Utility Harmonic Impedance Measurement Based on Data Selection

Determination of the utility harmonic impedance based on measurements is a significant task for utility power-quality improvement and management. Compared to those well-established, accurate invasive methods, the noninvasive methods are more desirable since they work with natural variations of the loads connected to the point of common coupling (PCC), so that no intentional disturbance is needed. However, the accuracy of these methods has to be improved. In this context, this paper first points out that the critical problem of the noninvasive methods is how to select the measurements that can be used with confidence for utility harmonic impedance calculation. Then, this paper presents a new measurement technique which is based on the complex data-based least-square regression, combined with two techniques of data selection. Simulation and field test results show that the proposed noninvasive method is practical and robust so that it can be used with confidence to determine the utility harmonic impedances.

Reaction intermediates of ethanol electro-oxidation on platinum investigated by SFG spectroscopy

Although electrochemical oxidation of simple organic molecules on metal catalysts is the basic ingredient of fuel cells, which have great technological potential as a renewable source of electrical energy, the detailed reaction mechanisms are in most cases not completely understood. Here, we investigate the ethanol-platinum interface in acidic aqueous solution using infrared-visible sum frequency generation (SFG) spectroscopy and theoretical calculations of vibrational spectra in order to identify the intermediates present during the electro-oxidation of ethanol. The complex vibrational spectrum in the fingerprint region imply on the coexistence of several adsorbates. Based on spectra in ultra-high-vacuum (UHV) and electrochemical environment from the literature and our density functional theory (DFT) calculations of vibrational spectra, new adsorbed intermediates, never before observed with conventional infrared (IR) spectroscopy, are proposed here: g2-acetaldehyde, g2-acetyl, ethylidyne, monodentate acetate, methoxy, tertiary methanol derivative, COH residue, g2-formaldehyde, mono and bidentate formate, CH3 and CH2 residues. In addition, we present new evidences for an ethoxy intermediate, a secondary ethanol derivative and an acetyl species, and we confirm the presence of previously observed adsorbates: a tertiary ethanol derivative, bidentate acetate, and COad. These results indicate that the platinum surface is much more reactive, and the reaction mechanism for ethanol electro-oxidation is considerably more complex than previously considered. This might be also true for many other molecule-catalyst systems.

