The growing significance, technical development and employment of electromagnetic (EM) methods in exploration geophysics have led to the increasing need for reliable and fast techniques of interpretation of 3-D EM data sets acquired in complex geological environments. The first and most important step to creating an inversion method is the development of a solver for the forward problem. In order to create an efficient, reliable and practical 3-D EM inversion, it is necessary to have a 3-D EM modelling code that is highly accurate, robust and very fast. This thesis focuses precisely on this crucial and very demanding step to building a 3-D EM interpretation method. The thesis presents as its main contribution a highly accurate, robust, very fast and extremely scalable numerical method for 3-D EM modelling in geophysics that is based on finite elements (FE) and designed to run on massively parallel computing platforms. Thanks to the fact that the FE approach supports completely unstructured tetrahedral meshes as well as local mesh refinements, the presented solver is able to represent complex geometries of subsurface structures very precisely and thus improve the solution accuracy and avoid misleading artefacts in images. Consequently, it can be successfully used in geological environments of arbitrary geometrical complexities. The parallel implementation of the method, which is based on the domain decomposition and a hybrid MPI-OpenMP scheme, has proved to be highly scalable - the achieved speed-up is close to the linear for more than a thousand processors. Thanks to this, the code is able to deal with extremely large problems, which may have hundreds of millions of degrees of freedom, in a very efficient way. The importance of having this forward-problem solver lies in the fact that it is now possible to create a 3-D EM inversion that can deal with data obtained in extremely complex geological environments in a way that is realistic for practical use in industry. So far, such imaging tool has not been proposed due to a lack of efficient, parallel FE solutions as well as the limitations of efficient solvers based on finite differences. In addition, the thesis discusses physical, mathematical and numerical aspects and challenges of 3-D EM modelling, which have been studied during my research in order to properly design the presented software for EM field simulations on 3-D areas of the Earth. Through this work, a physical problem formulation based on the secondary Coulomb-gauged EM potentials has been validated, proving that it can be successfully used with the standard nodal FE method to give highly accurate numerical solutions. Also, this work has shown that Krylov subspace iterative methods are the best solution for solving linear systems that arise after FE discretisation of the problem under consideration. More precisely, it has been discovered empirically that the best iterative method for this kind of problems is biconjugate gradient stabilised with an elaborate preconditioner. Since most commonly used preconditioners proved to be either unable to improve the convergence of the implemented solvers to the desired extent, or impractical in the parallel context, I have proposed a preconditioning technique for Krylov methods that is based on algebraic multigrid. Tests for various problems with different conductivity structures and characteristics have shown that the new preconditioner greatly improves the convergence of different Krylov subspace methods, which significantly reduces the total execution time of the program and improves the solution quality. Furthermore, the preconditioner is very practical for parallel implementation. Finally, it has been concluded that there are not any restrictions in employing classical parallel programming models, MPI and OpenMP, for parallelisation of the presented FE solver. Moreover, they have proved to be enough to provide an excellent scalability for it.

En aquesta Tesi Doctoral ens hem plantejat dos objectius fonamentals: d'una banda, la caracterització de materials magnètics adients per a l'enregistrament magnètic perpendicular i, d'altra banda, l'estudi de les propietats magnètiques dels òxids de Ni tipus La(2)NiO(4), isoestructurals als òxids de Cu superconductors d'alta temperatura critica.A. Materials per a l'enregistrament magnètic:Pel que fa als materials per l'enregistrament magnètic perpendicular (l'eix de fàcil magnetització de les partícules es perpendicular al pla del suport, amb la qual cosa hom permet d'augmentar la densitat d'informació sense augmentar el risc de desimantació bit a bit), el millor de fàcil magnetització de les partícules sigui perpendicular al pla del suport atès la seva i) bona magnetització de saturació, ii) morfologia de prisma hexagonal i iii) forta anisotropia magnetocristal.lina uniaxial al llarg de la dirección perpendicular a la cara hexagonal, la qual cosa fa que l'eix de fácil magnetització de les partícules sigui perpendicular al pla de suport. Malauradament, les partícules de BaFe(12)O(19) presenten coercitivitats massa elevades (H(C) = 5000- 6000 Oe a temperatura ambient) per a la seva aplicació tecnològica, de manera que al dopar la fase pura amb algun element que redueixi aquest valor. Fins el moment, l'aspirant més idoni sembla ser el catió Co(2+), car comporta una forta contribució negativa (planar) a la primera constant d"anisotropia.En aquest sentit, per tal de mantenir la neutralitat elèctrica, els dopatges que hem realitzat són bicatiònics: cal acompanyar el catió Co(2+) amb algun element tetravalent M(4+). Així, en aquest estudi hem assatjat dues families de dopatge, la familia tipus BaFe(12-2x)Co(x)Ti(x)o(19) (O menor o igual que X menor o igual que 1.0), que anomenem sèrie de dopatge Co-Ti, i la familia tipus BaFe(12-2x)Co(x)Sn(x)O(19) (O menor o igual que X menor o igual que 1.0), que anomenem sèrie de Co-Sn. Dels resultats experimentals obtinguts i de la seva anàlisi, podem concloure:1) hem determinat, mitjançant la difracció de neutrons i les mesures termomagnètiques, la distribució catiònica i l'evolució de l'estructura cristal.logràfica amb el dopatge. Tanmateix, per a la sèrie Co-Ti hem proposat una possible evolució de l'estructura magnètica. 