05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Universelle Fernservice-Infrastruktur für eingebettete Systeme(2003) Jazdi, Nasser; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Globalisierung ist ein Vorgang, durch den Märkte und Produktionen in verschiedenen Ländern immer mehr kooperieren, aber auch voneinander abhängig werden. Ursache hierfür ist die Dynamik des Handels mit Gütern und Dienstleistungen sowie die Bewegungen von Kapital und Technologie. Die Differenzierung erfolgt nicht mehr nur durch das Produkt selbst, sondern zunehmend durch dazugehörige Dienstleistungen, wie Wartung und Software-Updates. Die globale Bereitstellung solcher Dienstleistungen ist jedoch ein existentielles Problem für kleine und mittelständische Unternehmen. Das Internet als ein weltweiter Verbund von Computernetzwerken bietet eine globale Kommunikationsmöglichkeit für den Menschen. Computer mit Internet-Zugang werden zum festen Bestandteil jedes modernen Arbeitsplatzes, auch infolge der immer geringer werdenden Anschaffungskosten. Die mit dem Internet verbundenen Web-Technologien ermöglichen die weltweite, effektive und kostengünstige Bereitstellung von Dienstleistungen. Der Einsatz der Web-Tech-nologien beim Erbringen von Dienstleistungen für Automatisierungsprodukte und -anlagen verlangt jedoch neue, an die spezifischen Randbedingungen der Automatisierungssysteme zugeschnittene Konzepte. In der vorliegenden Arbeit wird eine flexible und erweiterbare Infrastruktur für den Einsatz von Web-Technologien in eingebetteten Systemen vorgestellt. Sie baut auf der bewährten Drei-Schichten-Architektur, bestehend aus dem eingebetteten System, dem universellen Fernzugriff-Server und dem Client, auf. Dabei wird eine systemübergreifende und allgemeingültige Schnittstelle für die Anbindung unterschiedlicher eingebetteter Systeme und den Zugriff auf deren Prozessdaten geschaffen. Das Verfahren ermöglicht außerdem ein flexibles Weiterverarbeiten der Gerätedaten, sodass sie für unterschiedliche Clients aufbereitet werden können. Um die Flexibilität - sowohl auf der Seite des eingebetteten Systems als auch beim Client - zu gewährleisten, wird eine neue, XML-basierte Beschreibungssprache (SDML) eingeführt. Die SDML-Dokumente beinhalten Informationen über angebundene eingebettete Systeme, abrufbare Gerätedaten und Präsentationsregeln für unterschiedliche Clients. Sie werden gerätespezifisch erstellt. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Anbindung unterschiedlicher eingebetteter Systeme an das Internet bei minimalem Hardware- und Softwareaufwand. Die einmalig entwickelten Software-Komponenten des Fernzugriff-Servers können für unterschiedliche Geräte verwendet werden und tragen damit zur Senkung der Diagnose- und Wartungskosten bei. Der Anwender kann einen gewöhnlichen Browser für die Kommunikation mit seinem Gerät verwenden und braucht somit keine zusätzliche Software auf seinem lokalen Rechner zu installieren.Item Open Access Ganzheitliche modellbasierte Sicherheitsanalyse von Prozessautomatisierungssystemen(2003) Biegert, Uwe; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Der Betrieb von Prozessautomatisierungssystemen ist immer mit einem gewissen Risiko verbunden. Ein Prozessautomatisierungssystem gilt dann als sicher, wenn das vorhandene Risiko zu keiner Zeit ein so genanntes Grenzrisiko überschreitet. Wird das Grenzrisiko überschritten, so droht Menschen und Umwelt unmittelbar ein Schaden. Mit Hilfe von Sicherheitsanalysen kann das vorhandene Risiko untersucht und abgeschätzt werden. Klassische Sicherheitsanalysen betrachten in der Regel nur einzelne Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems, welches aber im Allgemeinen aus drei verschiedenen Bestandteilen besteht: dem technischen System, dem Rechnersystem und dem Bedienpersonal. Was passiert aber, falls im technischen System ein Bauelement ausfällt, die Automatisierungssoftware Fehler enthält und zur gleichen Zeit das Bedienpersonal falsche Bedieneingriffe ausführt? Solche Fragen können mit klassischen Sicherheitsanalysen nur unzureichend beantwortet werden. Hinzu kommt, dass bei den meisten klassischen Sicherheitsanalysen die eigentliche Analyse des Systems in Form von Brainstorming-Prozessen durchgeführt wird. Dabei kann der Mensch niemals alle möglichen Kombinationen