Biomimese biologischer Membranen: Konzeptionierung, Synthese und biophysikalische Charakterisierung einer Hierarchie festkörpergestützter Mimikry biologischer Membranen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei neue Modelle zur funktionellen Mimiese biologischer Membranen im Bereich der Bionanotechnologie entwickelt. Um den Rahmen der notwendigen Faktoren und Komponenten für biomimetische Membranmodelle abzustecken, wurde das biologische Vorbild im Bezug auf Zusammensetzung, Organisation und Funktion analysiert. Die daraus abgeleiteten Erkenntnisse erlauben das Erreichen von biologisch relevanten Membranwiderständen im Bereich von mehreren MOhm cm2 und eine gute lokale Fluidität. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Hierachie unterschiedlich stark von der Festkörperoberfläche entkoppelter Membranen zur Vergrößerung des submembranen Raumes. Diese Ziele konnten realisiert werden. Das auf archaealen Etherlipiden basierende DPTL-System wurde analog dem biologischen Vorbild stereoselektiv synthetisiert und ist in der Lage die Membran bei maximaler Elongation des TEG-Spacers mit mehr als 2 nm von der Oberfläche zu entkoppeln. Die erzielten Wiederstände liegen im hohen ein- bis zweistelligen MOhm-Bereich, die Kapazität entspricht mit 0,5 µF cm-2 ebenfalls dem Wert biologischer Membranen. Die Membraneigenschaften wurden mit Hilfe von SPS, EIS, IR-Spektroskopie, QCM, AFM und Kontaktwinkelmessungen charakterisiert. Die Funktionalität und lokale Fluidität der DPTL-Membran konnte anhand des Valinomycin vermittelten K+-Transports über die Membran gezeigt werden. Fluide Elektroden oder laterale Verdünnung mit TEGL erlauben den Einbau größerer Ionenkanäle. Lipo-Glycopolymere (LGP) mit unterschiedlichen Kettenlängen wurden mit Hilfe der kontrollierten radikalischen Polymerisation mit einer PD < 1.2 synthetisiert. Es zeigte sich, daß die Vororientierung der LGPs auf dem LB-Trog, gefolgt von einem LB-Übertrag auf einen funktionalisierten Träger mit photoreaktivem SAM, nach Belichten des Systems zu einer verlässlichen kovalenten Anbindung der supramolekularen LGP-Architektur führt. Da die Lipo-Glycopolymerketten am Glycopolymerterminus nur mit oberflächennahen Repetiereinheiten an die photoaktivierte Oberfläche binden, sind sie in der Lage Oberflächenrauhigkeiten des Festkörpersubstrates auszugleichen. Die photochemische Immobilisierung von funktionell orientierten supramolekularen LGP-Architekturen auf Goldoberflächen resultiert in tBLMs mit großen vertikalen Enkopplungen der Membran von der Festkörperoberfläche (>8 nm). Der funktionelle Ionentransport von Kaliumionen durch Valinomycin zeigt eine ausreichende lokale Fluidität der Membran die mit einem guten Membranwiderstand (mehrere MOhm) kombiniert ist. Große Membran-Oberflächenentkopplungen konnten mit Hilfe plasmapolymerisierter elektrophiler Polymere erreicht werden. Filmdicken von 50 nm sind mit homogener Oberfläche und Rauhigkeiten im Bereich von Nanometern möglich. Das System zeigt interessante fluide Eigenschaften mit guten Erholungsraten bei FRAP-Experimenten (Diffusionskonstanten von etwa 17 mikro m2 s-1). Die elektrischen Eigenschaften liegen mit Widerständen von wenigen kOhm unterhalb der für gute Membranmimikrie notwendigen Werte. Erstmalig konnte gezeigt werden, daß mit Hilfe dieser Methode inerte Polymere/Plastikträger (zum Beispiel Polypropylen und TOPAS) in effizienter Weise kovalent mit reaktiven Polymeroberflächen modifiziert werden können (Anwendung als DNA-Chip ist beschrieben).

Fabrication, Electrical Characterization and Simulation of Thin Film Solar Cells: CdTe and CIGS Materials

CdTe and Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin film solar cells are fabricated, electrically characterized and modelled in this thesis. We start from the fabrication of CdTe thin film devices where the R.F. magnetron sputtering system is used to deposit the CdS/CdTe based solar cells. The chlorine post-growth treatment is modified in order to uniformly cover the cell surface and reduce the probability of pinholes and shunting pathways creation which, in turn, reduces the series resistance. The deionized water etching is proposed, for the first time, as the simplest solution to optimize the effect of shunt resistance, stability and metal-semiconductor inter-diffusion at the back contact. In continue, oxygen incorporation is proposed while CdTe layer deposition. This technique has been rarely examined through R.F sputtering deposition of such devices. The above experiments are characterized electrically and optically by current-voltage characterization, scanning electron microscopy, x-ray diffraction and optical spectroscopy. Furthermore, for the first time, the degradation rate of CdTe devices over time is numerically simulated through AMPS and SCAPS simulators. It is proposed that the instability of electrical parameters is coupled with the material properties and external stresses (bias, temperature and illumination). Then, CIGS materials are simulated and characterized by several techniques such as surface photovoltage spectroscopy is used (as a novel idea) to extract the band gap of graded band gap CIGS layers, surface or bulk defect states. The surface roughness is scanned by atomic force microscopy on nanometre scale to obtain the surface topography of the film. The modified equivalent circuits are proposed and the band gap graded profiles are simulated by AMPS simulator and several graded profiles are examined in order to optimize their thickness, grading strength and electrical parameters. Furthermore, the transport mechanisms and Auger generation phenomenon are modelled in CIGS devices.

