In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an Dünnschichtsolarzellen auf der Basis von Cu(In,Ga)(S,Se)2, der heute vielversprechendsten Dünnschichttechnologie, durchgeführt. Für eine weitere Optimierung der Zellen ist ein detailliertes Verständnis ihrer chemischen, elektronischen und strukturellen Eigenschaften notwendig. Insbesondere die in dieser Arbeit untersuchten Eigenschaften an den Grenzflächen der Zelle sind aufgrund ihrer zentralen Rolle für den Ladungsträgertransport von besonderem Interesse. Bei den vorliegenden Untersuchungen kamen verschiedene Spektroskopien zum Einsatz. Mit einer Kombination von Photoelektronenspektroskopie und Inverser Photoelektronenspektroskopie war es möglich, sowohl eine direkte Bestimmung der Valenz- und Leitungsbandanpassungen an den untersuchten Grenzflächen durchzuführen als auch Oberflächenbandlücken zu bestimmen. Die Messungen wurden durch die volumenempfindliche Röntgenemissionsspektroskopie ideal ergänzt, die - wie diese Arbeit zeigt - zusammen mit der Photoelektronenspektroskopie besonders nützlich bei der Analyse des Durchmischungsverhaltens an Grenzflächen oder auch des Einflusses chemischer Behandlungen auf die chemischen und elektronischen Eigenschaften von Oberflächen ist. Im ersten Teil der Arbeit wurden vier Grenzflächen in Proben auf der Basis des Cu(In,Ga)(S,Se)2-Absorbers von Shell Solar (München) untersucht. Es konnte dabei zunächst das Durchmischungsverhalten an der CdS/CuIn(S,Se)2-Grenzfläche in Abhängigkeit des S-Gehaltes an der Absorberoberfläche untersucht werden. Bei Messungen an der i-ZnO/CdS-Grenzfläche wurde ein flacher Leitungsbandverlauf gefunden, zudem konnte eine Durchmischung an dieser Grenzfläche ausgeschlossen werden. Eine besondere Herausforderung stellten die Messungen an der Grenzfläche des Absorbers zum Molybdänrückkontakt dar, da diese Grenzfläche nach ihrem Entstehen unweigerlich unter der etwa 1-2 um dicken Absorberschicht begraben liegt. Durch geeignetes Abspalten des Absorbers vom Rückkontakt gelang es, diese Grenzfläche freizulegen und zu spektroskopieren. Die Untersuchungen zur Vorbehandlung des Shell-Absorbers mit einer ammoniakalischen Cd-Lösung dienten dem Verständnis der positiven Einflüsse dieser Behandlung auf den Zellwirkungsgrad. Dabei wurde neben verschiedenen Reinigungswirkungen auf den Absorber als wichtigster Befund die Bildung einer sehr dünnen CdS-Schicht und, für hohe Cd-Konzentrationen, einer zusätzlichen Cd(OH)2-Schicht auf der Absorberoberfläche nachgewiesen. Die gewonnenen Erkenntnisse über die Cd-Behandlung haben eine besondere Bedeutung für die Untersuchung der Grenzfläche des Absorbers und einer mit ILGAR ("Ion Layer Gas Reaction") hergestellten Zn(O,OH)-Pufferschicht. An dieser Grenzfläche wurde die Bandanpassung mit und ohne vorherige Cd-Behandlung des Absorbers vermessen. Wird die Bandanpassung ohne Vorbehandlung noch durch Adsorbate auf dem Absorber dominiert, wobei man ein "Cliff" im Leitungsband findet, so ist der Leitungsbandverlauf für die Grenzfläche mit Cd-behandeltem Absorber flach, was im Einklang mit den sehr guten Wirkungsgraden steht, die mit solchen Zellen erreicht werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Messungen an Dünnschichtsolarzellen mit selenfreiem Cu(In,Ga)S2 Absorber diskutiert. Ein Problem des Cu(In,Ga)S2-Systems besteht heute noch darin, daß die offene Klemmenspannung geringer ausfällt, als dies aufgrund der im Vergleich zu CuInSe2 größeren Bandlücke zu erwarten wäre. Modelle, die dies auf eine ungünstige Bandanpassung an der CdS/Cu(In,Ga)S2-Grenzfläche zurückführen, konnten in dieser Arbeit durch die Messung der Leitungsbandanpassung, die ein deutlich "Cliff"-artiges Verhalte aufweist, bestätigt werden. Untersuchungen des Einflusses unterschiedlicher Oberflächenzusammensetzungen auf die chemischen und elektronischen Eigenschaften der Cu(In,Ga)Se2-Absorberoberfläche ergaben, wie sich die Bandlücke des Absorbers mit wachsender Kupferverarmung vergrößert und gleichzeitig die Bandverbiegung zunimmt. Im letzten, rein grundlagenorientierten Teil dieser Arbeit wurden Röntgenabsorptions- und resonante Röntgenemissionsmessungen an CdS und ZnS im Vergleich zu von A. Fleszar berechneten theoretischen Spektren, die unter