Imaging spin-filter efficiency of W(001) and Ir(001) single crystals

W��hrend der letzten Jahre wurde f��r Spinfilter-Detektoren ein wesentlicher Schritt in Richtung stark erh��hter Effizienz vollzogen. Das ist eine wichtige Voraussetzung f��r spinaufgel��ste Messungen mit Hilfe von modernen Elektronensp ektrometern und Impulsmikroskopen. In dieser Doktorarbeit wurden bisherige Arbeiten der parallel abbildenden Technik weiterentwickelt, die darauf beruht, dass ein elektronenoptisches Bild unter Ausnutzung der k-parallel Erhaltung in der Niedrigenergie-Elektronenbeugung auch nach einer Reflektion an einer kristallinen Oberfl��che erhalten bleibt. Fr��here Messungen basierend auf der spekularen Reflexion an einerrnW(001) Oberfl��che [Kolbe et al., 2011; Tusche et al., 2011] wurden auf einenrnviel gr����eren Parameterbereich erweitert und mit Ir(001) wurde ein neues System untersucht, welches eine sehr viel l��ngere Lebensdauer der gereinigten Kristalloberfl��che im UHV aufweist. Die Streuenergie- und Einfallswinkel-���Landschaft��� der Spinempfindlichkeit S und der Reflektivit��t I/I0 von gestreuten Elektronen wurde im Bereich von 13.7 - 36.7 eV Streuenergie und 30��� - 60��� Streuwinkel gemessen. Die dazu neu aufgebaute Messanordnung umfasst eine spinpolarisierte GaAs Elektronenquellernund einen drehbaren Elektronendetektor (Delayline Detektor) zur ortsaufl��senden Detektion der gestreuten Elektronen. Die Ergebnisse zeigen mehrere Regionen mit hoher Asymmetrie und gro��em G��tefaktor (figure of merit FoM), definiert als S2 �� I/I0. Diese Regionen er��ffnen einen Weg f��r eine deutliche Verbesserung der Vielkanal-Spinfiltertechnik f��r die Elektronenspektroskopie und Impulsmikroskopie. Im praktischen Einsatz erwies sich die Ir(001)-Einkristalloberfl��che in Bezug auf l��ngere Lebensdauer im UHV (ca. 1 Messtag), verbunden mit hoher FOM als sehr vielversprechend. Der Ir(001)-Detektor wurde in Verbindung mit einem Halbkugelanalysator bei einem zeitaufgel��sten Experiment im Femtosekunden-Bereich am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY eingesetzt. Als gute Arbeitspunkte erwiesen sich 45��� Streuwinkel und 39 eV Streuenergie, mit einer nutzbaren Energiebreite von 5 eV, sowie 10 eV Streuenergie mit einem schmaleren Profil von < 1 eV aber etwa 10�� gr����erer G��tefunktion. Die Spinasymmetrie erreicht Werte bis 70 %, was den Einfluss von apparativen Asymmetrien deutlich reduziert. Die resultierende Messungen und Energie-Winkel-Landschaft zeigt recht gute ��bereinstimmung mit der Theorie (relativistic layer-KKR SPLEED code [Braun et al., 2013; Feder et al.,rn2012])

Self assembled materials for solar cell application

In der vorliegenden Arbeit wurden Materialien und Aufbauten f��r Hybrid Solarzellen entwickelt und erforscht. rnDer Vergleich zweier bekannter Lochleitermaterialien f��r Solarzellen in einfachen Blend-Systemen brachte sowohl Einsicht zur unterschiedlichen Eignung der Materialien f��r optoelektronische Bauelemente als auch neue Erkenntnisse in Bereichen der Langzeitstabilit��t und Luftempfindlichkeit beider Materialien.rnWeiterhin wurde eine Methode entwickelt, um Hybrid Solarzelle auf m��glichst unkomplizierte Weise aus kosteng��nstigen Materialien darzustellen. Die ���Eintopf���-Synthese erm��glicht die unkomplizierte Darstellung eines funktionalen Hybridmaterials f��r die optoelektronische Anwendung. Mithilfe eines neu entwickelten amphiphilen Blockcopolymers, das als funktionelles Templat eingesetzt wurde, konnten mit einem TiO2-Precursor in einem Sol-Gel Ansatz verschiedene selbstorganisierte Morphologien des Hybridmaterials erhalten werden. Verschiedene Morphologien wurden auf ihre Eignung in Hybrid Solarzellen untersucht. Ob und warum die Morphologie des Hybridsystems die Effizienz der Solarzelle beeinflusst, konnte verdeutlicht werden. Mit der Weiterentwicklung der ���Eintopf���-Synthese, durch den Austausch des TiO2-Precursors, konnte die Solarzelleneffizienz von 0.15 auf 0.4 % gesteigert werden. Weiterhin konnte die ��bertragbarkeit des Systems durch den erfolgreichen Austausch des Halbleiters TiO��2 mit ZnO bewiesen werden.rn