Investigation of the electric field enhanced PNA-DNA hybridization on Au surface by using surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS)

Recently, the surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) was developed as a kinetic analysis and a detection method with dual- monitoring of the change of reflectivity and fluorescence signal for the interfacial phenomenon. A fundamental study of PNA and DNA interaction at the surface using surface plasmon fluorescence spectroscopy (SPFS) will be investigated in studies. Furthermore, several specific conditions to influence on PNA/DNA hybridization and affinity efficiency by monitoring reflective index changes and fluorescence variation at the same time will be considered. In order to identify the affinity degree of PNA/DNA hybridizaiton at the surface, the association constant (kon) and the dissociation constant (koff) will be obtained by titration experiment of various concentration of target DNA and kinetic investigation. In addition, for more enhancing the hybridization efficiency of PNA/DNA, a study of polarized electric field enhancement system will be introduced and performed in detail. DNA is well-known polyelectrolytes with naturally negative charged molecules in its structure. With polarized electrical treatment, applying DC field to the metal surface, which PNA probe would be immobilized at, negatively charged DNA molecules can be attracted by electromagnetic attraction force and manipulated to the close the surface area, and have more possibility to hybridize with probe PNA molecules by hydrogen bonding each corresponding base sequence. There are several major factors can be influenced on the hybridization efficiency.

Studies of degradation of organic solar cell materials using electrical scanning probe microscopy

Intense research is being done in the field of organic photovoltaics in order to synthesize low band-gap organic molecules. These molecules are electron donors which feature in combination with acceptor molecules, typically fullerene derivarntives, forming an active blend. This active blend has phase separated bicontinuous morphology on a nanometer scale. The highest recorded power conversionrnefficiencies for such cells have been 10.6%. Organic semiconductors differ from inorganic ones due to the presence of tightly bonded excitons (electron-hole pairs)resulting from their low dielectric constant (εr ≈2-4). An additional driving force is required to separate such Frenkel excitons since their binding energy (0.3-1 eV) is too large to be dissociated by an electric field alone. This additional driving force arises from the energy difference between the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the donor and the acceptor materials. Moreover, the efficiency of the cells also depends on the difference between the highest occupied molecular orbital (HOMO) of the donor and LUMO of the acceptor. Therefore, a precise control and estimation of these energy levels are required. Furthermore any external influences that change the energy levels will cause a degradation of the power conversion efficiency of organic solar cell materials. In particular, the role of photo-induced degradation on the morphology and electrical performance is a major contribution to degradation and needs to be understood on a nanometer scale. Scanning Probe Microscopy (SPM) offers the resolution to image the nanometer scale bicontinuous morphology. In addition SPM can be operated to measure the local contact potential difference (CPD) of materials from which energy levels in the materials can be derived. Thus SPM is an unique method for the characterization of surface morphology, potential changes and conductivity changes under operating conditions. In the present work, I describe investigations of organic photovoltaic materials upon photo-oxidation which is one of the major causes of degradation of these solar cell materials. SPM, Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and UV-Vis spectroscopy studies allowed me to identify the chemical reactions occurring inside the active layer upon photo-oxidation. From the measured data, it was possible to deduce the energy levels and explain the various shifts which gave a better understanding of the physics of the device. In addition, I was able to quantify the degradation by correlating the local changes in the CPD and conductivity to the device characteristics, i.e., open circuit voltage and short circuit current. Furthermore, time-resolved electrostatic force microscopy (tr-EFM) allowed us to probe dynamic processes like the charging rate of the individual donor and acceptor domains within the active blend. Upon photo-oxidation, it was observed, that the acceptor molecules got oxidized first preventing the donor polymer from degrading. Work functions of electrodes can be tailored by modifying the interface with monomolecular thin layers of molecules which are made by a chemical reaction in liquids. These modifications in the work function are particularly attractive for opto-electronic devices whose performance depends on the band alignment between the electrodes and the active material. In order to measure the shift in work function on a nanometer scale, I used KPFM in situ, which means in liquids, to follow changes in the work function of Au upon hexadecanethiol adsorption from decane. All the above investigations give us a better understanding of the photo-degradation processes of the active material at the nanoscale. Also, a method to compare various new materials used for organic solar cells for stability is proposed which eliminates the requirement to make fully functional devices saving time and additional engineering efforts.

