In dieser Arbeit wird eine detaillierte Analysis des konsistenten kinetischen Modells zum Kornwachstum von Fradkov durchgeführt. Dieses Modell beschreibt - basierend auf dem von Neumann--Mullins Gesetz - die Flächenänderung eines Korns abhängig von seiner Topologieklasse, d.h. der Anzahl der Kanten. Topologieänderungen werden durch Kopplungsterme zwischen den Gleichungen für die Anzahldichten der verschiedenen Topologieklassen beschrieben. Daraus resultiert ein unendlich-dimensionales System von Transportgleichungen mit tridiagonaler Kopplungsstruktur. Durch eine spezielle Wahl des Kopplungsgewichts, welche die Gleichungen nichtlinear und räumlich nichtlokal macht, wird das Modell konsistent. Nach einer Einführung wird das Modell von Fradkov im zweiten Kapitel hergeleitet; formale Rechnungen zeigen die Konsistenz des Modells auf. Im dritten Kapitel wird das Kopplungsgewicht a priori beschränkt. Dadurch kann im ersten Teil des vierten Kapitels Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen für endlich-dimensionale Systeme gezeigt werden. Weitere Schranken an die Anzahldichten im fünften Kapitel ermöglichen den Grenzübergang hinsichtlich der Anzahl der Gleichungen im zweiten Teil des vierten Kapitels. Die Existenz von Lösungen des unendlich-dimensionalen Systems wird somit über eine geeignete Approximation gezeigt. Energiemethoden liefern Eindeutigkeit und stetige Abhängigkeit von den Daten. Im sechsten Kapitel wird das Langzeitverhalten untersucht. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf stationären Lösungen eines reskalierten Systems als Kandidaten für selbstähnliche Lösungen. Abschließend wird das Lewis''sche Gesetz asymptotisch verifiziert. / The subject matter of this thesis is a detailed analysis of the self--consistent kinetic model for grain growth introduced by Fradkov. The model is based on the von Neumann--Mullins law describing the change of area of grains according to their topological class, i.e. the number of edges they have. Topological events are performed by coupling terms between equations for the number densities of different topological classes. The resulting system of transport equations is infinite-dimensional with a tridiagonal coupling structure. Self-consistency of this kinetic model is achieved by introducing a coupling''s weight making the equations nonlinear and nonlocal in space. We start with an introduction in the first chapter. Afterwards in the second chapter we derive Fradkov''s model and carry out formal calculations to illustrate self-consistency. In the third chapter we present a priori calculations mainly allowing us to bound the nonlinearity. This enables us to prove existence and uniqueness of solutions to finite-dimensional systems in the first part of the fourth chapter. Further bounds on the number densities established in the fifth chapter allow for passing to the limit concerning the number of equations in the second part of the fourth chapter. Therefore we prove existence of solutions to the infinite-dimensional system by a suitable approximation procedure. Uniqueness and continuous dependence on the data is then provided by energy methods. The sixth chapter focusses on long-time behaviour and mainly on stationary solutions of a rescaled system as candidates for self-similar solutions. Finally we prove Lewis'' law asymptotically.