2) hem comparat les propietats intrínsiques i extrínsiques d'ambdues sèries, tot i emfatizant aquelles diferències que poden entendre's en termes de la diferent distribución catiònica existent.3) com a corolari d'aquesta comparació, podem concloure que la sèrie de dopatge Co-Sn es presenta com una bona alternativa a la sèrie clàssica Co-Ti, per la seva utilització com a material per a l'enregistrament magnètic. B. Oxids de Ni tipus La(2)NiO(4).En els darrers anys, gran quantitat d'estudis experimentals han estat realitzats per tal de caracteritzar les propietats físiques del sistema La(2-x)Sr(x)CuO(4-6) , en el qual la superconductivitat d'alta temperatura fou detectada per primer cop. Ara bé, fins fa poc temps, hom no havia dedicat massa atenció a la fenomenologia d'una altra familia de compostos que presenta un conjunt de versemblances estructurals, magnètiques i electròniques sorprenents amb aquests òxids de coure. Ens referim als òxids de Ni tipus RE(2-x) Sr(x)(NiO)(4-6) (RE = La, Nd, Pr). Fins i tot, darrerament, alguns autors asseguren l'existència d'un petit percentatge de fase superconductora en el sistema La(2-x)Sr(x)NiO(4), malgrat que aquest fet no ha estat experimentalment comprovat per d'altres grups d'investigació. D'una banda, l'estudi de las propietats físiques del sistema La(2-x)Sr(x)NiO(4-6) ens ha d'ajudar a discernir quins són els fenòmens rellevants en l'aparició de la superconductivitat en els òxids de coure isoestructurals, alhora que es pot clarificar la influència de les propietats de l'estat normal en l'estat superconductor.D'altra banda, l'estudi dels òxids de Ni on hi és present una terra rara paramagnètica (Nd, Pr) (2-x)Sr(x)NiO(4+6) és fortament atraient per tal d'entendre les complexes interaccions magnètiques metall de transició-terra rara, molt més, després del descobriment de electrònica en la família tipus Nd(2-x)Ce(x) CuO(4). D'aquesta tasca podem concloure:1) en els compostos estequiomètrics La(2)NiO(4) i Nd(2)NiO(4) observem l'aparició d'una component feble ferromagnètica al llarg de l'eix "c" de l"estructura. Aquesta component es desenvolupa per sota de la temperatura a la qual es produeix la transició ortoròmica-tetragonal, i és resultat de la rotació dels octàedres NiO(6) que genera aquesta transició, la qual cosa provoca que els moments magnètics del Ni z+ no es disposin el pla de la base, sinó que formin un angle "teta" amb aquest. Aquest angle val teta = 0.10º en el La(2)NiO(4) i teta = 10º en el Nd(2)NiO(4) .2) el comportament magnètic del compost estequiomètric La(2)NiO(4) s'allunya del d'un sistema veritablement bidimensional, atès que la interacció intrapla disminueix, (amb la conseqüent reducció de la longitud de correlació AF instantània spin-spin), i la interacció entre plans augmenta, respecte els òxids de Cu isoestructurals. Aquestes diferències són degudes la simetria local dels octàedres NiO(6) i CuO(6): en el La(2)CuO(4) aquest octàedre pateix un fort estirament axial, la qual cosa afavoreix les correlacions magnètiques bidimensionals, mentre que en el La(2)NiO(4) aquesta distorsió no és tan exagerada. Tanmateix, la component feble ferromagnètica és del mateix ordre de magnitud en tots dos compostos. 3) en el compost estequiomètric Nd(2)NiO(4), palesem l'existència de cinc transicions de fase, les quals associem a l'ordre de llarg abast del Ni(2*) (T(N1) aprox. igual a 320 K) la transició de fase ortoròmbica-tetragonal (T(C1) = 130 K), a dues possibles reorientacions dels spins de Ni Ni(2+) (T(C2) aprox. igual a 68 K, T aprox. igual a 45 K), i a l'ordre a llarg abast del Nd(3+) (T(N2) aprox. igual a 11 K). Tanmateix, el camp intern que indueix la compoment feble ferromagnètica (H(int) aprox. igual a 5.2 T) és molt més gran que en els superconductors electrònics de Cu.4) en els sistemes Re(2-x)Sr(x)NiO(4+6) (Re = La, Nd), els forats introduits en l'estructura són, probablement, de caire O(2p), de manera que, d'una banda, els cations Ni(2+) no es veuen sensiblement modificats en dopar, i, d'altra banda, el mecanisme que provoca tant el col.lapse de l'ordre AF de llarg abast com la reducció de la longitud de correlació, és el mateix que en els òxids de coure isoestructurals: el moment magnètic associat al forat provoca una disrupció local de l'estructura antiferromagnètica, la qual s'estèn a tota la xarxa quan el portador és mòbil.5) en resum, les diferències més importants entre les propietats magnètiques dels òxids de Ni i els de Cu isoestructurals semblen originades per la diferent magnitud de les correlacions magnètiques. El nostre treball suggereix doncs que si el mecanisme de la superconductivitat és d'origen magnètic, els òxids de Ni podrien arribar a ser superconductors, però amb una temperatura de transició més baixa. Prèviament, però, caldria assolir conductivitat metàl.lica.