des Zusammenspiels zwischen den Bestandteilen überblicken und bewerten. In der vorliegenden Arbeit wird ein modellbasierter Ansatz zur Durchführung einer ganzheitlichen Sicherheitsanalyse vorgestellt, welche alle Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems berücksichtigt. Die Ausführung erfolgt rechnergestützt. Auf Grund der Komplexität von Prozessautomatisierungssystemen wird eine qualitative komponentenorientierte Modellierungsmethode gewählt. Die Systemgrößen werden durch qualitative Intervallvariablen beschrieben, wobei die definierten Intervallbereiche zusätzlich durch qualitative Ausdrücke kommentiert werden. Durch Kombination von Intervallbereichen entstehen kommentierte Situationen, die das Verhalten wiedergeben. Dabei wird sowohl der bestimmungsgemäße als auch der fehlerhafte Betrieb berücksichtigt. Anhand der Systemstruktur werden die Modelle der Bestandteile miteinander kombiniert, um alle möglichen Situationen des gesamten Prozessautomatisierungssystems zu erhalten. Anschließend werden die ermittelten sicherheitskritischen Situationen des Prozessautomatisierungssystems bewertet und es wird entschieden, ob Sicherheitsmaßnahmen notwendig sind. Durch das rechnergestützte Vorgehen lassen sich im Unterschied zu klassischen Methoden beliebig viele Fehlerkombinationen analysieren und damit Sicherheitslücken im Prozessautomatisierungssystem ermitteln. Das komplexe Zusammenspiel der Bestandteile wird mit Hilfe des qualitativen Modells transparent und analysierbar. Das Modell ist auf Grund seines qualitativen Charakters einfach anzuwenden und die Ergebnisse können leicht interpretiert werden.Item Open Access Identifikation und Prädiktion von Fehlern bei Käfigläufer-Niederspannungs-Normmotoren(2003) Haug, Christoph; Gutt, Hans-Joachim (Prof. Dr.)In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines Diagnosesystems für Käfigläufer-Niederspannungs-Normmotoren beschrieben. Dabei wurde insbesondere versucht ein System zu entwickeln, welches den niederen Kosten dieser IEC-Normmotoren gerecht wird und mit möglichst wenig Aufwand realisiert werden kann. Dazu gehört, dass dieses Diagnosesystem ohne eine Strommessung auskommt und die entwickelten und verwendeten Komponenten für sämtliche Baugrößen Verwendung finden können. Ausgehend von einer Anwenderbefragung wurde ein Systemkonzept für solch ein Diagnosesystem ausgearbeitet. Dabei wurde versucht die Vorschläge und Wünsche als Ergebnis dieser Umfrage zu berücksichtigen. Weiterhin wurden bei der Konzeption die Bedürfnisse der Motorhersteller in Betracht gezogen und die Ergebnisse der Untersuchung der zu diagnostizierenden Normmotoren integriert. Anhand der Systemkonzeption wurde eine Hardware realisiert, welche über Sensoren den Motorzustand erfasst, auswertet und die Ergebnisse an einen Prozessrechner oder Visualisierungsrechner, z. B. als Alarmmeldungen, über einen Feldbus weitergibt. Weiterhin ist es möglich Alarme direkt am Gerät visuell auszugeben. Zur Diagnose der Sensormesswerte wurden Algorithmen entwickelt und als Software unter einem Echtzeitbetriebssystem implementiert. Dabei wurde auf Modularität und die Möglichkeit späterer Erweiterungen wert gelegt. Insbesonders wurden bei der Diagnose des Motorzustandes die Motorvibrationen am Motorlager und am Klemmenkasten der Maschine mittels piezokeramischer und mikromechanischer Beschleunigungssensoren untersucht. Dabei können bei einer Vibrationsmessung am Klemmenkasten die Verhältnisse im Luftspaltfeld analysiert werden. Weiterhin wurde versucht die Werte von Drehmoment und Motorstrom möglichst genau durch Auswertung der zur Verfügung gestellten Messsignale nachzubilden und so dem Benutzer und weiteren Analysealgorithmen zur Verfügung zu stellen.Item Open Access Methode zur Bestimmung der Adatomkonzentration von Dotierstoffen(2003) Oehme, Michael; Kasper, Erich (Prof. Dr. phil.)Die vorliegende Arbeit beschreibt eine neue Methode für die Untersuchung der Oberflächensegregation von Dotierstoffen und diese basiert auf einer definierten Epitaxiesequenz. Das Wachstum dieser Schichtsysteme erfolgt mit der Methode der Molekularstrahlepitaxie. Mit einer ex-situ Tiefenprofilanalyse wird die Oberflächenkonzentration berechnet und die zugehörige Volumenkonzentration der Dotieratome direkt bestimmt. Dieses Experiment findet