Molecular and functional analysis of small molecule binding to protein can provoke insights into cellular signaling and regulatory systems as well as facilitate pharmaceutical drug discovery. In label free small molecule detection the displacement assay format can be applied. This assay format comprises the displacement of receptor molecules bond to immobilized ligand by a competition reaction with ligand in solution. This is beneficial because displacement of high molecular receptors is detected compared to low molecular ligand as in classical binding analysis therefore potentially lowering the method detection limit. It was hypothesized that with choosing appropriate measuring methods and theoretical modeling reaction rate constants can be determined separately in every kinetic stage of the assay format. Herein elucidating the dominant valence of antibody antigen binding in the established assay was of great importance. Using the Influenza Hemagglutinin (HA) peptid binding to mono or bivalent Anti-Hemagglutinin peptide antibody displacement assay formats could be established. The exact time resolved analysis of binding and dissolution of ligand HA and Anti-Hemagglutinin peptide antibody was achieved with surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy. Mathematical models could be developed from kinetic equations of ligand binding to mono or bivalent antibody. With this, an accurate simulation of the SPR results was reached. The simulation plot had to be exactly adjusted to the SPR results to determine all kinetic rate constants defining ligand and receptor binding kinetics. Large variations in receptor concentration gave almost identical rate constants in binding; this proves the quality of SPR measurements and demonstrates consistence between measurement, simulation, and binding model. Maximum decline of SPR response could be used to determine ligand concentrations in analyte. Displacement dependence from antigen concentration was found to be exponential and was explained by rebinding. Kinetic data and models could be transferred for the simulation of almost stationary displacement assay formats realized with impedance and fluorescence spectroscopy. With the obtained results it was possible to detect the displacement of the bacterial signaling autoinducer AI-2 by a displacement assay format using periplasmic binding protein LuxP as receptor. Concluding it can be said that the hypothesis could be proved and the obtained results can facilitate the use of displacement assay formats in biosensing. Displacement assay formats should be especially interesting in small molecule detection and in compact integrated mass sensitive sensor designs suitable as mobile sensors in outdoor screening. / Die Analyse des Bindungsverhaltens niedermolekularer Liganden an Proteine ist für die Aufklärung von biologischen Regulationssystemen oder bei der Suche neuer medizinischer Wirkstoffe von Wichtigkeit. Ein markierungsfreies Detektions¬prinzip zur Erfassung niedermolekularer Liganden ist die Displacement- oder Replacement-Methode. Bei dieser tritt die Bindung des Rezeptors an den immobilisierten Liganden mit der Bindung an freien Liganden in Konkurrenz, sodass anstelle der niedermolekularen Liganden die hochmolekularen Rezeptoren detektiert werden können. In dieser Arbeit wurde von der Hypothese ausgegangen, dass durch die Auswahl geeigneter Messverfahren und der zugeordneten Modellierung die einzelnen kinetischen Stadien des Displacements separat zur Bestimmung der kinetischen Konstanten der Displacementprozesse genutzt werden können. Dabei sollte unter anderem auch eine Aussage über die dominierende Valenz der Antigen-Antikörper-Bindung erreicht werden. Hierzu wurden auf der Basis des Modellsystems Hämagglutinin-Peptid/ Hämagglutinin-Antikörper Displacement-Assays mit mono- und bivalenten Anti-körpern entwickelt, anhand derer eine genaue zeitaufgelöste Analyse des Bindungs- und Ablösungsverhaltens vom Liganden HA an den Anti-HA-Antikörper (Rezeptor) mittels Oberflächenplasmonenresonanz(SPR)-Spektroskopie erzielt wurde. Ausgehend von den Reaktionsgleichungen zwischen Liganden und mono- und bivalenten Rezeptoren wurden mathematische Modelle entwickelt, die eine exakte Simulation der SPR-Ergebnisse ermöglichten. Durch genaues Anpassen der Simulationsplots an die Messplots konnten alle Ratenkonstanten, die die Kinetik der Reaktionen zwischen Liganden, Rezeptoren und ihren Komplexen bestimmen, ermittelt werden. Da auch für eine große Variation der Rezeptorkonzentrationen in der Analytlösung nahezu identische Werte für die Ratenkonstanten erhalten wurden, ergeben Messungen und Simulationen ein konsistentes Bild der Anbindungskinetik und bestätigen die Qualität der Messungen. Aus Messungen des maximalen Responsabfalles kann die Konzentration der freien Antigene beim Displacement ermittelt werden. Man findet eine exponentielle Abhängigkeit des Displacements von der Konzentration der freien Antigene, die sich durch den sogenannten „Rebindingeffekt“ erklären lässt. Die gewonnenen kinetischen Daten und entwickelten Modellierungsverfahren konnten zur Simulation quasistationärer Detektionsverfahren, die mit Fluoreszenz- und Impedanzspektroskopie durchgeführt wurden, erfolgreich angewandt werden. Die erzielten Erkenntnisse konnten auf ein wissenschaftlich herausforderndes biologisches System (LuxP/AI2) angewandt werden, bei dem das niedermolekulare Signalmolekül AI2 über ein Displacementassay detektiert wurde. Dieses System ermöglicht einen Einblick in die Intra- und Interspezieskommunikation bei Bakterien. Insgesamt zeigt sich, dass die hier formulierte Hypothese als bewiesen angesehen werden kann. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse eröffnen verschiedene Einsätze der Displacementmethode in der Biosensorik. Insbesondere lassen sich damit kleine Moleküle markierungsfrei quantitativ bestimmen, ohne hoch präzise Analysengeräte einsetzen zu müssen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, sehr kompakte integrierte massensensitive Sensoren, die nicht die Empfindlichkeit hochempfindlicher SPR-Spektrometer erreichen, zur Detektion kleiner Moleküle einzusetzen. Dies ist besonders für mobile Anwendungen von Interesse.