Effizientes Vierwellenmischen durch Ausnutzen von Resonanzen in Quecksilber

In dieser Arbeit wird eine koh��rente, kontinuierliche Strahlungsquelle im vakuum-ultravioletten (VUV) Spektrum vorgestellt. Sie basiert auf einem Vierwellenmischprozess in Quecksilberdampf mit Fundamentalstrahlen bei 253,7 nm, 407,9 nm und 545,5 nm Wellenl��nge. Diese fundamentalen Strahlen werden durch frequenzverdoppelte bzw. frequenzvervierfachte Festk��rperlasersysteme bereit gestellt. Durch das Ausnutzen der 6^1S-7^1S Zweiphotonenresonanz und zus��tzlich der 6^1S-6^3P Einphotonenresonanz kann der Vierwellenmischprozess deutlich effizienter betrieben werden als zuvor. Eine nahe Einphotonenresonanz verringert die optimale Phasenanpassungstemperatur des Vierwellenmischprozesses, wodurch Druck- und Sto��verbreiterungen des Quecksilbers verkleinert und damit der nichtlineare Prozess effizienter wird. So k��nnen Leistungen bis zu 0,3 nW bei 121,56 nm, dem 1S-2P Lyman-alpha ��bergang von Wasserstoff, erzeugt werden. Diese Lyman-alpha Quelle soll f��r die zuk��nftige Laserk��hlung von Antiwasserstoff genutzt werden. rnrnNeben der Generierung von Strahlung bei Lyman-alpha kann, durch Ver��nderung der dritten Fundamentalwellenl��nge, auch Strahlung in der N��he zu einer Einphotonresonanz im VUV bei dem 6^1S-12^1P ��bergang in Quecksilber durch Vierwellenmischen erzeugt werden. Durch diese weitere Einphotonresonanz kann die nichtlineare Suszeptibilit��t, verantwortlich f��r das Vierwellenmischen, stark vergr����ert werden, ohne Einfluss auf die Phasenanpassung zu haben. Damit l��sst sich der Mischprozess um drei Gr����enordnungen effizienter gestalten und Leistungen von 6 ��W im VUV konnten realisiert werden. Dies entspricht einer Leistungsteigerung um einen Faktor 30 im Vergleich zu fr��heren Quellen. rnrnDar��berhinaus konnte die Zweiphotonenresonanz in Quecksilber ausf��hrlich untersucht werden. Man erh��lt bei kleinen Rabifrequenzen der Fundamentalstrahlen eine geschwindigkeitsselektive Doppelresonanz, die den gleichen Ursprung wie Dunkelresonanzen in Lambda-Systemen hat. Bei hohen Rabifrequenzen kann die Anregung in das Zweiphotonenniveau so stark werden, dass auf dem 7^1S-6^1P ��bergang ein Laserprozess initiiert wird. Dieser Prozess wurde hier zum ersten Mal mit kontinuierlichen Fundamentallasern nachgewiesen. Es wird gezeigt, dass der zus��tzliche Laserprozess das Vierwellenmischen nicht beeintr��chtigt.