besonders Anwendung für Dotierstoffe mit einer Segregationsweite im Bereich einiger Nanometer, bei der übliche Verfahren versagen. Die Wachstumsparameter Siliziumrate und Dotierfluß werden innerhalb einer Probe konstant gehalten. Nur die Wachstumstemperatur wird während des Prozesses definiert geändert. Eine anschließende Schichtanalyse mißt die Tiefenverteilung der absoluten Konzentration der Dotieratome. Durch die definierten Temperatursprünge entsteht ein Konzentrationsprofil, aus dem sich zu jedem Sprung die zugehörige relative Änderung der Oberflächenkonzentration der Dotieradatome ermitteln läßt. Bei geeigneter Wahl der Referenztemperatur können sogar die zur Untersuchungstemperatur zugehörigen absoluten Konzentrationen der Adatome des Dotierstoffs bestimmt werden. Zusätzlich liefert die Tiefenprofilanalyse die zugehörige Volumenkonzentration. Aus diesen beiden Meßwerten berechnet sich die Segregationsweite. Am Beispiel der Dotierung des Elements Bor in Silizium mit einer (100) Oberfläche wird das Basisexperiment in seiner Anwendung ausführlich demonstriert. Zu jeder Gleichgewichtsdotierung in Abhängigkeit der Wachstumstemperatur läßt sich die zugehörige Adatomkonzentration bestimmen. Diese neue Methode liefert Daten für die Erzeugung eines scharfen Dotierprofils, indem vor dem Schichtwachstum die notwendige Borvorbelegung aufgelegt wird. Der Einfluß von Siliziumionen auf die Segregationseigenschaften bei der Dotierung von Silizium mit Bor wird mit dem Basisexperiment untersucht. Dabei ergibt sich eine Erhöhung der Oberflächenkonzentration der Boradatome nur durch das angelegte Substratpotential ab einer Spannung von 200 V. Der Ionenbeschuß vergrößert somit die Segregationsweite. Weiterhin läßt sich unter diesen Bedingungen auch eine Konzentrationsabhängigkeit der Borsegregation nachweisen. In weiteren Experimenten wird die Temperaturabhängigkeit der Segregation und der maximale Einbau von Bor in Silizium untersucht. Als zweite Anwendungsmöglichkeit des Basisexperiments werden die Segregationseigenschaften von Kohlenstoff im Material Silizium analysiert. In der aktuellen Forschung gewinnt das Materialsystem Silizium-Germanium mit einem geringen Anteil an Kohlenstoff, welcher im Dotierkonzentrationsbereich liegt, immer mehr an Bedeutung. Die Segregationseigenschaften dieses Systems sind bisher kaum untersucht worden. Jedoch bietet das Basisexperiment dafür die idealen Voraussetzungen. In dieser Arbeit wird die Segregation der Elemente Bor und Kohlenstoff im Materialsystem Silizium-Germanium mit Germaniumgehalten von 20% und 33% untersucht. Abschließend wird das Wachstum zweier spezieller Bauelementstrukturen vorgestellt, bei denen die Ergebnisse des Basisexperiments für die benötigten scharfen Dotierprofile eingesetzt werden.Item Open Access Messsysteme zur Untersuchung einer möglichen Beeinflussung des Menschen durch elektromagnetische Felder(2003) Waldmann, Jan; Landstorfer, Friedrich (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Charakterisierung von Mess-systemen zur Bestimmung einer möglichen Beeinflussung des menschlichen Körpers durch elektromagnetische Felder. Exemplarisch werden anhand von drei Beispielen Messsysteme vorgestellt, mit deren Hilfe diese mögliche Beeinflussung untersucht werden kann. Dabei werden neben thermischen Wirkungen elektromagnetischer Wellen, also der Erwärmung des Gewebes auf Grund absorbierter Feldenergie, auch nicht-thermische Wirkungen, d.h. direkte Wirkungen elektromagnetischer Felder auf den menschlichen Organismus, und Wirkungen auf medizinische Hilfsgeräte (z.B. implantierte Herzschrittmacher) untersucht. Nach einer Einführung in Kapitel 1 wird im Kapitel 2 eine grundsätzliche Beschreibung elektromagnetischer Felder und Wellen entwickelt, aus der die für diese Arbeit relevanten Eigenschaften elektromagnetischer Felder abgeleitet werden. Es werden die Zusammenhänge zwischen Nah- und Fernfeldern dargestellt sowie die Beschreibungen dieser Felder für messtechnische Zwecke. Mit dieser für Messungen geeigneten Beschreibung elektromagnetischer Felder und Wellen im Hochfrequenzbereich (in dieser Arbeit werden nur Frequenzen oberhalb von 1 MHz betrachtet) werden in Kapitel 3 nationale und internationale Vorschriften und Normen zusammengefasst, die für die weitere Betrachtung von Wirkungen