Molecular and functional analysis of small molecule binding to protein can provoke insights into cellular signaling and regulatory systems as well as facilitate pharmaceutical drug discovery. In label free small molecule detection the displacement assay format can be applied. This assay format comprises the displacement of receptor molecules bond to immobilized ligand by a competition reaction with ligand in solution. This is beneficial because displacement of high molecular receptors is detected compared to low molecular ligand as in classical binding analysis therefore potentially lowering the method detection limit. It was hypothesized that with choosing appropriate measuring methods and theoretical modeling reaction rate constants can be determined separately in every kinetic stage of the assay format. Herein elucidating the dominant valence of antibody antigen binding in the established assay was of great importance. Using the Influenza Hemagglutinin (HA) peptid binding to mono or bivalent Anti-Hemagglutinin peptide antibody displacement assay formats could be established. The exact time resolved analysis of binding and dissolution of ligand HA and Anti-Hemagglutinin peptide antibody was achieved with surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy. Mathematical models could be developed from kinetic equations of ligand binding to mono or bivalent antibody. With this, an accurate simulation of the SPR results was reached. The simulation plot had to be exactly adjusted to the SPR results to determine all kinetic rate constants defining ligand and receptor binding kinetics. Large variations in receptor concentration gave almost identical rate constants in binding; this proves the quality of SPR measurements and demonstrates consistence between measurement, simulation, and binding model. Maximum decline of SPR response could be used to determine ligand concentrations in analyte. Displacement dependence from antigen concentration was found to be exponential and was explained by rebinding. Kinetic data and models could be transferred for the simulation of almost stationary displacement assay formats realized with impedance and fluorescence spectroscopy. With the obtained results it was possible to detect the displacement of the bacterial signaling autoinducer AI-2 by a displacement assay format using periplasmic binding protein LuxP as receptor. Concluding it can be said that the hypothesis could be proved and the obtained results can facilitate the use of displacement assay formats in biosensing. Displacement assay formats should be especially interesting in small molecule detection and in compact integrated mass sensitive sensor designs suitable as mobile sensors in outdoor screening.:Zusammenfassung i Summery iii Inhaltsverzeichnis v 1. Problemstellung 1 2. Kinetisches Modell für Displacement-Assays mit monovalenten Antikörpern 5 2.1 Kinetisches Modell 6 2.1.1 Grundgleichungen 6 2.1.2 Analytische Näherungslösung 8 2.1.3 Numerische Lösung 10 2.2 Vergleich mit experimentellen Beispielen 18 2.2.1 Surface-Plasmonen-Resonanzspektroskopie eines Hämagglutinin- Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 18 2.2.2 Fluoreszenzspektroskopie eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 36 2.2.3 Analyse eines LuxP/AI2-Displacementassays mittels SPR-Spektroskopie 52 3. Kinetisches Modell für Displacement-Assays mit bivalenten Antikörpern 70 3.1 Kinetisches Modell 70 3.1.1 Grundgleichungen 70 3.1.2 Numerische Lösung 72 3.2 Vergleich mit experimentellen Beispielen 80 3.2.1 Surface-Plasmonen-Resonanzspektroskopie eines Hämagglutinin- Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 80 3.2.2 Impedanzspektroskopie eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 88 4. Konklusionen und Ausblick 92 5. Anhänge 98 A1: Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie 98 A2: Aufbau der Messschichten und Messreihen eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 105 A3: Schichtaufbau zur Analyse eines LuxP/AI2-Displacementassays mittels SPR-Spektroskopie 119 A4: Aufbau zur Fluoreszenzspektroskopie eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 125 A5: Impedanzspektroskopie 128 A6: Transferratenkonstanten 139 A7: Abkürzungsverzeichnis 141 6. Literatur 146 7. Danksagung 155 8. Selbständigkeitserklärung 157 / Die Analyse des Bindungsverhaltens niedermolekularer Liganden an Proteine ist für die Aufklärung von biologischen Regulationssystemen oder bei der Suche neuer medizinischer Wirkstoffe von Wichtigkeit. Ein markierungsfreies Detektions¬prinzip zur Erfassung niedermolekularer Liganden ist die Displacement- oder Replacement-Methode. Bei dieser tritt die Bindung des Rezeptors an den immobilisierten Liganden mit der Bindung an freien Liganden in Konkurrenz, sodass anstelle der niedermolekularen Liganden die hochmolekularen Rezeptoren detektiert werden können. In dieser Arbeit wurde von der Hypothese ausgegangen, dass durch die Auswahl geeigneter Messverfahren und der zugeordneten Modellierung die einzelnen kinetischen Stadien des Displacements separat zur Bestimmung der kinetischen Konstanten der Displacementprozesse genutzt werden können. Dabei sollte unter anderem auch eine Aussage über die dominierende Valenz der Antigen-Antikörper-Bindung erreicht werden. Hierzu wurden auf der Basis des Modellsystems Hämagglutinin-Peptid/ Hämagglutinin-Antikörper Displacement-Assays mit mono- und bivalenten Anti-körpern entwickelt, anhand derer eine genaue zeitaufgelöste Analyse des Bindungs- und Ablösungsverhaltens vom Liganden HA an den Anti-HA-Antikörper (Rezeptor) mittels Oberflächenplasmonenresonanz(SPR)-Spektroskopie erzielt wurde. Ausgehend von den Reaktionsgleichungen zwischen Liganden und mono- und bivalenten Rezeptoren wurden mathematische Modelle entwickelt, die eine exakte Simulation der SPR-Ergebnisse ermöglichten. Durch genaues Anpassen der Simulationsplots an die Messplots konnten alle Ratenkonstanten, die die Kinetik der Reaktionen zwischen Liganden, Rezeptoren und ihren Komplexen bestimmen, ermittelt werden. Da auch für eine große Variation der Rezeptorkonzentrationen in der Analytlösung nahezu identische Werte für die Ratenkonstanten erhalten wurden, ergeben Messungen und Simulationen ein konsistentes Bild der Anbindungskinetik und bestätigen die Qualität der Messungen. Aus Messungen des maximalen Responsabfalles kann die Konzentration der freien Antigene beim Displacement ermittelt werden. Man findet eine exponentielle Abhängigkeit des Displacements von der Konzentration der freien Antigene, die sich durch den sogenannten „Rebindingeffekt“ erklären lässt. Die gewonnenen kinetischen Daten und entwickelten Modellierungsverfahren konnten zur Simulation quasistationärer Detektionsverfahren, die mit Fluoreszenz- und Impedanzspektroskopie durchgeführt wurden, erfolgreich angewandt werden. Die erzielten Erkenntnisse konnten auf ein wissenschaftlich herausforderndes biologisches System (LuxP/AI2) angewandt werden, bei dem das niedermolekulare Signalmolekül AI2 über ein Displacementassay detektiert wurde. Dieses System ermöglicht einen Einblick in die Intra- und Interspezieskommunikation bei Bakterien. Insgesamt zeigt sich, dass die hier formulierte Hypothese als bewiesen angesehen werden kann. