shortcomings are revealed, even when annual emission goals are met by Germany. Shifting focus of this paper to the German hydrogen strategy, a core part of the Climate Protection Program, we reveal a strong emphasis on international collaboration. This involves a global hydrogen ramp-up and facilitation of hydrogen imports, offering trade opportunities but also introducing dependencies and potential price increases. A scale estimation case study on green hydrogen production for the German chemical industry underscores the rationale behind prioritising imports over domestic production. Calculating a demand of 7840 windmills (78.37 TW h) that require 168 000 football pitches (7000 m2 per pitch) of space, it provides easy to grasp insights into the necessary actions for a climate neutral Germany. This perspective frames Germany's climate goals, the Wasserstoffstrategie, and the technical scale of implementing renewables by conducting a case study on green hydrogen. Hereby, it highlights the magnitude of the climate problem and the immense scale of solutions required for a sustainable technical transition in a clear and sound manner.Item Open Access Three-step process for efficient solar cells with boron-doped passivated contacts(2024) Sharbaf Kalaghichi, Saman; Hoß, Jan; Linke, Jonathan; Lange, Stefan; Werner, Jürgen H.Crystalline silicon (c-Si) solar cells with passivation stacks consisting of a polycrystalline silicon (poly-Si) layer and a thin interfacial silicon dioxide (SiO2) layer show high conversion efficiencies. Since the poly-Si layer in this structure acts as a carrier transport layer, high doping of the poly-Si layer is crucial for high conductivity and the efficient transport of charge carriers from the bulk to a metal contact. In this respect, conventional furnace-based high-temperature doping methods are limited by the solid solubility of the dopants in silicon. This limitation particularly affects p-type doping using boron. Previously, we showed that laser activation overcomes this limitation by melting the poly-Si layer, resulting in an active concentration beyond the solubility limit after crystallization. High electrically active boron concentrations ensure low contact resistivity at the (contact) metal/semiconductor interface and allow for the maskless patterning of the poly-Si layer by providing an etch-stop layer in an alkaline solution. However, the high doping concentration degrades during long high-temperature annealing steps. Here, we performed a test of the stability of such a high doping concentration under thermal stress. The active boron concentration shows only a minor reduction during SiNx:H deposition at a moderate temperature and a fast-firing step at a high temperature and with a short exposure time. However, for an annealing time 𝑡anneal = 30 min and an annealing temperature 600 °C ≤ 𝑇anneal ≤ 1000 °C, the high conductivity is significantly reduced, whereas a high passivation quality requires annealing in this range. We resolve this dilemma by introducing a second, healing laser reactivation step, which re-establishes the original high conductivity of the boron-doped poly-Si and does not degrade the passivation. After a thermal annealing temperature 𝑇anneal = 985 °C, the reactivated layers show high sheet conductance (Gsh) with Gsh = 24 mS sq and high passivation quality, with the implied open-circuit voltage (iVOC) reaching iVOC = 715 mV. Therefore, our novel three-step process consisting of laser activation, thermal annealing, and laser reactivation/healing is suitable for fabricating highly efficient solar cells with p++-poly-Si/SiO2 contact passivation layers.Item Open Access Untersuchung neuer Materialkombinationen für Lithium-Ionen-Zellen(2024) Kreher, Fabian; Birke, Peter (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Ultra-uniform perovskite crystals formed in the presence of tetrabutylammonium bistriflimide afford efficient and stable perovskite solar cells(2024) Lim, Jaekeun; Rafieh, Alwani Imanah; Shibayama, Naoyuki; Xia, Jianxing; Audinot, Jean-Nicolas; Wirtz, Tom; Kinge, Sachin; Glunz, Stefan W.; Ding, Yong; Ding, Bin; Kim, Hobeom; Saliba, Michael; Fei, Zhaofu; Dyson, Paul J.; Nazeeruddin, Mohammad Khaja; Kanda, HiroyukiCompositional engineering of organic–inorganic metal halide perovskite allows for improved optoelectrical properties, however, phase segregation occurs during crystal nucleation and limits perovskite solar cell device performance. Herein, we show that by applying tetrabutylammonium bistriflimide as an additive in the perovskite precursor solution, ultra-uniform perovskite crystals are obtained, which effectively increases device performance. As a result, power conversion efficiencies (PCEs) of 24.5% in a cell and 21.2% in a module are achieved, together with high stability under illumination, humidity and elevated thermal conditions.Item Open Access Optische Messsysteme und Ein-Sensor-Bildgebungsverfahren für Biosensoren(2024) Berner, Marcel; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit präsentiert die Entwicklung mehrerer Messsysteme und -verfahren für optische Biosensoranwendungen. Der erste Teil dieser Arbeit entwirft eine universelle experimentelle Plattform für die Erprobung neuer optischer Biosensorkonzepte nach dem Prinzip der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF). Die Plattform unterstützt das europäische Forschungsprojekt Nanodem bei der Entwicklung eines