elektromagnetischer Wellen auf den Menschen von Bedeutung sind. Ebenso wird die Methode der Ersatzfeldstärken erläutert und im Zusammenhang mit normativen Vorgaben diskutiert. Ausgehend von der grundsätzlichen Beschreibung elektromagnetische Felder und Wellen und den Forderungen, die sich aus den entsprechenden Normen und Vorschriften ergeben, werden in den sich anschliessenden Kapiteln Messsysteme und Messungen vorgestellt, mit denen eine mögliche Beeinflussung des Menschen durch elektromagnetische Felder bestimmt werden sollen. Gemäß der Unterteilung möglicher Wirkungen in thermische und nicht-thermische sowie Wirkungen auf Medizingeräte, die wiederum direkt den Menschen beeinflussen, wird in den Kapiteln 4 und 5 ein Messsystem entwickelt, mit dessen Hilfe einfach und genau elektrische und magnetische Feldstärken gemessen werden können. Mit diesem Messsystem können genaue Informationen über die Art und v.a. die Stärke der möglicherweise gefährdenden elektromagnetischen Felder gewonnen werden und damit die thermische Wirkungen auf den Menschen ermittelt und gegebenenfalls vermieden werden. Besonderes Augenmerk wird neben der technischen Realisierung eines normgemäßen Messvorgangs auch auf eine mögliche Beeinflussung des Messvorgangs und des Messergebnisses durch den Anwender und das zu messende Signal selbst gelegt. Als Beispiel eines Messsystems zur Bestimmung des Einflusses elektromagnetischer Felder auf Medizingeräte wird in Kapitel 6 ein im Menschen implantierter Herzschrittmacher untersucht. Dabei steht der Vorgang der Störeinkopplung eines äußeren Feldes in den im Menschen implantierten Herzschrittmacher im Vordergrund. Die tatsächliche Störbeeinflussung der Herzschrittmacher-Steuerung und die daraus resultierende mögliche Beeinflussung oder gar die Gefährdung des Herzschrittmacherpatienten muss jedoch auch von medizinischer Seite bewertet werden und wird in dieser Arbeit nicht untersucht. Abschliessend wird in Kapitel 7 ein Messsystem bzw. ein Messaufbau vorgestellt, mit dem versucht wird, nicht-thermische Wirkungen von höchstfrequenten Signalen (77 GHz) auf den Menschen und speziell das vegetative Nervensystem zu untersuchen. Neben den eingesetzten Messsystemen werden auch die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen präsentiert und diskutiert.Item Open Access Low temperature silicon epitaxy : defects and electronic properties(2003) Wagner, Thomas; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)The work investigates the electronic properties of thin epitaxial silicon films and their suitability for microelectronic and photovoltaic applications. The films are grown by ion-assisted deposition (IAD), a molecular beam epitaxy (MBE) method that uses a small fraction of accelerated Si+ ions in the molecular beam, allowing for additional kinetic energy transfer to the substrate during low temperature epitaxy. This work concentrates on films grown at low deposition temperatures Tdep in the range of Tdep = 450°C to 750°C with deposition rates rdep in the range of rdep = 0.1 to 0.5 µm/min. As substrate materials, either monocrystalline (100)-, (111)-, (110)-, and (113)-oriented Si-wafers or block-cast polycrystalline Si-wafers are used. This work shows that the structural and electronic properties of epitaxial films deposited at low temperatures depend significantly on the substrate orientation. The number of extended defects in (100)-oriented films, i.e. dislocations and stacking faults, is significantly lower than in non-(100)-oriented films. The etch pit density nep, as deduced by anisotropic defect etching, is below nep = 1 x 10 3 cm -2 , for (100)-oriented films, independent of deposition temperature and rate. This low number of extended defects ensures that the electronic properties of (100)-oriented films are dominated by point defects. Photoluminescence and deep level transient spectroscopy (DLTS) serve to characterize defects in the (100)-oriented films. A broad defect luminescence band, located at photon energies around hnu = 0.8 eV, appears in all films deposited at Tdep = 460°C. When accelerated silicon ions are used to deposit the films, additional defect peaks appear at hnu = 0.767 eV and below. These defects are correlated to thermal donors, that are typically observed in oxygen rich silicon after thermal