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse eröffnen verschiedene Einsätze der Displacementmethode in der Biosensorik. Insbesondere lassen sich damit kleine Moleküle markierungsfrei quantitativ bestimmen, ohne hoch präzise Analysengeräte einsetzen zu müssen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, sehr kompakte integrierte massensensitive Sensoren, die nicht die Empfindlichkeit hochempfindlicher SPR-Spektrometer erreichen, zur Detektion kleiner Moleküle einzusetzen. Dies ist besonders für mobile Anwendungen von Interesse.:Zusammenfassung i Summery iii Inhaltsverzeichnis v 1. Problemstellung 1 2. Kinetisches Modell für Displacement-Assays mit monovalenten Antikörpern 5 2.1 Kinetisches Modell 6 2.1.1 Grundgleichungen 6 2.1.2 Analytische Näherungslösung 8 2.1.3 Numerische Lösung 10 2.2 Vergleich mit experimentellen Beispielen 18 2.2.1 Surface-Plasmonen-Resonanzspektroskopie eines Hämagglutinin- Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 18 2.2.2 Fluoreszenzspektroskopie eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 36 2.2.3 Analyse eines LuxP/AI2-Displacementassays mittels SPR-Spektroskopie 52 3. Kinetisches Modell für Displacement-Assays mit bivalenten Antikörpern 70 3.1 Kinetisches Modell 70 3.1.1 Grundgleichungen 70 3.1.2 Numerische Lösung 72 3.2 Vergleich mit experimentellen Beispielen 80 3.2.1 Surface-Plasmonen-Resonanzspektroskopie eines Hämagglutinin- Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 80 3.2.2 Impedanzspektroskopie eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 88 4. Konklusionen und Ausblick 92 5. Anhänge 98 A1: Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie 98 A2: Aufbau der Messschichten und Messreihen eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 105 A3: Schichtaufbau zur Analyse eines LuxP/AI2-Displacementassays mittels SPR-Spektroskopie 119 A4: Aufbau zur Fluoreszenzspektroskopie eines Hämagglutinin-Peptid/Hämagglutinin-Antikörper-Displacement-Assays 125 A5: Impedanzspektroskopie 128 A6: Transferratenkonstanten 139 A7: Abkürzungsverzeichnis 141 6. Literatur 146 7. Danksagung 155 8. Selbständigkeitserklärung 157

Plant cell and tissue cultivations are of growing interest for the production of structurally complex and expensive plant-derived products, especially in pharmaceutical production. Problems with up-scaling, low yields and high-priced process conditions result in an increased demand for models to provide comprehension, simulation, and optimization of production processes. In the last 25 years, many models have evolved in plant biotechnology; the majority of them are specialized models for a few selected products or nutritional conditions. In this article we review, delineate, and discuss the concepts and characteristics of the most commonly used models. Therefore, the authors focus on models for plant suspension and submerged hairy root cultures. The article includes a short overview of modeling and mathematics and integrated parameters, as well as the application scope for each model. The review is meant to help researchers better understand and utilize the numerous models published for plant cultures, and to select the most suitable model for their purposes.

Plant cell and tissue cultivations are of growing interest for the production of structurally complex and expensive plant-derived products, especially in pharmaceutical production. Problems with up-scaling, low yields and high-priced process conditions result in an increased demand for models to provide comprehension, simulation, and optimization of production processes. In the last 25 years, many models have evolved in plant biotechnology; the majority of them are specialized models for a few selected products or nutritional conditions. In this article we review, delineate, and discuss the concepts and characteristics of the most commonly used models. Therefore, the authors focus on models for plant suspension and submerged hairy root cultures. The article includes a short overview of modeling and mathematics and integrated parameters, as well as the application scope for each model. The review is meant to help researchers better understand and utilize the numerous models published for plant cultures, and to select the most suitable model for their purposes.