Heterostructures of the materials system GaN/AlGaN/GaN were grown by molecular beam epitaxy on 6H-SiC substrates and high electron mobility transistors (HEMTs) were fabricated. For devices with large gate periphery an air bridge technology was developed for the drain contacts of the finger structure. The devices showed DC drain currents of more than 1 A/mm and values of the transconductance between 120 and 140 mS/mm. A power added efficiency of 41 % was measured on devices with a gate length of 1 µm at 2 GHz and 45 V drain bias. Power values of 8 W/mm were obtained. Devices with submicron gates exhibited power values of 6.1 W/mm (7 GHz) and 3.16 W/mm (25 GHz) respectively. The rf dispersion of the drain current is very low, although the devices were not passivated. / Heterostrukturen im Materialsystem GaN/AlGaN/GaN wurden mittels Molekularstrahlepitaxie auf 6H-SiC-Substraten gewachsen und High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) daraus hergestellt. Für Bauelemente mit großer Gateperipherie wurde eine Air-Bridge-Technik entwickelt, um die Drainkontakte der Fingerstruktur zu verbinden. Die Bauelemente zeigten Drainströme von mehr als 1 A/mm und Steilheiten zwischen 120 und 140 mS/mm. An Transistoren mit Gatelängen von 1 µm konnten Leistungswirkungsgrade (Power Added Efficiency) von 41 % (bei 2 GHz und 45 V Drain-Source-Spannung) sowie eine Leistung von 8 W/mm erzielt werden. Bauelemente mit Gatelängen im Submikrometerbereich zeigten Leistungswerte von 6,1 W/mm (7 GHz) bzw. 3,16 W/mm (25 GHz). Die Drainstromdispersion ist sehr gering, obwohl die Bauelemente nicht passiviert wurden.

For example for battery diagnosis it is essential to understand mechanisms during discharge and because of aging to optimize cell design and operating conditions. Therefore the overall battery behavior can be modeled by combining models of relevant mechanisms like porosity, charge transfer reaction and diffusion. The aim of this contribution is to define one transmission line model for modeling several of these mechanisms. Thereby a sophisticated normalization strategy allows to eliminate ambiguity and to quantify the influence of each model parameter. The results allow a better understanding of impedance measurements and can for example be used for battery diagnosis and simplified simulations of electrochemical systems. Fitting derived impedance models to measurement data by nonlinear parameter extraction techniques allows to monitor battery parameters during discharge and because of aging. Thereby a sophisticated normalization strategy is essential for unambiguous parameter extraction and useful to quantify the influence of each model parameter.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Implementierung eines Algorithmus zur Berechnung des diffusiven elektronischen Transportes durch Kohlenstoffnanoröhrchen-Feldeffekttransistoren (CNTFETs) unter Verwendung des Drift-Diffusions-Modells. Als Grundlage dient ein bekannter, eindimensionaler Algorithmus für klassische Halbleiter, durch welchen das elektrostatische Potential im stationären Zustand berechnet werden kann. Dieser Algorithmus wird erweitert, um die geometrischen und physikalischen Besonderheiten von CNTFETs, insbesondere die Quasi-Eindimensionalität, zu berücksichtigen. Wichtige Kenngrößen des CNTFETs werden berechnet und deren Abhängigkeit von den Bauteilparametern wird untersucht.:1. Einleitung 2. Theoretische Betrachtungen 2.1. Kohlenstoffnanoröhrchen 2.1.1. Graphen als Baustein für CNTs 2.1.2. Eigenschaften von CNTs 2.2. Drift-Diffusions-Modell 2.2.1. Drift-Diffusions-Gleichungen 2.2.2. Kontinuitätsgleichungen 2.2.3. Poisson-Gleichung 3. Implementierung 3.1. Modell für klassische Halbleiter 3.1.1. Herleitung der dimensionslosen Bewegungsgleichungen 3.1.2. Umformung der Drift-Diffusions-Gleichungen 3.1.3. Iterative Lösung des Gleichungssystems 3.2. Anwendung des Modells auf Kohlenstoffnanoröhrchen 3.2.1. Betrachtetes Modell 3.2.2. Separationsansatz und Poisson-Gleichung 3.2.3. Anpassung der Drift-Diffusions-Gleichungen 3.2.4. Gate-Spannung 3.2.5. Intrinsische Ladungsträgerdichte und Ladungsträgerrandbedingungen 3.2.6. Dielektrizität 3.3. Numerik 3.3.1. Berechnung der Ladungsträgerdichten 3.3.2. Lösung der Poisson-Gleichung 3.3.3. Iterative Veränderung von Parameterwerten 3.3.4. Überprüfung der Konvergenz des Gitters 4. Auswertung 4.1. Literaturmodelle 4.2. Ergebnisse 4.2.1. Potentialverlauf 4.2.2. Potentialplateau 4.2.3. Abschirmlänge 4.2.4. Stromfluss 4.2.5. Rechenzeit 5. Zusammenfassung Anhang A. Herleitung der Drift-Diffusions-Gleichungen aus der Boltzmann-Transportgleichung B. Herleitung der eindimensionalen Poisson-Gleichung aus dem Separationsansatz