Berücksichtigung der Übergangsmatrixelemente aus einer LDA-Bandstruktur berechnet wurden, diskutiert. Es konnten dabei sowohl Anregungen in exzitonische Zustände als auch kohärente Emission mit Informationen über die Bandstruktur gefunden werden. Auch war es möglich, die Lebensdauern verschiedener Valenzlochzustände zu bestimmen. Es zeigt sich, daß so die Bestimmung einer unteren Grenze für die Bandlücke möglich ist, für eine genaue Bestimmung bei den untersuchten Verbindungen jedoch ein Vergleich mit theoretischen Berechnungen notwendig ist. / In this thesis, thin film solar cells based on Cu(In,Ga)(S,Se)2 - today's most promising thin film solar cell technology - were spectroscopically analyzed in some detail. Until now, good results could be obtained mainly by empirically optimizing the process parameters, but a further optimization calls for a fundamental understanding of the Cu(In,Ga)(S,Se)2 solar cell. Since this device is a multilayer system, a detailed knowledge of the chemical, structural, and electronic properties of its interfaces is required. Partly due to the cost effective production process of the Cu(In,Ga)(S,Se)2 thin film solar cells, their properties are very different from ideal reference systems like single crystals, which makes them a particularly interesting research field. However, this requires the consideration of two aspects: the investigated samples should originate as close as possible from the industrial production process and, when investigating interfaces, their properties have to be measured directly without relying on previously published bulk properties. Both aspects have been achieved in this work. Samples were directly taken from the production process of different collaboration partners, and a direct determination of the conduction and valence band alignments, which are crucial for the carrier transport through the cell device, were conducted by a combination of photoelectron spectroscopy and inverse photoemission. These techniques were ideally complemented by x-ray emission spectroscopy, which can be particular helpful when investigating intermixing processes or the influence of chemical treatments on the chemical and electronic properties of surfaces. In the first part of this thesis, four different interfaces in samples based on the Cu(In,Ga)(S,Se)2 absorber of Shell Solar were investigated. It could be shown, that the intermixing of sulfur and selenium at the CdS/Cu(In,Ga)(S,Se)2 interface found in earlier measurements is dependent on the sulfur content at the absorber surface. Next, the interface between the CdS buffer layer and the i-ZnO part of the window layer was investigated. For this interface, an intermixing can be excluded and a flat conduction band offset is found. By suitably removing the absorber from the back contact, it was possible to investigate the interface between the absorber and the Mo back contact with spectroscopic techniques giving insight into the chemical properties of this interface. The chemical treatment of the absorber by an ammonia-based Cd-solution was investigated for a better understanding of its beneficial impact on the cell performance. Apart from a cleaning of the absorber, the main finding was the formation of a very thin CdS/CdSe layer and, for high Cd-concentrations, of an additional Cd(OH)2 layer on the absorber surface. The investigated Cd-treatment significantly improves the performance of cells with a Zn(O,OH) buffer layer deposited with ILGAR ("Ion Layer Gas Reaction"). The band alignment at the interface between ILGAR Zn(O,OH) and the absorber was investigated with Cd-treated and untreated absorbers. In the second part of this thesis, measurements of thin film solar cells with selenium-free Cu(In,Ga)S2 absorbers are discussed. These absorbers have a larger band gap than CuInSe2, which gives them the potential of higher efficiencies. However, the gain in the open circuit voltage is smaller than expected raising one of the most important questions in the CIGSSe community. In this thesis, this question is answered by a model, that ascribes this behavior to an unfavorable band alignment at the CdS/Cu(In,Ga)S2 interface. The model is supported by the measurement of the band alignment showing a