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 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 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.Item Open Access A novel long short-term memory approach for online state-of-health identification in lithium-ion battery cells(2024) Kopp, Mike; Fill, Alexander; Ströbel, Marco; Birke, Kai PeterRevolutionary and cost-effective state estimation techniques are crucial for advancing lithium-ion battery technology, especially in mobile applications. Accurate prediction of battery state-of-health (SoH) enhances state-of-charge estimation while providing valuable insights into performance, second-life utility, and safety. While recent machine learning developments show promise in SoH estimation, this paper addresses two challenges. First, many existing approaches depend on predefined charge/discharge cycles with constant current/constant voltage profiles, which limits their suitability for real-world scenarios. Second, pure time series forecasting methods require prior knowledge of the battery’s lifespan in order to formulate predictions within the time series. Our novel hybrid approach overcomes these limitations by classifying the current aging state of the cell rather than tracking the SoH. This is accomplished by analyzing current pulses filtered from authentic drive cycles. Our innovative solution employs a Long Short-Term Memory-based neural network for SoH prediction based on residual capacity, making it well suited for online electric vehicle applications. By overcoming these challenges, our hybrid approach emerges as a reliable alternative for precise SoH estimation in electric vehicle batteries, marking a significant advancement in machine learning-based SoH estimation.Item Open Access All-inorganic CsPbI2Br perovskite solar cells with thermal stability at 250 °C and moisture-resilience via polymeric protection layers(2025) Roy, Rajarshi; Byranvand, Mahdi Malekshahi; Zohdi, Mohamed Reza; Magorian Friedlmeier, Theresa; Das, Chittaranjan; Hempel, Wolfram; Zuo, Weiwei; Kedia, Mayank; Rendon, Jose Jeronimo; Boehringer, Stephan; Hailegnanw, Bekele; Vorochta, Michael; Mehl, Sascha; Rai, Monika; Kulkarni, Ashish; Mathur, Sanjay; Saliba, MichaelAll-inorganic perovskites, such as CsPbI2Br, have emerged as promising compositions due to their enhanced thermal stability. However, they face significant challenges due to their susceptibility to humidity. In this work, CsPbI2Br perovskite is treated with poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) during the crystallization resulting in significant stability improvements against thermal, moisture and steady-state operation stressors. The perovskite solar cell retains ∼90% of the initial efficiency under relative humidity (RH) at ∼60% for 30 min, which is among the most stable all-inorganic perovskite devices to date under such harsh conditions. Furthermore, the P3HT treatment ensures high thermal stress tolerance at 250 °C for over 5 h. In addition to the stability enhancements, the champion P3HT-treated device shows a higher power conversion efficiency (PCE) of 13.5% compared to 12.7% (reference) with the stabilized power output (SPO) for 300 s. In addition, the P3HT-protected perovskite layer in ambient conditions shows ∼75% of the initial efficiency compared to the unprotected devices with ∼28% of their initial efficiency after 7 days of shelf life.Item Open Access Mitigating the amorphization of perovskite layers by using atomic layer deposition of alumina(2025) Kedia, Mayank; Das, Chittaranjan; Kot, Malgorzata; Yalcinkaya, Yenal; Zuo, Weiwei; Tabah Tanko, Kenedy; Matvija, Peter; Ezquer, Mikel; Cornago, Iñaki; Hempel, Wolfram; Kauffmann, Florian; Plate, Paul; Lira-Cantu, Monica; Weber, Stefan A. L.; Saliba, MichaelAtomic layer deposition of aluminum oxide (ALD-Al2O3) layers has recently been studied for stabilizing perovskite solar cells (PSCs) against environmental stressors, such as humidity and oxygen. In addition, the ALD-Al2O3 layer acts as a protective barrier, mitigating pernicious halide ion migration from the perovskite towards the hole transport interface. However, its effectiveness in preventing the infiltration of ions and additives from the hole-transport layer into perovskites remains insufficiently understood. Herein, we demonstrate the deposition of a compact ultrathin (∼0.75 nm) ALD-Al2O3 layer that conformally coats the morphology of a triple-cation perovskite layer. This promotes an effective contact of the hole transporter layer on top of the perovskite, thereby improving the charge carrier collection between these two layers. Upon systematically investigating the layer-by-layer structure of the PSC, we discovered that ALD-Al2O3 also acts as a diffusion barrier for the degraded species from the adjacent transport layer into the perovskite. In addition to these protective considerations, ALD-Al2O3 impedes the transition of crystalline perovskites to an undesired amorphous phase. Consequently, the dual functionality (i.e., enhanced contact and diffusion barrier) of the ALD-Al2O3 protection enhanced the device performance from 19.1% to 20.5%, while retaining 98% of its initial performance compared to <10% for pristine devices after 1500 h of outdoor testing under ambient conditions. Finally, this study deepens our understanding of the mechanism of ALD-Al2O3 as a two-way diffusion barrier, highlighting the multifaceted role of buffer layers in interfacial engineering for the long-term stability of PSCs.