This work investigates organic solar cells made of small molecules. Using the material system α,ω-bis(dicyanovinylene)-sexithiophene (DCV6T) - C60 as model, the correlation between the photovoltaic active layer morphology and performance of the solar cell is studied. The chosen method for controlling the layer morphology is applying different substrate temperatures (Tsub ) during the deposition of the layer. In neat DCV6T layers, substrate heating induces higher crystallinity as is shown by X-ray diffraction and atomic force microscopy (AFM). The absorption spectrum displays a more distinct fine structure, a redshift of the absorption peaks by up to 11 nm and a significant increase of the low energy absorption band at Tsub = 120°C compared to Tsub = 30°C. Contrary to general expectations, the hole mobility as measured in field effect transistors and with the method of charge extraction by linearly increasing voltage (CELIV) does not increase in samples with higher crystallinity. In mixed layers, investigations by AFM and UV-Vis spectroscopy reveal a stronger phase separation induced by substrate heating, leading to larger domains of DCV6T. This is indicated by an increased grain size and roughness of the topography, the increase of the DCV6T luminescence signal, and the more distinct fine structure of the DCV6T related absorption. Based on the results of the morphology analysis, the effect of different substrate temperatures on the performance of solar cells with flat and mixed DCV6T - C60 heterojunctions is investigated. In flat heterojunction solar cells, a slight increase of the photocurrent by about 10% is observed upon substrate heating, attributed to the increase of DCV6T absorption. In mixed DCV6T : C60 heterojunction solar cells, much more pronounced enhancements are achieved. By varying the substrate temperature from -7°C to 120°C, it is shown that the stronger phase separation upon substrate heating facilitates the charge transport, leading to a significant increase of the internal quantum efficiency (IQE), photocurrent, and fill factor. Consequently, the power conversion efficiency (PCE) increases from 0.5% at Tsub = -7°C to about 3.0 % at Tsub ≥ 77°C. Subsequent optimization of the DCV6T : C60 mixing ratio and the stack design of the solar cell lead to devices with PCE of 4.9±0.2 %. Using optical simulations, the IQE of these devices is studied in more detail to identify major remaining loss mechanisms. The evaluation of the absorption pattern in the wavelength range from 300 to 750 nm shows that only 77 % of the absorbed photons contribute to the exciton generation in photovoltaic active layers, while the rest is lost in passive layers. Furthermore, the IQE of the photovoltaic active layers, consisting of an intrinsic C60 layer and a mixed DCV6T : C60 layer, exhibits a lower exciton diffusion efficiency for C60 excitons compared to DCV6T excitons, attributed to exciton migration into the adjacent electron transport layer.:1 Introduction 2 Physical Properties of Organic Semiconductors 2.1 Organic Solids 2.2 Molecules with Conjugated π-Electron Systems 2.2.1 Energy Splitting in Molecular Orbital Theory 2.2.2 Extended π-Conjugated Systems 2.3 Optical Excitations in Organic Molecules 2.4 From Molecules to Solids 2.4.1 Self-Polarization in Organic Solids 2.4.2 Excitations in Organic Solids 2.4.3 Charge Carriers and Transport 3 Organic Photovoltaics 3.1 Solar Cell Physics 3.1.1 Conversion of Radiation into Chemical Energy 3.1.2 Conversion of Chemical Energy into Electrical Energy 3.1.3 Conventional pn-Junction as Photodiode 3.1.4 Simple Equivalent Circuit 3.2 Organic Solar Cells 3.2.1 Donor-Acceptor Heterojunction 3.2.2 Recombination Processes 3.2.3 Transport Layers – The p-i-n Concept 4 Experimental 4.1 Materials 4.1.1 C60 4.1.2 Transport Materials 4.2 Sample Preparation 4.3 Experimental Methods 4.3.1 X-Ray Diffraction 4.3.2 Optical Characterization 4.3.3 Topography Characterization 4.3.4 Mobility Measurements 4.3.5 Electrical Characterization of Solar Cells 4.3.6 Optical Simulation 4.3.7 Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy 4.4 Standard Reporting Conditions and Mismatch 5 The Material System DCV6T - C60 5.1 Oligothiophenes as Donors in Heterojunctions with C60 5.2 Basic Material Properties of DCV6T 5.2.1 Optical Properties 5.2.2 Electronic Properties 5.3 Effect of Substrate Heating on Layer Morphology 5.3.1 Neat DCV6T Layers 5.3.2 Mixed DCV6T : C60 Layers 5.4 Effect of Substrate Heating on Mobility 6 DCV6T - C60 Solar Cells 6.1 Effect of Substrate Heating in DCV6T - C60 Solar Cells 6.1.1 Flat Heterojunction Solar Cells 6.1.2 Mixed Heterojunction Solar Cells 6.2 Influence of the Mixing Ratio 6.3 Optimizing the Layer Stack 6.3.1 Influence of the Transport Layer Thickness 6.3.2 Influence of the Mixed Layer Thickness 6.3.3 Discussion of Quantum Efficiency and Loss Mechanisms 6.4 Thermal Annealing 7 Conclusions and Outlook 7.1 Conclusions 7.2 Outlook Appendix Bibliography Acknowledgements / Diese Arbeit befasst sich mit organischen Solarzellen aus kleinen Molekülen. Anhand des Materialsystems α,ω-bis(Dicyanovinylen)-Sexithiophen (DCV6T) - C60 wird der Zusammenhang zwischen Morphologie der photovoltaisch aktiven Schicht und dem Leistungverhalten der Solarzellen untersucht. Zur Beeinflussung der Morphologie werden verschiedene Substrattemperaturen (Tsub ) während des Schichtwachstums der aktiven Schicht eingestellt. Beim Heizen des Substrates weisen DCV6T Einzelschichten eine erhöhte Kristallinität auf, die mittels Röntgenbeugung und Rasterkraftmikroskopie (AFM) erkennbar ist. Zudem bewirkt die Erhöhung der Substrattemperatur von 30°C auf 120°C eine ausgeprägtere Feinstrukturierung des Absorptionsspektrums, eine Rotverschiebung um bis zu 11 nm und