pronounced "cliff" in the conduction band. The investigation of the influence of different absorber surface compositions on the chemical and electronic properties of the Cu(In,Ga)Se2 surface shows, that the surface band gap is increased by increasing copper depletion. These measurements are an important contribution to the understanding of the different recombination behaviors and efficiencies of cells with copper-rich and copper-poor absorbers. In the last part of this thesis, x-ray absorption and resonant x-ray emission spectra of CdS and ZnS (i.e. the currently preferred buffer material (CdS) as well as one of its most promising alternatives (ZnS) for Cu(In,Ga)(S,Se)2 solar cells) were discussed and compared to calculations of A. Fleszar. In these calculations theoretical spectra were obtained ad hoc using an LDA band structure taking the transition matrix elements into account. Thereby valuable information about the band structure could be extracted from the coherent emission in the resonant spectra. Moreover lifetimes of different valence hole states were determined with the surprising observation of an 1.5 eV lifetime broadening of the S 3s deep valence hole.

Nach vielen methodischen Entwicklungen ist die Magnetresonanz-Tomografie (MRT) das vielseitigste bildgebende Verfahren für die biomedizinische Forschung und medizinische Diagnostik. Zur Verbesserung der Spezifität einer pathologisch induzierten Signalveränderung können zusätzlich exogene Kontrastmittel eingesetzt werden. Insbesondere gilt dies für Substanzen, die auf molekularbiologisch definierte Weise eine gezielte Signalveränderung (Markierung) erreichen. Diese Entwicklungen zu einer molekularen Bildgebung sowie der Trend zu höheren Magnetfeldstärken erfordern jedoch Nanosonden, die die konventionellen MRT-Kontrastmittel in ihrer Wirkung übertreffen. Sie sollen das Zielgewebe bereits in frühen Stadien einer krankhaften Veränderung nachweisen und die an seiner Bildung beteiligten Prozesse charakterisieren. Die bisher für diese Aufgabenstellung vorherrschenden MRT-Kontrastmittel sind superparamagnetische Eisenoxid Nanopartikel (SPIO), die allerdings eine unerwünschte Erniedrigung des MRT-Signals („negativen“ Kontrast) bewirken. Das grundlegende Ziel dieser Arbeit war es daher, ein Kontrastmittel zu entwickeln, welches einen „positiven“ Kontrast, also eine Signalverstärkung, in der Hochfeld-MRT aufweist und darüber hinaus das Potenzial besitzt, in der biomedizinischen Forschung als gewebespezifische Marker für die molekulare Bildgebung eingesetzt zu werden. Zu diesem Zweck wurden neue Gadolinium-haltige Nanopartikel entwickelt, da sie aufgrund ihrer paramagnetischen Eigenschaften und großen Anzahl an Gd3+-Ionen pro Nanopartikel eine starke lokale Signalveränderung erzeugen sollten. Es wurden Gadolinium-haltige Nanopartikel unterschiedlicher Größe und struktureller Komposition hergestellt. Die vorliegende Arbeit liefert Erkenntnisse bezüglich der Wachstumsmechanismen und der Verteilung von Dotierungsionen geeigneter Nanopartikel. Die Wirkung der Nanopartikel auf das MRT-Signal wurde untersucht. Dabei zeigten kleine NaGdF4-Nanopartikel (3,0 nm) die größten spezifischen Relaxivitäten (7,3 l mmol-1 s-1) und damit großes Potenzial als Kontrastmittel für das Blut und das gesamte vaskuläre System. Es konnte weiter gezeigt werden, dass die spezifische Relaxivität mit abnehmendem Durchmesser steigt. Daraus geht hervor, dass Nanopartikel mit noch geringerem Durchmesser noch höhere spezifische Relaxivitäten erzielen würden. NaYF4/NaGdF4-Kern/Schale-Nanopartikel zeigten sich in besonderem Maße geeignet für den zukünftigen Einsatz als gewebespezifisches Kontrastmittel. Die hohen nanopartikulären Relaxivitäten und die Möglichkeit, diese Nanopartikel als duales Kontrastmittel einzusetzen, machen sie besonders attraktiv für die biomedizinische Forschung. Zusammenfassend lassen die Ergebnisse dieser Arbeit die Schlussfolgerung zu, dass Gadolinium-haltige Nanopartikel ein sehr hohes Potenzial als Kontrastmittel für die Hochfeld-MRT aufweisen. Besonders geeignet erscheinen hierfür NaYF4/NaGdF4-Kern/Schale-Nanopartikel, da sie nicht nur hohe spezifische Relaxivitäten, sondern auch sehr hohe nanopartikuläre Relaxivitäten besitzen.