Charge generation, transport and recombination in organic solar cells

This thesis presents a study of the charge generation, transport, and recombination processes in organic solar cells performed with time-resolved experimental techniques. Organic solar cells based on polymers can be solution-processed on large areas and thus promise to become an inexpensive source of renewable energy. Despite significant improvements of the power conversion efficiency over the last decade, the fundamental working principles of organic solar cells are still not fully understood. It is the aim of this thesis to clarify the role of different performance limiting processes in organic solar cells and to correlate them with the molecular structure of the studied materials, i.e. poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM). By combining time-of-flight charge transport measurements, transient absorption spectroscopy, a newly developed experimental technique called time delayed double pulse experiment and drift-diffusion simulations a comprehensive analysis of the working principles of P3HT:PCBM solar cells could be performed. It was found that the molecular structure of P3HT (i.e. the regioregularity) has a pronounced influence on the morphology of thin films of pristine P3HT and of blends of P3HT with PCBM. This morphology in turn affected the charge transport properties as well as the charge generation and recombination kinetics. Well-ordered regioregular P3HT was found to be characterized by a high charge carrier mobility, efficient charge generation and low but field-dependent (non-geminate) recombination. Importantly, the charge generation yield was found to be independent of temperature and applied electric field as opposed to the expectations of the Onsager-Braun model that is commonly applied to describe the temperature and field dependence of charge generation in organic solar cells. These properties resulted in a reasonably good power conversion efficiency. In contrast to this, amorphous regiorandom P3HT was found to show poor charge generation, transport and recombination properties that combine to a much lower power conversion efficiency.

Oxide thermoelectrics via a glass-ceramic route

Thermoelektrizit��t beschreibt die reversible Beeinflussung und Wechselwirkung von Elektrizit��t und Temperatur T in Systemen abseits des thermischen Gleichgewichtes. In diesen f��hrt ein Temperaturgradient entlang eines thermoelektrischen Materials zu einem kontinuierlichen Ungleichgewicht in der Energieverteilung der Ladungstr��ger. Dies hat einen Diffusionsstrom der energiereichen Ladungstr��ger zum kalten Ende und der energiearmen Ladungstr��ger zum hei��en Ende zur Folge. Da in offenen Stromkreisen kein Strom flie��t, wird ein Ungleichgewicht der Str��me ��ber das Ausbilden eines elektrischen Feldes kompensiert. Die dadurch entstehende Spannung wird als Seebeck Spannung bezeichnet. ��ber einen geeigneten Verbraucher, folgend aus dem Ohm'schen Gesetz, kann nun ein Strom flie��en und elektrische Energie gewonnen werden. Den umgekehrten Fall beschreibt der sogenannte Peltier Effekt, bei dem ein Stromfluss durch zwei unterschiedliche miteinander verbundene Materialien ein Erw��rmen oder Abk��hlen der Kontaktstelle zur Folge hat. Die Effizienz eines thermoelektrischen Materials kann ��ber die dimensionslose Gr����e ZT=S^2*sigma/kappa*T charakterisiert werden. Diese setzt sich zusammen aus den materialspezifischen Gr����en der elektrischen Leitf��higkeit sigma, der thermischen Leitf��higkeit kappa und dem Seebeck Koeffizienten S als Ma�� der erzeugten Spannung bei gegebener Temperaturdifferenz. Diese Arbeit verfolgt den Ansatz glaskeramische Materialien mit thermoelektrischen Kristallphasen zu synthetisieren, sie strukturell zu charakterisieren und ihre thermoelektrischen Eigenschaften zu messen, um eine Struktur-Eigenschaft Korrelation zu erarbeiten. Hierbei werden im Detail eine elektronenleitende (Hauptphase SrTi_xNb_{1-x}O_3) sowie eine l��cherleitende Glaskeramik (Hauptphase Bi_2Sr_2Co_2O_y) untersucht. Unter dem Begriff Glaskeramiken sind teilkristalline Materialien zu verstehen, die aus Glasschmelzen durch gesteuerte Kristallisation hergestellt werden k��nnen. ��ber den Grad der Kristallisation und die Art der ausgeschiedenen Spezies an Kristallen lassen sich die physikalischen Eigenschaften dieser Systeme gezielt beeinflussen. Glaskeramiken bieten, verursacht durch ihre Restglasphase, eine niedrige thermische Leitf��higkeit und die Fermi Energie l��sst sich durch Dotierungen in Richtung des Leitungs- oder Valenzbands verschieben. Ebenso besitzen glaskeramische Materialien durch ihre Porenfreiheit verbesserte mechanische Eigenschaften gegen��ber Keramiken und sind weniger anf��llig f��r den Einfluss des Sauerstoffpartialdruckes p_{O_2} auf die Parameter. Ein glaskeramisches und ein gemischt keramisch/glaskeramisches thermoelektrisches Modul aus den entwickelten Materialien werden konzipiert, pr��pariert, kontaktiert und bez��glich ihrer Leistung vermessen.