Unraveling efficiency-limiting processes in organic solar cells by ultrafast spectroscopy - impact of chemical structure and morphology on photophysics and efficiency

Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung der photophysikalischen Prozesse, die in Mischungen von Elektronendonoren mit Elektronenakzeptoren zur Anwendung in organischen Solarzellen auftreten. Als Elektronendonoren werden das Copolymer PBDTTT-C, das aus Benzodithiophen- und Thienothiophene-Einheiten besteht, und das kleine Molekül p-DTS(FBTTh2)2, welches Silizium-überbrücktes Dithiophen, sowie fluoriertes Benzothiadiazol und Dithiophen beinhaltet, verwendet. Als Elektronenakzeptor finden ein planares 3,4:9,10-Perylentetracarbonsäurediimid-(PDI)-Derivat und verschiedene Fullerenderivate Anwendung. PDI-Derivate gelten als vielversprechende Alternativen zu Fullerenen aufgrund der durch chemische Synthese abstimmbaren strukturellen, optischen und elektronischen Eigenschaften. Das gewichtigste Argument für PDI-Derivate ist deren Absorption im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums was den Photostrom verbessern kann. Fulleren-basierte Mischungen übertreffen jedoch für gewöhnlich die Effizienz von Donor-PDI-Mischungen.rnUm den Nachteil der PDI-basierten Mischungen im Vergleich zu den entsprechenden Fulleren-basierten Mischungen zu identifizieren, werden die verschiedenen Donor-Akzeptor-Kombinationen auf ihre optischen, elektronischen und strukturellen Eigenschaften untersucht. Zeitaufgelöste Spektroskopie, vor allem transiente Absorptionsspektroskopie (TA), wird zur Analyse der Ladungsgeneration angewendet und der Vergleich der Donor-PDI Mischfilme mit den Donor-Fulleren Mischfilmen zeigt, dass die Bildung von Ladungstransferzuständen einen der Hauptverlustkanäle darstellt.rnWeiterhin werden Mischungen aus PBDTTT-C und [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylesther (PC61BM) mittels TA-Spektroskopie auf einer Zeitskala von ps bis µs untersucht und es kann gezeigt werden, dass der Triplettzustand des Polymers über die nicht-geminale Rekombination freier Ladungen auf einer sub-ns Zeitskala bevölkert wird. Hochentwickelte Methoden zur Datenanalyse, wie multivariate curve resolution (MCR), werden angewendet um überlagernde Datensignale zu trennen. Zusätzlich kann die Regeneration von Ladungsträgern durch Triplett-Triplett-Annihilation auf einer ns-µs Zeitskala gezeigt werden. Darüber hinaus wird der Einfluss des Lösungsmitteladditivs 1,8-Diiodooctan (DIO) auf die Leistungsfähigkeit von p-DTS(FBTTh2)2:PDI Solarzellen untersucht. Die Erkenntnisse von morphologischen und photophysikalischen Experimenten werden kombiniert, um die strukturellen Eigenschaften und die Photophysik mit den relevanten Kenngrößen des Bauteils in Verbindung zu setzen. Zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen (time-resolved photoluminescence, TRPL) zeigen, dass der Einsatz von DIO zu einer geringeren Reduzierung der Photolumineszenz führt, was auf eine größere Phasentrennung zurückgeführt werden kann. Außerdem kann mittels TA Spektroskopie gezeigt werden, dass die Verwendung von DIO zu einer verbesserten Kristallinität der aktiven Schicht führt und die Generation freier Ladungen fördert. Zur genauen Analyse des Signalzerfalls wird ein Modell angewendet, das den gleichzeitigen Zerfall gebundener CT-Zustände und freier Ladungen berücksichtigt und optimierte Donor-Akzeptor-Mischungen zeigen einen größeren Anteil an nicht-geminaler Rekombination freier Ladungsträger.rnIn einer weiteren Fallstudie wird der Einfluss des Fullerenderivats, namentlich IC60BA und PC71BM, auf die Leistungsfähigkeit und Photophysik der Solarzellen untersucht. Eine Kombination aus einer Untersuchung der Struktur des Dünnfilms sowie zeitaufgelöster Spektroskopie ergibt, dass Mischungen, die ICBA als Elektronenakzeptor verwenden, eine schlechtere Trennung von Ladungstransferzuständen zeigen und unter einer stärkeren geminalen Rekombination im Vergleich zu PCBM-basierten Mischungen leiden. Dies kann auf die kleinere Triebkraft zur Ladungstrennung sowie auf die höhere Unordnung der ICBA-basierten Mischungen, die die Ladungstrennung hemmen, zurückgeführt werden. Außerdem wird der Einfluss reiner Fullerendomänen auf die Funktionsfähigkeit organischer Solarzellen, die aus Mischungen des Thienothienophen-basierenden Polymers pBTTT-C14 und PC61BM bestehen, untersucht. Aus diesem Grund wird die Photophysik von Filmen mit einem Donor-Akzeptor-Mischungsverhältnis von 1:1 sowie 1:4 verglichen. Während 1:1-Mischungen lediglich eine co-kristalline Phase, in der Fullerene zwischen den Seitenketten von pBTTT interkalieren, zeigen, resultiert der Überschuss an Fulleren in den 1:4-Proben in der Ausbildung reiner Fullerendomänen zusätzlich zu der co kristallinen Phase. Transiente Absorptionsspektroskopie verdeutlicht, dass Ladungstransferzustände in 1:1-Mischungen hauptsächlich über geminale Rekombination zerfallen, während in 1:4 Mischungen ein beträchtlicher Anteil an Ladungen ihre wechselseitige Coulombanziehung überwinden und freie Ladungsträger bilden kann, die schließlich nicht-geminal rekombinieren.