treatment at 450°C. Several broad defect bands in the band gap are identified by DLTS-measurements, the most prominent at trap levels Et = 0.2 eV and 0.25 eV above the valence band. The defect density is of the order of 1 x 10 13 cm -3, and shows a minimum for rdep = 0.3 µm/min. For deposition temperatures Tdep > 550°C, no defects are observed with either photoluminescence or DLTS, but the minority carrier diffusion length of the films increases with Tdep. The use of the minority carrier diffusion length as a sensitive measure for the density of electrically active defects reveals an exponential decay of the defect density with rising deposition temperature. Ion-bombardment with Si+-ions during deposition at low temperatures has an important influence on the electronic properties of the films: At Tdep = 460°C and 650°C, the use of accelerated silicon ions in ion-assisted deposition leads to an increase of the minority carrier diffusion length L for moderate acceleration voltages up to 100 V. At higher deposition temperatures, ion-bombardment did not result in a measurable difference of the electronic properties: Thin film solar cells, deposited at Tdep = 750°C with and without accelerated silicon ions showed identical conversion efficiencies of 13.8 %. Despite the variety of defects detected in low temperature epitaxial films, Photoluminescence and DLTS did not allow to identify the dominant recombination mechanism that is responsible for the poor photovoltaic properties of the films deposited at Tdep < 650°C. Therefore, a new lifetime spectroscopy method is developed in this work, that is compatible with thin films and fully processed devices: Temperature dependent quantum efficiency (TQE). Using the TQE method for analysis of thin film solar cells deposited by IAD at Tdep = 460°C and 510°C revealed the presence of two dominant defect centers, active at different temperatures. Applying a multilevel model for the lifetime to the TQE data allows for the identification of a defect center with an activation energy Ea = 0.2 eV as the dominant recombination center at room temperature and a center with Ea = 0.07 eV being active at temperatures below 150 K. The TQE results are in good agreement with DLTS experiments, where comparable defect levels are determined in the same films. Growth on non-(100)-oriented substrates, such as Si(111), Si(110), and Si(113), is dominated by the formation of high densities of extended defects, in particular stacking faults, resulting in significantly lower electronic quality of the films. Light beam induced current investigations of films deposited on polycrystalline substrates with randomly oriented grains show highly differing electronic quality of the grains. As a consequence, this work classifies the suitability of surface orientations for epitaxy according to the resulting electronic quality of the deposited films as follows: Type A)(100)-oriented surfaces result in the highest electronic quality. Type B) singular (stable) surfaces (e.g. (111), (110)) result in medium electronic quality. Type C) facetted surfaces result in the poorest structural and electronic quality. This work gives a detailed analysis of defects in low temperature epitaxial films with their dependence on deposition temperature, deposition rate, and substrate orientation, allowing for a profound judgement of the possibilities and restrictions of low temperature epitaxial films for photovoltaic and microelectronic applications. In most cases, the high number of extended defects and the inferior electronic properties will exclude deposition on non-(100)-oriented substrates. Especially in the case of photovoltaic devices, only epitaxy on (100)-oriented substrates at deposition temperatures above 650°C results in sufficiently high minority carrier diffusion lengths for effective thin film solar cells.Item Open Access Ladungsträgertransport in farbstoffsensibilisierten Solarzellen auf Basis von nanoporösem TiO2(2003) Kron, Gregor; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Herstellung und der elektrischen Charakterisierung farbstoffsensibilisierter Solarzellen (FSSZ), die zum einen mit dem flüssigen Iodid/Triiodid-Redoxelektrolyt, zum anderen mit einem organischen Festkörperlochleiter arbeiten. Entlang des Weges eines am Frontkontakt