eine Verstärkung der niederenergetischen Absorptionsbande. Entgegen den Erwartungen wird weder in Feldeffekttransistoren noch mit der Methode der Ladungsextraktion bei linear steigenden Spannungspulsen (CELIV) eine Verbesserung der Löcherbeweglichkeit in Zusammenhang mit der erhöhten Kristallinität gemessen. Mischschichten mit C60 weisen bei erhöhten Substrattemperaturen eine stärkere Phasentrennung auf, die zu größeren DCV6T Domänen innerhalb der Schicht führt. Dieser Effekt wird zum Einen durch größere Körnung und Rauigkeit der Topographie, zum Anderen durch die Erhöhung des Lumineszenzsignals von DCV6T sowie der Ausprägung der Feinstruktur im Absorptionsspektrum nachgewiesen. Ausgehend von den Ergebnissen der Morphologieuntersuchung werden die Auswirkungen von verschiedenen Substrattemperaturen auf das Leistungsverhalten von DCV6T - C60 Solarzellen mit planarem und Volumen-Heteroübergang analysiert. Solarzellen mit planarem Heteroübergang weisen eine geringe Verbesserung des Photostromes von etwa 10 % beim Heizen des Substrates auf. Diese wird durch die Erhöhung der DCV6T Absorption verursacht. In Volumen-Heteroübergängen führt die stärkere Phasentrennung bei steigender Substrattemperatur im untersuchten Temperaturbereich von -7°C bis 120°C zu einer Verbesserung des Ladungsträgertransports. Dadurch verbessern sich die interne Quanteneffizienz (IQE), der Photostrom und der Füllfaktor. Der Wirkungsgrad der Solarzellen erhöht sich von 0.5 % bei Tsub = -7°C auf 3.0 % bei Tsub ≥ 77°C. Eine weitere Optimierung des DCV6T : C60 Mischverhältnisses und des Schichtaufbaus ermöglicht Solarzellen mit Wirkungsgraden von 4.9±0.2 %. Mittels optischer Simulationen wird die IQE dieser Solarzellen näher untersucht, um verbleibende Verlustmechanismen zu identifizieren. Es ergibt sich, dass innerhalb des Wellenlängenbereichs von 300 bis 750 nm nur 77 % der absorbierten Photonen tatsächlich in den photovoltaisch aktiven Schichten absorbiert werden, während der Rest in nicht aktiven Schichten verloren geht. Des Weiteren kann nachgewiesen werden, dass C60 Exzitonen aus der aktiven Schicht, bestehend as einer intrinsischen C60 Schicht und einer DCV6T : C60 Mischschicht, durch Diffusion in die angrenzende Elektronentransportschicht verloren gehen.:1 Introduction 2 Physical Properties of Organic Semiconductors 2.1 Organic Solids 2.2 Molecules with Conjugated π-Electron Systems 2.2.1 Energy Splitting in Molecular Orbital Theory 2.2.2 Extended π-Conjugated Systems 2.3 Optical Excitations in Organic Molecules 2.4 From Molecules to Solids 2.4.1 Self-Polarization in Organic Solids 2.4.2 Excitations in Organic Solids 2.4.3 Charge Carriers and Transport 3 Organic Photovoltaics 3.1 Solar Cell Physics 3.1.1 Conversion of Radiation into Chemical Energy 3.1.2 Conversion of Chemical Energy into Electrical Energy 3.1.3 Conventional pn-Junction as Photodiode 3.1.4 Simple Equivalent Circuit 3.2 Organic Solar Cells 3.2.1 Donor-Acceptor Heterojunction 3.2.2 Recombination Processes 3.2.3 Transport Layers – The p-i-n Concept 4 Experimental 4.1 Materials 4.1.1 C60 4.1.2 Transport Materials 4.2 Sample Preparation 4.3 Experimental Methods 4.3.1 X-Ray Diffraction 4.3.2 Optical Characterization 4.3.3 Topography Characterization 4.3.4 Mobility Measurements 4.3.5 Electrical Characterization of Solar Cells 4.3.6 Optical Simulation 4.3.7 Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy 4.4 Standard Reporting Conditions and Mismatch 5 The Material System DCV6T - C60 5.1 Oligothiophenes as Donors in Heterojunctions with C60 5.2 Basic Material Properties of DCV6T 5.2.1 Optical Properties 5.2.2 Electronic Properties 5.3 Effect of Substrate Heating on Layer Morphology 5.3.1 Neat DCV6T Layers 5.3.2 Mixed DCV6T : C60 Layers 5.4 Effect of Substrate Heating on Mobility 6 DCV6T - C60 Solar Cells 6.1 Effect of Substrate Heating in DCV6T - C60 Solar Cells 6.1.1 Flat Heterojunction Solar Cells 6.1.2 Mixed Heterojunction Solar Cells 6.2 Influence of the Mixing Ratio 6.3 Optimizing the Layer Stack 6.3.1 Influence of the Transport Layer Thickness 6.3.2 Influence of the Mixed Layer Thickness 6.3.3 Discussion of Quantum Efficiency and Loss Mechanisms 6.4 Thermal Annealing 7 Conclusions and Outlook 7.1 Conclusions 7.2 Outlook Appendix Bibliography Acknowledgements

In this study a calibration concept for a multi-polarimetric weather radar is developed. Several common calibration techniques are analysed, but many are insufficient due to the non-reciprocal behaviour of the employed radar. Hence, an electronic calibration device was developed, which was designed for fast polarization determination of any polarization (including elliptical ones). The non-reciprocal behaviour was overcome by splitting receive and transmit calibration, which virtually uses the radar as a communication system. Beside the calibration a new and exible signal processing system was implemented on that radar which allows interleaved measurements using several polarimetric modes. This capability was used to analyse the STAR (hybrid basis with linear 45° transmit and horizontal/vertical receive) mode and the alternating H/V mode with respect to depolarization. Although it is known that depolarization causes errors in STAR mode, it is