Adsorption layers of soluble surfactants enable and govern a variety of phenomena in surface and colloidal sciences, such as foams. The ability of a surfactant solution to form wet foam lamellae is governed by the surface dilatational rheology. Only systems having a non-vanishing imaginary part in their surface dilatational modulus, E, are able to form wet foams. The aim of this thesis is to illuminate the dissipative processes that give rise to the imaginary part of the modulus. <br><br> There are two controversial models discussed in the literature. The reorientation model assumes that the surfactants adsorb in two distinct states, differing in their orientation. This model is able to describe the frequency dependence of the modulus E. However, it assumes reorientation dynamics in the millisecond time regime. In order to assess this model, we designed a SHG pump-probe experiment that addresses the orientation dynamics. Results obtained reveal that the orientation dynamics occur in the picosecond time regime, being in strong contradiction with the two states model. <br><br> The second model regards the interface as an interphase. The adsorption layer consists of a topmost monolayer and an adjacent sublayer. The dissipative process is due to the molecular exchange between both layers. The assessment of this model required the design of an experiment that discriminates between the surface compositional term and the sublayer contribution. Such an experiment has been successfully designed and results on elastic and viscoelastic surfactant provided evidence for the correctness of the model. <br><br> Because of its inherent surface specificity, surface SHG is a powerful analytical tool that can be used to gain information on molecular dynamics and reorganization of soluble surfactants. They are central elements of both experiments. However, they impose several structural elements of the model system. During the course of this thesis, a proper model system has been identified and characterized. The combination of several linear and nonlinear optical techniques, allowed for a detailed picture of the interfacial architecture of these surfactants. / Amphiphile vereinen zwei gegensätzliche Strukturelemente in einem Molekül, eine hydrophile Kopfgruppe und ein hydrophobe, meist aliphatische Kette. Aufgrund der molekularen Asymmetrie erfolgt eine spontane Adsorption an der Wasser-Luft Grenzfläche. Die Adsorptionsschicht verändert die makroskopischen Eigenschaften des Materials, z.B. die Grenzflächenspannung wird erniedrigt. Amphiphile sind zentrale Bauelemente der Kolloid- und Grenzflächenforschung, die Phänomene, wie Schäume ermöglichen. <br><br> Eine Schaumlamelle besteht aus einem dünnen Wasserfilm, der durch zwei Adsorptionsschichten stabilisiert wird. Die Stabilität der Lamelle wird durch die Grenzflächenrheologie entscheidend geprägt. Die wesentliche makroskopische Größe in diesem Zusammenhang ist das so genannte Grenzflächendilatationsmodul E. Es beschreibt die Fähigkeit des Systems die Gleichgewichtsgrenzflächenspannung nach einer Expansion oder Dilatation der Adsorptionschicht wieder herzustellen. Das Modul E ist eine komplexe Größe, in dem der Imaginärteil direkt mit der Schaumstabilität korreliert. <br><br> Diese Arbeit widmet sich der Grenzflächenrheologie. In der Literatur werden zwei kontroverse Modelle zur Interpretation dieser Größe diskutiert. Diese Modelle werden experimentell in dieser Arbeit überprüft. Dies erfordert die Entwicklung neuer experimenteller Aufbauten basierend auf nichtlinearen, optischen Techniken. Mit diesen Experimenten konnte eines der Modelle bestätigt werden.