injizierten Elektrons untersuche und modelliere ich vier verschiedene funktionale Prozesse an den Grenzschichten und in den einzelnen Medien. Dabei vergleiche ich teilweise die beiden FSSZ-Typen miteinander. Der Einfluß des Frontkontaktmaterials auf die Extraktion photogenerierter Elektronen bildet den ersten Schwerpunkt der Arbeit. Das effektive Banddiagramm der FSSZ im thermodynamischen Gleichgewicht zeigt, daß sich am Frontkontakt eine eingebaute Spannung aufbaut, die vom verwendeten Kontaktmaterial abhängt. Eine im Experiment vorgenommene Variation der Frontkontaktmaterialien in der FSSZ modifiziert aufgrund der unterschiedlichen Austrittsarbeiten die eingebaute Spannung. Die Größe der eingebauten Spannung am Frontkontakt wirkt sich wenig auf die Leerlaufspannung des Bauelements aus, sondern spiegelt sich vor allem in der Form der I/V-Kurven wider. Den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Admittanzspektroskopie der FSSZ. Entsprechend der Theorie der klassischen Diffusionsadmittanz am pn-Übergang bestimmt die Diffusion von Elektronen im TiO2 die Admittanz der Elektrolyt-FSSZ. Im Falle der Festkörper-FSSZ zeigt die Analyse der Admittanzdaten negative Kapazitätswerte, gleichbedeutend einer Induktivität. Die Auswertung von I/V-Kennlinien der beiden verwendeten FSSZ-Typen zeigt, daß die Leerlaufspannung der Festkörper-FSSZ parallel zur Titandioxid-Schichtdicke d zunimmt. Die Elektrolyt-FSSZ verhält sich konträr dazu und damit im Sinne konventioneller Solarzellen normal. Um die besondere Abhängigkeit für den Fall des organischen Lochleiters zu erklären, wird ein quantitatives Modell entwickelt. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung und Modellierung des Ionentransports in der Elektrolyt-FSSZ. Mit Hilfe eines der realen Solarzelle ähnlichen Bauelements, bei dem sich die poröse Titandioxidstruktur direkt auf einer Platin-Frontelektrode befindet, werden die limitierenden Diffusionsstromdichten bestimmt. Parallel dazu wird ein detailliertes Modell erstellt, welches die seriell verknüpften Diffusionsprozesse im porösen Medium und im Elektrolytvolumen berücksichtigt. Durch Anpassung der experimentellen Daten, an die Theorie, erhält man schließlich die Triiodiddiffusionskonstante im Volumen und eine effektive Diffusionskonstante im nanoporösen Medium. Zusätzlich läßt sich ein auf die jeweilige FSSZ angepaßtes, optimales Verhältnis zwischen der Dicke der TiO2-Schicht und der des Elektrolytvolumens, sowie eine optimale Triiodidkonzentration im Elektrolyt berechnen.Item Open Access Modeling and characterization of polycrystalline silicon for solar cells and microelectronics(2003) Taretto, Kurt Rodolfo; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)The present work models and characterizes the electronic properties of polycrystalline silicon films and solar cells. The analytical and numerical models provide limiting values of solar cell efficiency that can be reached with polycrystalline silicon. These limit efficiencies are of prime interest for the development of the polycrystalline silicon solar cell technology. The electronic characterization of laser-crystallized silicon films given in this work, provides a complete picture of the electronic transport and recombination parameters, which were unknown up to now. Polycrystalline silicon solar cells show a grain size dependence of the electrical output parameters, regardless of the preparation method. This work develops an analytical model considering the recombination in the space-charge region and in the base of the cell, finding that the open circuit voltage and the short circuit current density are linked by a single parameter, which is the effective diffusion length. Additionally, I develop a second model that relates the effective diffusion length to the short-circuit current density and the optical generation rate. Both models constitute new methods to extract the diffusion length in a solar cell. The model is then utilized to explain the grain size dependence of polycrystalline silicon solar cells output parameters over six orders of magnitude of the grain size. I show that the literature data of 10 % efficient cells with grain sizes as small as 10 nm, is explained by a very low grain boundary recombination velocity between 100 and 1000 cm/s. The