Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Berlin.

Zugl.: Hohenheim, Univ., Diss., 2008

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--München.

Techn. University, Diss., 2005--Berlin.

In dieser Arbeit wurde eine einfache laserspektroskopische Messmethode für lokale elektrische Feldstärken im Hinblick auf ihre Messmöglichkeiten und -grenzen untersucht. Als empfindliche optische Feldsensoren dienen dabei Wasserstoffatome, für die die Stark-Aufspaltung der Spektrallinien im elektrischen Feld wohl bekannt und exakt berechenbar ist. Die experimentellen Untersuchungen wurden an einer Niederdruck-Gaszelle durchgeführt, in der ein elektrisch geheizter Wolframdraht für thermische Dissoziation von Wasserstoffmolekülen sorgte. Die Wasserstoffatome wurden durch zwei gegenläufige Laserstrahlen Doppler-frei angeregt. Die Durchstimmung der schmalbandigen Laserstrahlung über den Wellenlängenbereich der Zwei-Photonen-Resonanz lieferte direkt das vom elektrischen Feld hervorgerufene Stark-Spektrum des angeregten Zustands. Weil die Methode im Gegensatz zu ähnlichen, erheblich aufwendigeren Verfahren nur die niedrigsten Wasserstoff-Energieniveaus benutzt, die mit Zwei-Photonen-Anregung direkt aus dem Grundzustand erreichbar sind, kommt sie mit einem einzigen Laser aus. Für das erste angeregte Niveau mit n = 2 wird Strahlung bei 243 nm benötigt, das nächsthöhere Niveau mit n = 3 erfordert 205 nm. Für n = 2 wurden Untersuchungen an Wasserstoff und Deuterium durchgeführt und Stark-Spektren mittels optogalvanischer Detektion gemessen. Schwerpunkt der Arbeit waren aber die Messungen an Wasserstoff für n = 3, bei denen zusätzlich Balmer-alpha-Fluoreszenz im Sichtbaren zur Detektion eingesetzt werden konnte. Bei elektrischen Feldern bis 200 V/cm wurden Stark-Spektren für drei verschiedene Polarisationszustände der Laserstrahlung aufgenommen. Als Ergebnis konnte jeweils ein Paar isolierter Stark-Komponenten in den Spektren identifiziert werden, dessen gut messbarer Frequenzabstand durch Vergleich mit theoretischen Werten die Bestimmung der elektrischen Feldstärke ermöglicht. / A method for electric field measurements that observes the Stark spectra of the low excited levels n = 2 and n = 3 of atomic hydrogen has been explored in this work. As advantage these levels can be excited Doppler-free from the ground state by a single laser and the highly resolved Stark spectra are easy to understand and to be calculated. Good sensitivity of electric field measurements is achieved with specially designed solid state laser systems, which provide tuneable pulsed UV radiation with a high pulse peak-power and a narrow bandwidth needed for Doppler-free two-photon excitation. Using hydrogen and deuterium the Stark spectra of the n = 2 level are detected as optogalvanic signal. For three different cases of laser polarization the n = 3 spectra of hydrogen are measured simultaneously with optogalvanic and laser induced Balmer alpha fluorescence detection. Electric fields down to 200 V/cm can be determined from the Stark spectra of n = 2 level, while the spectra of n = 3 level enable measurements of electric fields as small as 50 V/cm in each of the three cases of laser polarization.

We investigate the influence of the built-in voltage on the performance of organic bulk heterojuction solar cells that are based on a p-i-n structure. Electrical doping in the hole and the electron transport layer allows to tune their work function and hence to adjust the built-in voltage: Changing the doping concentration from 0.5 to 32 wt% induces a shift of the work function towards the transport levels and increases the built-in voltage. To determine the built-in voltage, we use electroabsorption spectroscopy which is based on an evaluation of the spectra caused by a change in absorption due to an electric field (Stark effect). For a model system with a bulk heterojunction of BF-DPB and C60, we show that higher doping concentrations in both the electron and the hole transport layer increase the built-in voltage, leading to an enhanced short circuit current and solar cell performance.