Natriumseltenerdfluoride weisen optische und magnetische Eigenschaften auf, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen, wie z.B. als Biomarker in bildgebenden Verfahren oder als Lasermaterial sehr interessant machen. Nanokristalline Partikel dieses Materials wurden angesichts ihrer interessanten optischen Eigenschaften in den letzten Jahren sehr intensiv untersucht. Dabei ist die Herstellung monodisperser Nanopartikel ein zentraler Punkt der aktuellen Forschung, da gerade der Einsatz als Biomarker besonders einheitliche Partikel erfordert. Mehrere Synthesemethoden beschreiben die Bildung monodisperser Partikel, jedoch konnte die Ursache der besonders engen Partikelgrößenverteilung in diesen Fällen nicht aufgeklärt werden. Basierend auf einer Synthesemethode, bei der kleine aufgereinigte, d.h. monomerfreie kubische und hexagonale Partikel (Opferpartikel) als Edukt eingesetzt werden, wurde die Bildung monodisperser Nanopartikel von NaSmF4, NaEuF4, NaGdF4 und NaTbF4 untersucht. Dafür wurden kolloidale Lösungen der Opferpartikel auf 320°C erhitzt und die zeitliche Änderung der Partikelgröße und des Molenbruchs mittels Röntgenpulverdiffraktometrie nachverfolgt. Anhand der TEM-Aufnahmen konnte eine relative Fokussierung der Partikelgrößenverteilung während der Reaktion binärer Gemische aus kleinen kubischen und hexagonalen Partikeln beobachtet werden. Da kein weiteres Monomer der kolloidalen Lösung der Opferpartikel zugegeben wurde, war ein Wachstum der Partikel nur durch Ostwald-Reifung möglich. Entsprechend zeigten die Emissionsspektren der Nanopartikel, hergestellt aus einem Gemisch kleiner NaGdF4- und NaEuF4-Partikel, eine Durchmischung der Seltenerdionen, wie ebenfalls für Produktpartikel, die aus dotierten NaGdF4:Eu3+-Partikeln hergestellt wurden, beobachtet. Die Bildung monodisperser Partikel durch Ostwald-Reifung erfordert eine Monomerübersättigung. Die Experimente weisen daraufhin, dass die höhere Löslichkeit der thermodynamisch weniger stabilen kubischen α-Phase zu einer vergleichsweise hohen Monomerkonzentration während der Ostwald-Reifung führt. Diese Höhe der Monomerkonzentration stellt für die Partikel (Keime) der stabileren β-Phase eine Übersättigung an Monomeren dar. Der Löslichkeitsunterschied zwischen der α- und β-Phase bildet somit den Ursprung für die Bildung nahezu monodisperser NaSEF4-Nanopartikel.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden anorganische, organische und biologische Makromoleküle und Nanomaterialen mit elektrochemischen und mikrogravimetrischen Methoden untersucht. Neue Peroxo-Zr(IV)/Hf(IV)-Polyoxometallate konnten erstmals elektrochemisch charakterisiert und ihr Potential als Oxidations- und Elektrokatalysatoren demonstriert werden. In cyclovoltammetrischen Messungen der Polyoxometallate (POMs) konnten die Peroxofunktionen anhand ihres irreversiblen Reduktionsstroms identifiziert werden, während die POM-Liganden den typischen reversiblen Strom ihrer W(VI/V)- Redoxsysteme zeigten. Die zugehörigen Ladungsmengen der kathodischen Halbreaktionen wurden mittels Coulometrie verifiziert. Die Sauerstofftransferaktivitäten der Peroxo-Zr/Hf-Polyoxometallate auf die Sulfid- bzw. Sulfoxidfunktion der organischen Modellsubstrate Methionin und Methioninoxid konnten mittels Cyclovoltammetrie und hydrodynamischer Voltammetrie mit einer rotierenden Scheibenelektrode über den abnehmenden kathodischen Stroms der Peroxofunktionen überwacht werden. Mittels CV- und UV/VIS-pH-Titrationen wurden zwei POM-Säurekonstanten ermittelt. Neue Preyssler-Polyoxometallat-Multilayer wurden nach dem Layer-by-Layer-Verfahren auf einer ITO-Quarzglasoberfläche adsorbiert und cyclovoltammetrisch charakterisiert. Es