origin of such low recombination velocities is proposed in a recent paper, which explains that since all the cells with small grains and high efficiency were reported to have a {220} surface texture, the low recombination velocity could be explained by a large amount of defect-free [110]-tilt grain boundaries. A two-dimensional numerical model developed specifically for pin solar cells with small grain sizes, confirms that the efficient cells made from small-grained films, must have grain boundary recombination velocities in the range of 100-1000 cm/s, in agreement with the predictions of the analytical model. The simulations also set bounds upon the efficiency of microcrystalline solar cells: with a grain size and cell thickness around 1 mm, and a recombination velocity between 100 and 1000 cm/s, an efficiency of 10 % can be reached using a pin structure (as confirmed by the record values found in literature); while a higher limit of 15 % is found for pn cells with highly passivated contacts. The higher efficiency limit found in the pn cells is a consequence of the Shockley-Read-Hall recombination statistics, which yields lower recombination rates at defect levels in the center of the energy gap in a doped material, leading to higher open circuit voltages of the pn cells compared to pin cells. To give a more simple picture of the pin cells modeled numerically, an analytical model for the current/voltage characteristics of the pin cell is developed. Unlike the models shown up to now in the literature, the current/voltage equation of the pin structure developed in this work applies to the whole range of applied voltages between short-circuit and open-circuit conditions. I show that this model also explains many features observed in fine-grained silicon pin solar cells, and establish conceptual bridges between the pin and the pn cell. Thus, this model constitutes a new analytical tool to analyze pin solar cells. The electrical characterizations of laser-crystallized silicon show that the films have p-type conduction, with a strong anisotropy of the conductivity due to the elongated shape of the grains. Hall measurements reveal a hole density between 4x1012 and 4x1013 cm-3, indicating a compensated material, and mobilities between 12 and 120 cm2/Vs. The conductivity of the undoped films lies at 10-4 S/cm at room temperature. The temperature-dependent conductivity reveals a distribution of grain boundary barrier heights, which are about 100 meV high. The carrier density and the barrier heights, imply a minimum defect density at the grain boundaries of 1.6x1010 cm-2. The photoconductivity measurements give a mobility-lifetime product of 2.3x10-5 cm2/V, a value that implies a high electronic quality of the films, which explains the high-quality thin-film transistors obtained with this material. These measurements permit to explain the good quality of laser-crystallized silicon, by means of fundamental electronic parameters of the films. Furthermore, this work demonstrates that the use of laser-crystallized silicon may also be considered for vertical electronic devices, by preparing a test-diode structure made from laser-crystallized silicon prepared on a metallic instead of an insulating layer. The model of the pin cell fits the current/voltage characteristics of the diode with mobility-lifetime products greater than 4x10-6 cm2/V, revealing good electronic quality also in these films. The high electronic quality of laser-crystallized silicon films revealed by the electrical characterizations performed in this work, indicates that the application of this material to minority carrier devices, like bipolar junction transistors or solar cells, should deserve further investigation.