Diese Dissertation befasst sich mit der Dynamik von Lipidtropfen (LDs), die der Speicherung von Lipiden (hauptsächlich Triacylglycerol, TAG) dienen. Das epidemische Auftreten von Adipositas und der sogenannten Fettleber (Steatose) hat das wissenschaftliche Interesse an der Regulation der zellulären Speicherung in LDs stark beflügelt. Es gibt inzwischen zahlreiche Publikationen zu einzelnen Aspekten der Bildung, des Wachstums und des Abbaus von Lipidtropfen. Ein detailliertes mathematisches Modell, das diese Einzelergebnisse in ein konsistentes Bild zusammenfügt, gibt es allerdings nicht. Die Aufstellung, Validierung und Anwendung eines umfassenden mathematischen Modells der Dynamik von LDs steht daher im Mittelpunkt dieser Arbeit. Dieses Modell umfasst unter anderem die Aufnahme von freien Fettsäuren aus dem Blutplasma, die Veresterung zu TAG, die Bildung, das Wachstum und die Lipolyse von Lipidtropfen, die durch etliche regulatorische Oberflächenproteine (ROPs) gesteuert werden. Eine wesentliche Frage im Zusammenhang mit der Entstehung einer Fettleber gilt den Mechanismen, die den heterogenen Fetteinlagerungen in der Leber zugrunde liegen. Eigene Experimente mit humanen Hepatomzellen (PLC) zeigten, dass eine Heterogenität in der TAG-Speicherung auch in isolierten Zellen existiert, wenn man sie einer Fettsäurebelastung unterwirft. Modellsimulationen zeigen, dass Schwankungen in der Expression zentraler regulatorischer Proteine bereits eine Heterogenität bis zu 50% erklären können. Unter der Annahme, dass eine solche Variabilität der Genexpression auch im intakten Organ vorliegt, prognostiziert das Modell eine Variation im TAG-Gehalt einzelner Zellen um einen Faktor drei bis sechs. Zusammenfassend ist zu sagen, dass der Modellansatz zahlreiche experimentelle Ergebnisse von einzelnen Prozessen im zellulären TAG-Metabolismus und im Metabolismus der LD-Dynamik in ein konsistentes, neuartiges und dynamisches Modell eines metabolischen Netzwerks integriert. / This dissertation occupies with the dynamics of lipid droplets (LDs) serving as lipid deposit transporting, mainly triacylglycerol (TAG). The epidemic occurrence of obesity and steatosis has inspired strongly the scientific interest in regulation of hepatic TAG accumulation. There are now numerous publications regarding individual aspects of formation, maturation and lipolysis of LDs. However, a detailed computational model putting together this fractional knowledge is lacking so far. I focus on development, validation and implementation a kinetic model encompassing the pathways of the fatty acids (FFA) and TAG metabolism and the main molecular processes governing the dynamics of LDs. Experiments with primary human hepatocytes incubated with an excess of FFA show a large heterogeneity of TAG content and LD size distribution. Intriguingly, a large cell-to-cell heterogeneity with respect to the number and size of LDs has been found in various cell types. These findings suggest that the extent of cellular lipid accumulation is not only determined by the imbalance between lipid supply and utilization but also by variations in the expression of regulatory surface proteins and metabolic enzymes. To better understand the relative regulatory impact of individual processes involved in the cellular TAG turnover we varied randomly the expression of RSPs and metabolic enzymes. A random fold change by a factor of about 2 in the activity of RSPs was sufficient to reproduce the large diversity of droplet size distributions. Under the premise that the same extent of variability of RSPs holds for the intact organ, our model predicts variations in the TAG content of individual hepatocytes by a factor of about three to six depending on the nutritional regime. Taken together, our modeling approach integrates numerous experimental findings on individual processes in the cellular TAG metabolism and LD dynamics metabolism to a consistent state-of-the-art dynamic network model.