gelang der Herstellung der ersten Polyoxometallat-Viologendendrimer- und Polyoxometallat-Trimethylendipyridiniumdendrimer- Multilayer. In den Cyclovoltammogrammen der Multilayer fiel die Zuordnung der Wellen zu den einzelnen Redoxsystemen von Polyanion- und Polykationkomponente aufgrund von Überlagerung der Redoxsignale und deren starke gegenseitige Beeinflussung schwer. Mittels numerischer Integration konnten aus den Multilayer-Cyclovoltammogrammserien die geflossenen Ladungsmengen und Oberflächenbedeckungen berechnet werden. Ihr linearer Anstieg zeigt den linearen Stoffmengenzuwachs während der sukzessiven Adsorption der Polyanion-Polykation-Doppelschichten sowie die elektrochemische Zugänglichkeit aller Redoxzentren in den Mulitlayerverbundmaterialien. Die rekombinante Untereinheit C der VATPase wurde auf einer SAM-modifizierten Quarzkristallmikrowaage (QCM) spezifisch immobilisiert und mikrogravimetrisch detektiert. Die spezifische Bindung der Untereinheit C an die binäre Alkanthiolat-Matrix erfolgte über die Ni2+-komplexierte NTA-Funktion von Thiol 1, bei gleichzeitiger Unterdrückung der unspezifischen Proteinadsorption durch die Tetraethylenglykolfunktion von Thiol 2. Als Grund für die mit der QCM nicht nachweisbare biochemische Wechselwirkung von Untereinheit C und G-Aktin wurde eine sterische Blockade der Aktin-Bindungsstellen der auf der Matrixoberfläche immobilisierten Untereinheit C angenommen.

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Nanopartikel auf Basis von NaYF4 erfreuen sich großer Beliebtheit durch ihre vielseitigen Einsatzmöglichkeiten. Durch die Dotierung mit Ytterbium und Erbium im Wirtsgitter ist es beispielsweise möglich, niedrigenergetisches Infrarotlicht in höher-ergetisches, sichtbares Licht umzuwandeln. Zudem lässt sich NaYF4 auch im Nanometermaßstab präparieren, sodass ein Einsatz in Zellen oder lebenden Organismen möglich ist, wo die zur Anregung verwendete infrarote Strahlung ohne Probleme das Gewebe durchdringen kann. Zu Beginn dieser Arbeit zeigten aufwärtskonvertierende Nanomaterialien wie NaYF4 :Yb,Er jedoch auch nach Umhüllen mit einer inaktiven Schale aus undotiertem NaYF4 nur sehr geringe Lumineszenz-Quantenausbeuten und kurze Energieniveau-Lebenszeiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Synthesemethode zur Herstellung von aufwärtskonvertierenden NaYF4 -Nanopartikeln durch den Einsatz neuer Eduktmaterialien modifiziert und die Auswirkung der Modifikationen auf die Partikeleigenschaften näher untersucht. So konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz einer alternativen Fluoridquelle (NaHF2) Partikel mit sehr engen Partikelgrößenverteilungen hergestellt werden können. Jedoch zeigte sich auch, dass die mit NaHF2 präparierten Partikel sich nicht mit einer Schale aus undotiertem NaYF4 umhüllen ließen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde daher der Fokus auf die Verbesserung der optischen Eigenschaften gelegt. Durch die Verwendung von getrockneten Lösungsmitteln und wasserfreien Seltenerdacetaten, sowie NH4F als Fluoridquelle gelang es erstmals, aufwärtskonvertierende Kern/Schale-Nanopartikel (<50 nm) mit einer sehr hohen Lumineszenz-Quantenausbeute, ähnlich dem des makrokristallinen Referenzmaterials, herzustellen. Auch bei sehr kleinen Kern/Schale-Partikeln (≤15 nm) konnten Quantenausbeuten erzielt werden, die nur um einen Faktor 3-4 niedriger sind als beim Referenzmaterial. Dabei zeigte sich durch die Messung der Energieniveau-Lebenszeiten, dass die größten Verlustprozesse durch die Yb3+ Emission bei 940 nm auftraten und diese durch aufbringen einer Schale unterbunden werden konnten.

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