used in most commercial weather radars. / In dieser Arbeit wird ein Kalibrierkonzept für ein Multipolarisation-Radar entwickelt. Dazu wurden verschiedene gebräuchliche Techniken untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass dieses Verfahren für das untersuchte nichtreziproke Radar unzureichend sind. Deshalb wurde ein elektronisches Kalibriergerät entwickelt, welches speziell der schnellen Messung von beliebigen Polarisationen - einschließlich Elliptischer - dient. Das nichtreziproke Verhalten wurde durch die Aufteilung in eine Sende- und eine Empfangskalibrierung umgangen, wodurch das Radar praktisch als Kommunikationssystem verwendet wird. Des Weiteren wurde eine neue, fexible Signalverarbeitung an dem Radar entwickelt, welches gemischte Messungen mit mehreren Polarisationsmoden erlaubt. Diese neuartige Möglichkeit wurde benutzt um den STAR-Modus, welches eine hybride Polarisationsbasis (linear 45° senden, horizontal/vertikal empfangen) benutzt, mit dem alternierende H/V-Modus zu vergleichen. Dabei wurde speziell das Verhalten des STAR-Modus im Hinblick auf Depolarisation untersucht, da dies bekanntermaßen zu Fehlern in den Messgrößenführen kann. Dies ist von besonderem Interesse, da der STAR-Modus in den meisten kommerziellen Wetterradarsystemen eingesetzt wird.

This work intends to enhance the state of the research in power cycling tests with statements on achievable measurement accuracy, proposed test bench topologies and recommendations on improved test strategies for various types of semiconductor power devices. Chapters 1 and 2 describe the current state of the power cycling tests in the context of design for reliability comprising applicable standards and lifetime models. Measurement methods in power cycling tests for the essential physical parameters are explained in chapter 3. The dynamic and static measurement accuracy of voltage, current and temperature are discussed. The feasibly achievable measurement delay tmd of the maximal junction temperature Tjmax, its consequences on accuracy and methods to extrapolate to the time point of the turn-off event are explained. A method to characterize the thermal path of devices to the heatsink via measurements of the thermal impedance Zth is explained. Test bench topologies starting from standard setups, single to multi leg DC benches are discussed in chapter 4. Three application-closer setups implemented by the author are explained. For tests on thyristors a test concept with truncated sinusoidal current waveforms and online temperature measurement is introduced. An inverter-like topology with actively switching IGBTs is presented. In contrast to standard setups, there the devices under test prove switching capability until reaching the end-of-life criteria. Finally, a high frequency switching topology with low DC-link voltage and switching losses contributing significantly to the overall power losses is presented providing new degrees of freedom for setting test conditions. The particularities of semiconductor power devices in power cycling tests are thematized in chapter 5. The first part describes standard packages and addressed failure mechanisms in power cycling. For all relevant power electronic devices in silicon and silicon carbide, the devices’ characteristics, methods for power cycling and their consequences for test results are explained. The work is concluded and suggestions for future work are given in chapter 6.:Abstract 1 Kurzfassung 3 Acknowledgements 5 Nomenclature 10 Abbreviations 10 Symbols 12 1 Introduction 19 2 Applicable Standards and Lifetime Models 25 3 Measurement parameters in power cycling tests 53 4 Test Bench Topologies 121 5 Semiconductor Power Devices in Power Cycling 158 6 Conclusion and Outlook 229 References 235 List of Publications 253 Theses 257 / Diese Arbeit bereichert den Stand der Wissenschaft auf dem Gebiet von Lastwechseltests mit Beiträgen zu verbesserter Messgenauigkeit, vorgeschlagenen Teststandstopologien und verbesserten Teststrategien für verschiedene Arten von leistungselektronischen Bauelementen. Kurzgefasst der Methodik von Lastwechseltests. Das erste Themengebiet in Kapitel 1 und Kapitel 2 beschreibt den aktuellen Stand zu Lastwechseltests im Kontext von Design für Zuverlässigkeit, welcher in anzuwendenden Standards und publizierten Lebensdauermodellen dokumentiert ist. Messmethoden für relevante physikalische Parameter in Lastwechseltests sind in Kapitel 3. erläutert. Zunächst werden dynamische und statische Messgenauigkeit für Spannung, Strom und Temperaturen diskutiert. Die tatsächlich erreichbare Messverzögerung tMD der maximalen Sperrschichttemperatur Tjmax und deren Auswirkung auf die Messgenauigkeit der Lastwechselfestigkeit wird dargelegt. Danach werden Methoden zur Rückextrapolation zum Zeitpunkt des Abschaltvorgangs des Laststroms diskutiert. Schließlich wird die Charakterisierung des Wärmepfads vom Bauelement zur Wärmesenke mittels Messung der thermischen Impedanz Zth behandelt. In Kapitel 4 werden Teststandstopologien beginnend mit standardmäßig genutzten ein- und mehrsträngigen DC-Testständen vorgestellt. Drei vom Autor umgesetzte anwendungsnahe Topologien werden erklärt. Für Tests mit Thyristoren wird ein Testkonzept