Die als Absorbermaterial für Dünnschichtsolarzellen geeigneten Verbindungshalbleiter Cu2ZnSnS4 (CZTS) und Cu2ZnSnS(4-x)Sex (x<3, CZTSSe) konnten erfolgreich durch Kombination der elektrochemischen Legierungsabscheidung und der anschließenden Sulfurisierung in H2S-haltiger Atmosphäre hergestellt werden. In früheren Arbeiten wurden die viel versprechenden Eigenschaften von CZTS und Cu2ZnSnSe4 (CZTSe), als In und Ga freie und damit kostengünstige Alternativen, bereits ausführlich vorgestellt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte anhand von kristallographischen Ergebnissen sowie durch Untersuchungen der Bandlückenenergien bestätigt werden, dass die Kesterite CZTS (1,46eV) und CZTSSe (1,32eV) erfolgreich mittels einer nasschemischen Vorstufe herstellbar sind. Weiterhin wurde erstmalig der Zusammenhang unterschiedlicher Stöchiometrien anhand ermittelter Halbleitereigenschaften (Na, Eg, EFB) gezeigt. Auf diesen Ergebnissen basierend wurde eine optimale Zusammensetzung zur Herstellung funktionaler Absorberschichten bestimmt. Dennoch zeigt sich, dass die Prozessparameter der Gasphasen-Sulfurisierung entscheidend die Bildung homogener Schichten beeinflusst. Die beobachtete große Kristallverteilung und die dabei auftretenden lokalen Löcher setzten die Funktionalität der hergestellten Solar Zellen (Al/ZnO:Al/CdS/CZTS/Mo/Glas) deutlich herab. Trotz der geringen Wirkungsgrade konnte aus einer Reihe unterschiedlicher Absorbermaterialien eine optimale Stöchiometrie (~Cu2Zn1.1Sn0.9S4) ermittelt werden. Die elektrochemische Coabscheidung von Se (~Cu2Zn1.2Sn0.9Se0.3) und die dadurch erfolgte partielle Substitution von S durch Se bewirkte, verglichen zur CZTS Morphologie, eine kompaktere und geschlossene Schichtstruktur. Der Einfluss des Selenanteils wurde dabei anhand detaillierter kristallographischer Untersuchungen und einer reduzierten Bandlückenenergie (1,32eV) bestätigt. Obwohl deutlich reproduzierbare Diodeneigenschaften über große Flächen beobachtet wurden, konnten keine Verbesserung des Wirkungsgrads erzielt werden. Cu2ZnSn (CZT) und Cu2ZnSnSe0.3 (CZTSe) Precursorschichten wurden mittels eines neu entwickelten alkalischen sowie zyanidfreien Elektrolyten auf Mo beschichteten Glassubstraten abgeschieden. Dieser alkalische Elektrolyt zeigte eine hohe Langzeitstabilität und die bisher unbekannte Möglichkeit der Abscheidung hoher Zinnanteile bei niedrigen Temperaturen. Aufgrund detaillierter elektrochemischer Untersuchungen konnte ein fundamentales Verständnis hinsichtlich der Einflüsse unterschiedlicher Additive, Konzentrationen und Temperaturen erzielt werden. Diese Ergebnisse konnten zur Interpretation der beobachteten potentialabhängigen Legierungsbildung herangezogen werden. Im Rahmen eines wesentlich fundamentalen Ansatzes erfolgte weiterhin die Charakterisierung der Legierungsbildung, ausgehend von unterschiedlicher Metallgehalte im Elektrolyten, anhand eines kürzlich publizierten kinetischen Modells zur elektrochemischen Legierungsabscheidung. Basierend auf diesen Untersuchungen konnte das vorgestellte Badsystem aufgrund einer genauen Einstellbarkeit und Nachdosierung erfolgreich zur ternären Abscheidung von Precursorschichten verwendet werden. / Cu2ZnSnS4 (CZTS) and Cu2ZnSnS(4-x)Sex (x<0.3, CZTSSe) thin film solar cell absorber materials were successfully formed by combining a one step electrochemical precursor deposition followed by a vapour phase sulfurization process. CZTS and Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) are known as promising candidates for thin film solar cell applications without using rare and thus expensive materials like In and Ga. This thesis confirmed by XRD and band gap energy data the potential to produce the kesterite type semiconductor materials CZTS (1,46eV) and CZTSSe (1,32eV) via a wet chemical precursor step. This paper presents for the first time the impact of different absorber compositions on semiconductor properties (NA, Eg, EFB) of the bulk material. Based on this data an optimum stoichiometry was identified to produce a functional absorber