Local degradation of structural, mechanical, electrical and chemical properties of membrane electrode assembly in polymer electrolyte fuel cell

Polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is promising source of clean power in many applications ranging from portable electronics to automotive and land-based power generation. However, widespread commercialization of PEMFC is primarily challenged by degradation. The mechanisms of fuel cell degradation are not well understood. Even though the numbers of installed units around the world continue to increase and dominate the pre-markets, the present lifetime requirements for fuel cells cannot be guarantee, creating the need for a more comprehensive knowledge of material’s ageing mechanism. The objective of this project is to conduct experiments on membrane electrode assembly (MEA) components of PEMFC to study structural, mechanical, electrical and chemical changes during ageing and understanding failure/degradation mechanism. The first part of this project was devoted to surface roughness analysis on catalyst layer (CL) and gas diffusion layer (GDL) using surface mapping microscopy. This study was motivated by the need to have a quantitative understanding of the GDL and CL surface morphology at the submicron level to predict interfacial contact resistance. Nanoindentation studies using atomic force microscope (AFM) were introduced to investigate the effect of degradation on mechanical properties of CL. The elastic modulus was decreased by 45 % in end of life (EOL) CL as compare to beginning of life (BOL) CL. In another set of experiment, conductive AFM (cAFM) was used to probe the local electric current in CL. The conductivity drops by 62 % in EOL CL. The future task will include characterization of MEA degradation using Raman and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy. Raman spectroscopy will help to detect degree of structural disorder in CL during degradation. FTIR will help to study the effect of CO in CL. XRD will be used to determine Pt particle size and its crystallinity. In-situ conductive AFM studies using electrochemical cell on CL to correlate its structure with oxygen reduction reaction (ORR) reactivity

EFFECT OF ELECTRICAL DISCHARGE PATTERN ON SPARK IGNITED FLAME KERNEL DEVELOPMENT

Fuel-lean combustion and exhaust gas recirculation (EGR) in spark ignition engines improve engine efficiency and reduce emission. However, flame initiation becomes more difficult in lean and dilute fuel-air mixture with traditional spark discharge. This research proposal will first provide an intensive review on topics related to spark ignition including properties of electrical discharge, flame kernel behavior and spark ignition modeling and simulation. Focus will be laid on electrical discharge pattern effect as it is showing prospect in extending ignition limits in SI engines. An experimental setup has been built with an optically accessible constant volume combustion vessel. Multiple imaging techniques as well as spectroscopy will be applied. By varying spark discharge patterns, preliminary test results are available on consequent flame kernel development. In addition to experimental investigation of spark plasma and flame kernel development, spark ignition modeling with detailed description of plasma channel is also proposed for this study.