mit angeschnittenem sinusförmigem Strom und in situ Messung der Sperrschichttemperatur eingeführt. Eine umrichterähnliche Topologie mit aktiv schaltenden IGBTs wird vorgestellt. Zuletzt wird eine Topologie mit hoch frequent schaltenden Prüflingen an niedriger Gleichspannung bei der Schaltverluste signifikant zur Erwärmung der Prüflinge beitragen vorgestellt. Dies ermöglicht neue Freiheitsgrade um Testbedingungen zu wählen. Die Besonderheiten von leistungselektronischen Bauelementen werden in Kapitel 5 thematisiert. Der erste Teil beschreibt Gehäusetypen und adressierte Fehlermechanismen in Lastwechseltests. Für alle untersuchten Bauelementtypen in Silizium und Siliziumkarbid werden Charakteristiken, empfohlene Methoden für Lastwechseltests und Einflüsse auf Testergebnisse erklärt. Die Arbeit wird in Kapitel 6 zusammengefasst und Vorschläge zu künftigen Arbeiten werden unterbreitet.:Abstract 1 Kurzfassung 3 Acknowledgements 5 Nomenclature 10 Abbreviations 10 Symbols 12 1 Introduction 19 2 Applicable Standards and Lifetime Models 25 3 Measurement parameters in power cycling tests 53 4 Test Bench Topologies 121 5 Semiconductor Power Devices in Power Cycling 158 6 Conclusion and Outlook 229 References 235 List of Publications 253 Theses 257

Metallhalogenid-Perowskite (MHPs) sind Halbleiter, die einzigartige photophysikalische Eigenschaften aufweisen, die sie ideal für photovoltaische Anwendungen machen. Techniken werden kontinuierlich entwickelt, um die Leistungsgrenzen der Perowskite weiter zu verschieben. Dennoch weisen diese Materialien verschiedene Herausforderungen auf. Zu diesen gehören eine geringe Stabilität unter einer Vielzahl von äußeren Bedingungen, sowie eine große Diskrepanz zwischen den Wirkungsgraden von Geräten im Labormaßstab und großflächigen Geräten. Zunächst wurden mit Hilfe von Photolumineszenz-Spektroskopie Ladungsübertragungsmechanismen zwischen MHPs und atmosphärischen Gasen untersucht, um deren Einfluss auf die Materialstabilität zu bestimmen. Durch den Vergleich der Emission von verschiedene MHP wurde die Wirkung untersucht, die atmosphärische Gase auf Grenzdefekte im Material haben. Diese Löschungseffekte wurden nachfolgend mit dem Stern-Volmer-Modell analysiert. Es stellte sich heraus, dass ein Teil von der Gase bindet jedoch an die MHPs, wobei teilweise Kristalldefekte passiviert werden und für jedes der Gase Ladungstransfermechanismen vorgeschlagen wurden. Zweitens wurde die Skalierung von MHP-Bauelementen mittels Tintenstrahldruck untersucht. Dazu wurden drei Kristallisationstechniken ausgewertet. Eine davon verwendete eine sequenzielle Abscheidung von zwei Präkursortinten, während die beiden anderen kristallisierte Tinten verwendeten, die in einem Schritt abgeschieden wurden. Die letztgenannten Techniken verwendeten beide niedrige Drücke und bei einer wurde ein kontrollierter Stickstoffstrom auf die Probe angewendet. Solarzellen mit einer Effizienz von 16,8% auf einer Fläche von 0,16 cm² wurden demonstriert. Diese Ergebnisse zeigen ein neuartiges Verfahren zur Untersuchung von strahlungslosen Verlustwegen in MHPs auf. Zusätzlich demonstrieren diese Studien, dass der Tintenstrahldruck eine geeignete Technologie ist, um MHP-Bauelemente zu skalieren. / Metal halide perovskites (MHPs) are semiconductor materials that show unique photophysical properties, making them ideal for photovoltaic applications. Having shown power conversion efficiencies of up to 25.5%, techniques are continuously being developed to push perovskites to unprecedent limits. Yet, these materials present challenges like a low stability under a variety of conditions as well as a large disparity between the efficiencies of lab scale and large area devices. This thesis addresses these two major obstacles. First, charge transfer mechanisms between MHPs and atmospheric gases were studied to determine their effect on the material stability by using photoluminescence spectroscopy. By comparing the emission of MHPs, the effect that molecular oxygen, nitrogen, argon, and water have on boundary defects in the material was studied. These quenching effects were later analyzed using the Stern-Volmer model. It was found that the gases bounce off the surface, but a portion of them bind to the MHPs, in occasions passivating defects on the crystals. Using these results, charge transfer mechanisms were proposed for each one of the gases. Second, scaling of MHP devices was examined using inkjet printing. For this, three crystallization techniques were evaluated. One of them used sequential deposition of two precursor inks, while the other two crystallized ink that was deposited in one step. Both latter techniques used low pressures, below 1 mbar, and only one of them applied a controlled stream of nitrogen to the sample. Using these techniques, the deposition of a 15x15 cm² area as well as a device with an efficiency of 16.8% on an area of 0.16 cm² were demonstrated. These results show a novel procedure to study non-radiative loss paths in MHPs to enhance their stability and performance as devices. Also, they show that inkjet printing is a favorable technology to scale MHP devices and eventually facilitate the mass production of this type of photovoltaic devices.