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 Niedertemperaturabscheidung von Dünnschicht-Silicium für Solarzellen auf Kunststofffolien(2003) Koch, Christian; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Flexible Silicium Dünnschichtsolarzellen auf preiswerten Plastikfolien erlauben eine deutliche Senkung der Kosten für großflächige Fotovoltaik. Jedoch begrenzen Kunststoffsubstrate wie PET wegen ihrer geringen thermischen Stabilität die maximale Prozesstemperatur auf 80°C. Mit dieser Einschränkung gelang es bisher nicht, amorphes Si mit ausreichender Materialqualität für effiziente Solarzellen herzustellen. Entgegen diesen Erfahrungen berichtet die vorliegende Arbeit zum ersten Mal über die reproduzierbare Abscheidung von protokristallinem Si mit herausragenden elektronischen Eigenschaften bei einer Substrattemperatur von 75°C, auf PET Substrate abgestimmtes thermisches Ausheilen von dotiertem und undotiertem amorphem Si mit einer unerwartet starken Materialverbesserung und die Kombination der besonderen elektronischen und optischen Eigenschaften von protokristallinem und amorphem Si in einer einzigen Solarzelle. Die Summe dieser Ergebnisse ermöglicht die Realisierung einer sogenannten protomorphen (protokristallin+amorph) Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von 5.0 % auf PET Folie. Eine eingehende Untersuchung der amorph/nanokristallinen Phasengrenze von Si kennzeichnet das an der Phasengrenze gewachsene protokristalline Si als ein Material, das auch bei geringen Substrattemperaturen in einem schmalen Raum der Wachstumsparameter Substrattemperatur, Wasserstoffverdünnung der Prozessgase, Wachstumsrate und Wachstumszeit mit herausragenden Materialeigenschaften für den Einsatz in Solarzellen realisierbar ist. Als Ursache für die hohe elektronische Qualität und Stabilität von protokristallinem Si zeigt sich die gegenüber amorphen Schichten um Größenordnungen geringere Defektdichte und eine deutlich gesteigerte atomare Nahordnung der nach wie vor als amorph identifizierten Struktur. Die optischen Eigenschaften von protokristallinem Si mit einer gegenüber amorphen Schichten fast ausschließlich im langwelligen Bereich des Sonnenspektrums verringerten Absorption befürworten den Einsatz von protokristallinem Si als Absorber in Mehrfachstrukturen, bei denen zwei oder mehr Zellen direkt aufeinander gewachsen werden. Mit protokristallinem Si als Absorber für kurzwelliges Licht in der dem einfallenden Licht zugewandten Zelle, und einem amorphen Absorber in der darunter liegenden Zelle zur Absorption von langwelligem Licht erreichen protomorphe Mehrfachzellen eine optimale photovoltaische Umwandlung des gesamten sichtbaren Bereiches des Sonnenspektrums. Das für den protomorphen Zelltyp neben protokristallinem Si verwendete amorphe Si weist bei den geforderten geringen Substrattemperaturen unter 80°C nach der Herstellung unzureichende elektronische Eigenschaften auf. Die elektrische Leitfähigkeit der Dotierschichten liegt um Größenordnungen unter den Werten, wie sie für effiziente Solarzellen notwendig sind. Die Fotoempfindlichkeit der undotierten amorphen Schichten ist ebenfalls viel zu gering für Zellen mit hohem Wirkungsgrad. Thermisches Ausheilen der gewachsenen amorphen Schichten bei Temperaturen von 110-120°C, welche unter dem Erweichungspunkt von PET liegen, erweist sich als eine Nachbehandlung, welche die elektronische Qualität für den Einsatz in protomorphen Zellen mit hohem Wirkungsgrad ausreichend steigert: Beim thermischen Ausheilen steigt die Leitfähigkeit der Dotierschichten um zwei bis drei, die Fotoempfindlichkeit der undotierten Schichten um ein bis zwei Größenordnungen. Ein eigens entwickeltes numerisches Modell identifiziert die atomaren Vorgänge, die zu den starken Veränderungen der elektronischen Qualität beim thermischen Ausheilen führen. Die Simulation der Änderungen in den elektronischen Eigenschaften ermöglicht die Bestimmung der am Ausheilvorgang beteiligten Aktivierungsenergien. Daraus leitet sich ab, dass atomarer Wasserstoff thermisch aktiviert durch das Si Netzwerk zu offenen Si-Bindungen diffundiert, die davon gebildeten Defekte chemisch absättigt und so elektrisch passiviert. Als Summe der Studien an dotiertem und undotiertem Si der amorphen und protokristallinen Phase und dem daraus abgeleiteten Zellaufbau präsentiert die vorliegende Arbeit eine protomorphe Zweifachzelle mit einem Wirkungsgrad von 5.0% auf flexibler PET-Folie. Weitere Varianten des protomorphen Zellkonzeptes von Einfachzellen mit einer Wachstumszeit von wenigen Minuten für maximalen Produktionsdurchsatz bis hin zu aufeinander gewachsenen Vierfachstrukturen mit einer Photospannung über 3.1 Volt für die elektrische Versorgung von z.B. mobilen Kleingeräten beweisen sich als vielversprechendes Konzept, Solarzellen auf preiswerten Kunststoffsubstraten mit hohem Wirkungsgrad zu realisieren.