Die Realstruktur des perowskitischen Modellsystems SrTiO3, welches in der Raumgruppe Pm-3m kristallisiert, wird durch die Sauerstoffvakanz als wichtigstem Defekt dominiert. Durch Temperaturbehandlung unter reduzierenden Bedingungen können Sauerstoffvakanzen in die Kristallstruktur eingebracht werden. Aufgrund ihrer positiven Ladung relativ zum Kristallgitter bewegen sie sich im elektrischen Feld entlang des TiO6-Oktaedernetzwerkes. Die Elektroformierung folgt dabei einem Arrheniuszusammenhang, wobei sowohl die Aktivierungsenergie als auch die Mobilität eine deutliche Abhängigkeit von der Kristallorientierung zeigen. Die Umverteilung der Sauerstoffvakanzen führt zu lokalen reversiblen Strukturänderungen, welche die Ausbildung einer neuen migrationsinduzierten feldstabilisierten polaren (MFP) Phase verursachen. In Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke zeichnet sie sich strukturell durch eine tetragonale Verzerrung der ursprünglich kubischen Elementarzelle aus und geht mit dem Verlust der Inversionssymmetrie einher. Die Polarisation in der Struktur wird durch die erwiesene Pyroelektrizität bestätigt und gilt als Grundlage, um anhand eines kristallographischen Symmetrieabstieges die Herleitung der Raumgruppe P4mm zu ermöglichen. Der durch die Migration hervorgerufene intrinsische Defektkonzentrationsgradient ruft eine elektromotorische Kraft hervor, deren Verwendung in einem elektrochemischen Energiespeicher experimentell nachgewiesen wurde. Diese neuen Funktionalitäten sind durch die Anwendung defektchemischer und kristallphysikalischer Konzepte infolge gezielter Materialmodifizierung unter Einfluss von Temperatur und elektrischem Feld zu verstehen. / The real structure of the perovskite-type model system SrTiO3, crystallizing in space group Pm-3m, is dominated by oxygen vacancies as most important defects. They are introduced in the crystal structure through heat-treatment under reducing conditions. Because of their positive charge relative to the crystal lattice, oxygen vacancies move in an electric field along the TiO6 octahedron network. This electroformation process follows an Arrhenius behavior. Both the activation energy and the mobility show an obvious dependence on the crystal orientation. Redistribution of oxygen defects causes local reversible structural changes, which involve the formation of a migration-induced field-stabilized polar (MFP) phase. In dependence on the electric field strength, this is structurally marked by a tetragonal distortion of the original cubic unit cell and accompanied by a loss of inversion symmetry. The polarisation in the crystal structure is confirmed by the proven pyroelectricity and serves for the argumentation to derive the space group P4mm by means of a crystallographic symmetry descent. The migration-induced intrinsic concentration gradient of oxygen vacancies leads to an electromotive force, whose application as electrochemical energy storage was proven experimentally. These new functionalities are explainable using defect chemistry and crystal physics in consequence of specific material modifications under the influence of temperature and external electric fields.

We investigate the influence of the built-in voltage on the performance of organic bulk heterojuction solar cells that are based on a p-i-n structure. Electrical doping in the hole and the electron transport layer allows to tune their work function and hence to adjust the built-in voltage: Changing the doping concentration from 0.5 to 32 wt% induces a shift of the work function towards the transport levels and increases the built-in voltage. To determine the built-in voltage, we use electroabsorption spectroscopy which is based on an evaluation of the spectra caused by a change in absorption due to an electric field (Stark effect). For a model system with a bulk heterojunction of BF-DPB and C60, we show that higher doping concentrations in both the electron and the hole transport layer increase the built-in voltage, leading to an enhanced short circuit current and solar cell performance.

Die Realstruktur des perowskitischen Modellsystems SrTiO3, welches in der Raumgruppe Pm-3m kristallisiert, wird durch die Sauerstoffvakanz als wichtigstem Defekt dominiert. Durch Temperaturbehandlung unter reduzierenden Bedingungen können Sauerstoffvakanzen in die Kristallstruktur eingebracht werden. Aufgrund ihrer positiven Ladung relativ zum Kristallgitter bewegen sie sich im elektrischen Feld entlang des TiO6-Oktaedernetzwerkes. Die Elektroformierung folgt dabei einem Arrheniuszusammenhang, wobei sowohl die Aktivierungsenergie als auch die Mobilität eine deutliche Abhängigkeit von der Kristallorientierung zeigen. Die Umverteilung der Sauerstoffvakanzen führt zu lokalen reversiblen Strukturänderungen, welche die Ausbildung einer neuen migrationsinduzierten feldstabilisierten polaren (MFP) Phase verursachen. In Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke zeichnet sie sich strukturell durch eine tetragonale Verzerrung der ursprünglich kubischen Elementarzelle aus und geht mit dem Verlust der Inversionssymmetrie einher. Die Polarisation in der Struktur wird durch die erwiesene Pyroelektrizität bestätigt und gilt als Grundlage, um anhand eines kristallographischen Symmetrieabstieges die Herleitung der Raumgruppe P4mm zu ermöglichen. Der durch die Migration hervorgerufene intrinsische Defektkonzentrationsgradient ruft eine elektromotorische Kraft hervor, deren Verwendung in einem elektrochemischen Energiespeicher experimentell nachgewiesen wurde. Diese neuen Funktionalitäten sind durch die Anwendung defektchemischer und kristallphysikalischer Konzepte infolge gezielter Materialmodifizierung unter Einfluss von Temperatur und elektrischem Feld zu verstehen. / The real structure of the perovskite-type model system SrTiO3, crystallizing in space group Pm-3m, is dominated by oxygen vacancies as most important defects. They are introduced in the crystal structure through heat-treatment under reducing conditions. Because of their positive charge relative to the crystal lattice, oxygen vacancies move in an electric field along the TiO6 octahedron network. This electroformation process follows an Arrhenius behavior. Both the activation energy and the mobility show an obvious dependence on the crystal orientation. Redistribution of oxygen defects causes local reversible structural changes, which involve the formation of a migration-induced field-stabilized polar (MFP) phase. In dependence on the electric field strength, this is structurally marked by a tetragonal distortion of the original cubic unit cell and accompanied by a loss of inversion symmetry. The polarisation in the crystal structure is confirmed by the proven pyroelectricity and serves for the argumentation to derive the space group P4mm by means of a crystallographic symmetry descent. The migration-induced intrinsic concentration gradient of oxygen vacancies leads to an electromotive force, whose application as electrochemical energy storage was proven experimentally. These new functionalities are explainable using defect chemistry and crystal physics in consequence of specific material modifications under the influence of temperature and external electric fields.

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