portablen Point-of-Care-Testing-Gerätes (PoCT) zur Live-Überwachung von Immunsuppressivakonzentrationen im Blut von Transplantationspatienten unmittelbar am Patientenbett. Das in dieser Arbeit entwickelte Plattformkonzept umfasst die optoelektronische Fluoreszenzanregung und -detektion, optische Filtersysteme, den fluoreszenten Farbstoff, das Materialsystem der Transducerchips, das Mikrofluidiksystem sowie die Automatisierung der Ablaufsteuerung. Der Ausgangspunkt der Entwicklung ist die Herleitung eines allgemeinen physikalischen Modells für LIF-Systeme, an dem sich die Konstruktion der Plattform orientiert. Das in Kooperation mit der Eberhard Karls Universität Tübingen entworfene Transducerchipkonzept auf der Basis lasergeschnittener Klebebänder gestattet eine hohe Flexibilität bezüglich der Geometrie und des Aufbaus der Transducerchips und unterstützt den Technologietransfer akademischer Forschungsergebnisse in die industrielle Fertigung. Die entworfenen Photodetektorarrays aus amorphem Silizium lassen sich dank leicht adaptierbarer Herstellungsprozesse kosteneffizient auf beliebige Biosensorgeometrien anpassen. Die erreichte spezifische Detektivität D* = 11 × 10^12 Jones der Detektoren liegt dabei auf Augenhöhe mit der von State-of-the-Art-Detektoren aus kristallinem Material. Die erzielte Detektionsgrenze von c_{LOD,exp} = 26 nmol/l. Weiter bestätigen die experimentellen Messdaten das aufgestellte physikalische Modell. Der zweite Teil dieser Arbeit zeigt ein neues optisches Verfahren zur ortsaufgelösten Messung, das eine Vielzahl von Bildpunkten simultan mit nur einem einzigen optischen Sensor beobachtet. Das Verfahren nutzt hierzu ortsaufgelöste Lichtmodulatoren (Spatial Light Modulators - SLMs), um eine ortsabhängige optische Modulation zu erzeugen. Die erzeugten optischen Trägersignale gestatten die Zuordnung der als Summensignal empfangenen Signale zu ihren Ursprungspunkten. Der sogenannte Fourier Spotter macht sich dabei die mathematischen Eigenschaften der Fourier-Transformation zunutze. Durch die Anwendung zueinander phasenverschobener Modulationssignale gestattet der Fourier Spotter zudem die unmittelbare Messung von Helligkeitsdifferenzen zwischen unterschiedlichen Beobachtungspunkten. Dieses differentielle optische Messprinzip ist der Kern eines bereits erteilten Patents des Autors mit der Universität Stuttgart. Das neuartige optische Messprinzip eignet sich für die Integration in optische Biosensor-Verfahren, wie etwa die Einwellenlängenreflektometrie (engl. Single Color Reflectometry - SCORE), welche derzeit noch auf teure Spezialkameras angewiesen sind. Herkömmliche Kamerasysteme erzeugen hohe Datenmengen, deren Auswertung erhebliche Rechenleistung in Anspruch nimmt und damit der Weiterentwicklung hin zu miniaturisierten, portablen Biosensorplattformen entgegensteht. Die vorliegende Arbeit präsentiert einen erfolgreichen experimentellen Machbarkeitsnachweis des Fourier Imagers anhand von Helligkeitsdifferenzmessungen an einem SCORE-Aufbau. Eine zukünftige Erweiterung des Fourier Spotters um ein Zeilenspektrometer erlaubt neben der ortsaufgelösten Beobachtung auch eine simultane Erfassung der optischen Spektren jedes einzelnen beobachteten Punktes. Durch diese hyperspektrale Erweiterung wird die erstmalige Umsetzung einer auf der reflektometrischen Interferenzspektroskopie (RIfS) basierenden mehrkanaligen optischen Biosensorplattform möglich. Der dritte Teil dieser Arbeit verallgemeinert das Prinzip des Fourier Spotters und überführt dieses in ein Ein-Pixel-Kamera-Verfahren - das AM-FDM Imaging (engl. Amplitude Modulated Frequency Division Multiplexing). Das AM-FDM Imaging basiert auf der Anwendung von Näherungsverfahren, die ein Übersprechen zwischen den Trägersignalen minimieren. Das aufgestellte systemtheoretische Modell des AM-FDM Imaging umfasst auch das Fourier Spotting und erlaubt den Vergleich mit Rasterscans sowie bereits bekannten Ein-Pixel-Kamera-Verfahren wie dem Hadamard Imaging. Ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis durch das Rauschen des Detektorsystems begrenzt, so erreicht das AM-FDM Imaging einen sogenannten Multiplexgewinn amult = O(M) in der Größenordnung der Anzahl simultan beobachteter Bildpunkte M. Mit den derzeit eingesetzten Näherungsverfahren erreicht das AM-FDM Imaging hinsichtlich des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, der Anzahl simultan beobachtbarer Bildpunkte und der erzielbaren Bildwiederholrate nicht die Leistungsfähigkeit des bei Ein-Pixel-Imaging-Verfahren vorherrschenden Hadamard Imagings. Die in dieser Arbeit diskutierten Verwandtschaftsverhältnisse des AM-FDM Imagings zu anderen bekannten Ein-Pixel-Kamera-Verfahren legen jedoch die Vermutung nahe, dass ein bisher unbekanntes Näherungsverfahren existiert, das das AM-FDM Imaging mit dem Hadamard Imaging gleichstellt. Die Ergebnisse des systemtheoretischen Modells wurden mittels Simulation in Matlab bestätigt und gelten auch für den Fourier Spotter. Damit zeigen die Ergebnisse auf, dass im SCORE-Anwendungsfall eine Modulation nach dem Prinzip des Hadamard Imagings vorteilhafter ist. Das erteilte Patent zum optisch differentiellen Messverfahren schließt auch eine differentielle Variante des Hadamard Imagings mit ein. Gegenüber der Differenzwertbestimmung aus gemessenen Absolutwerten verdoppelt das differentielle Messverfahren wahlweise das Signal-zu-Rauschleistungs-Verhältnis oder die Bildwiederholrate des Hadamard Imagings.