This PhD research project encompasses an investigation into the controlled behaviour of magnetic domain walls in patterned ferromagnetic nanostructures using advanced nanofabrication techniques and characterised by the techniques of transmission electron microscopy. By fabricating Permalloy (Py) nanowires using electron beam lithography (EBL) and focused ion beam (FIB) milling a comparative study has been made in which key differences in the magnetic behaviour have been identified. Nominally identical Py nanowires, with widths down to 150 nm, were fabricated onto a single electron transparent Si3N4 membrane. Transmission electron microscopy (TEM) experiments were performed to compare the nanostructures produced by these two techniques in what we believe is the first direct comparison of fabrication techniques for nominally identical nanowires. Both EBL and FIB methods produced high quality structures with edge roughness being of the order of the mean grain size 5 -10 nm observed in the continuous films. However, significant grain growth was observed along the edges of the FIB patterned nanowires. Lorentz TEM \emph{in situ} imaging was carried out to compare the magnetic behavior of the domain walls (DWs) in the patterned nanowires with anti-notches present to pin DWs. The overall process of DW pinning and depinning at the anti-notches showed consistent behaviour between nanowires fabricated by the two methods with the FIB structures having slightly lower characteristic fields compared to the EBL wires. However, a significant difference was observed in the formation of a vortex structure inside the anti-notches of the EBL nanowires after depinning of the domain walls. No vortex structure was seen inside the anti-notches of the FIB patterned nanowires. Whilst the two fabrication methods show that well defined structures can be produced for the dimensions considered here, the differences in the magnetic behavior for nominally identical structures may be an issue if such structures are to be used as conduits for domain walls in potential memory and logic applications. In this project, investigations were also carried out on ion irradiation of nanowires in which DW pinning sites arise from a controlled local modification of the magnetic properties of the nanowire. The nanowires comprised a multilayer thin film of Cr(3 nm)/Py(10 nm)/Cr(5 nm) in which the local magnetic properties were varied by irradiation with Ga ions in a focused ion beam microscope. Alloying Py with Cr is known to significantly change its magnetic properties. The nanowires were patterned and irradiated in the FIB, a single irradiation line was used to create a pinning site at an angle of 45 degrees to the wire length. Observation of the magnetic state of the nanowires was made using Lorentz microscopy. A transverse DW (TDW) was created at the end of a 500 nm wide nanowire and then a field applied to move it towards the pinning site. This TDW was pinned at the irradiated line for low doses. For lines with increased dose the TDW was often seen to transform into a vortex DW. The change of micromagnetic wall structure and the dependence of the subsequent depinning field on the dose and wall type were investigated together with initial simulation results modeling these features. In addition to the control of the DWs, our findings indicate potential for engineering and filtering DWs of certain types as they pass irradiated features at predefined locations in nanowires, dependent on the dose associated with these features in magnetic nanowires sandwiched between metallic layers. On a continuous 16.9±0.8 nm thick Py film, magnetically softer and harder stripes, which are in direct lateral contact by means of exchange coupling, were fabricated by focused Ga+ irradiation. The irradiation dose was 6.24x1015 ions/cm2 and the width of the alternate exposed and unexposed stripes were varied from 1000 nm to 200 nm. Low angle electron diffraction experiment confirmed that due to this amount of ion dose, saturation magnetic induction of the irradiated stripe is reduced to 72.0±0.7 % of the unirradiated stripe, assuming a thickness reduction of 2.9±0.7 nm determined from TEM cross-sectional image. Magnetisation reversal experiments were carried out using high resolution Lorentz microscopy. Starting from a stripe width of 1000 nm a pronounced two step reversal with nearly anti-parallel orientated magnetisation in neighboring stripes is observed. Differential phase contrast (DPC) images demonstrate a transition from the discrete switching of the wider nanostripes to the tendency of collective switching of the narrower stripes of width 200 nm. This transition is associated with vanishing ability of hosting neighboring high angle domain walls between adjacent stripes.