layer. However, sulfurization remained as the most critical process to achieve homogeneous thin films. In the most cases local pin holes and a large crystal size distribution diminished the conversion efficiency of produced solar cell samples (Al/ZnO:Al/CdS/CZTS/Mo/glass). Nevertheless an optimum performance was found for a slight excess of Zn (~Cu2Zn1.1Sn0.9S4). The electrochemical codeposition of Se (~Cu2Zn1.2Sn0.9Se0.3) at the precursor step enabled to do a partial substitution of S by Se which was identified to improve CZTS morphology into a homogeneous and dense layer. The expected impact of Se was also confirmed by detailed crystallographic and band gap energy (1.32eV) measurements. Although solar cell function was found for enlarged areas the low overall conversion efficiency could be not pushed to higher levels. Cu2ZnSn (CZT) and Cu2ZnSnSe0.3 (CZTSe) precursor layers were directly electrodeposited on Mo coated soda line glass substrates from a new developed alkaline cyanide free alloy bath system. The presented electrolyte showed high long term stability and an up to now unknown high rate of Sn codeposition at low electrolyte temperatures. Results of a detailed electrolyte characterization gave a fundamental understanding of additive, concentration and temperature effects. This knowledge was successfully linked to explain the potential depended alloy composition effects. As a more fundamental approach a new kinetic model of the electrochemical alloy deposition was used to characterize the impact of changed electrolyte metal contents on the resulting alloy composition. Based on this data the presented alloy bath system was successfully applied for precise adjustment and replenishment during the ternary precursor deposition.

Die als Absorbermaterial für Dünnschichtsolarzellen geeigneten Verbindungshalbleiter Cu2ZnSnS4 (CZTS) und Cu2ZnSnS(4-x)Sex (x<3, CZTSSe) konnten erfolgreich durch Kombination der elektrochemischen Legierungsabscheidung und der anschließenden Sulfurisierung in H2S-haltiger Atmosphäre hergestellt werden. In früheren Arbeiten wurden die viel versprechenden Eigenschaften von CZTS und Cu2ZnSnSe4 (CZTSe), als In und Ga freie und damit kostengünstige Alternativen, bereits ausführlich vorgestellt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte anhand von kristallographischen Ergebnissen sowie durch Untersuchungen der Bandlückenenergien bestätigt werden, dass die Kesterite CZTS (1,46eV) und CZTSSe (1,32eV) erfolgreich mittels einer nasschemischen Vorstufe herstellbar sind. Weiterhin wurde erstmalig der Zusammenhang unterschiedlicher Stöchiometrien anhand ermittelter Halbleitereigenschaften (Na, Eg, EFB) gezeigt. Auf diesen Ergebnissen basierend wurde eine optimale Zusammensetzung zur Herstellung funktionaler Absorberschichten bestimmt. Dennoch zeigt sich, dass die Prozessparameter der Gasphasen-Sulfurisierung entscheidend die Bildung homogener Schichten beeinflusst. Die beobachtete große Kristallverteilung und die dabei auftretenden lokalen Löcher setzten die Funktionalität der hergestellten Solar Zellen (Al/ZnO:Al/CdS/CZTS/Mo/Glas) deutlich herab. Trotz der geringen Wirkungsgrade konnte aus einer Reihe unterschiedlicher Absorbermaterialien eine optimale Stöchiometrie (~Cu2Zn1.1Sn0.9S4) ermittelt werden. Die elektrochemische Coabscheidung von Se (~Cu2Zn1.2Sn0.9Se0.3) und die dadurch erfolgte partielle Substitution von S durch Se bewirkte, verglichen zur CZTS Morphologie, eine kompaktere und geschlossene Schichtstruktur. Der Einfluss des Selenanteils wurde dabei anhand detaillierter kristallographischer Untersuchungen und einer reduzierten Bandlückenenergie (1,32eV) bestätigt. Obwohl deutlich reproduzierbare Diodeneigenschaften über große Flächen beobachtet wurden, konnten keine Verbesserung des Wirkungsgrads erzielt werden. Cu2ZnSn (CZT) und Cu2ZnSnSe0.3 (CZTSe) Precursorschichten wurden mittels eines neu entwickelten alkalischen sowie zyanidfreien Elektrolyten auf Mo beschichteten Glassubstraten abgeschieden. Dieser alkalische Elektrolyt zeigte eine hohe Langzeitstabilität und die bisher unbekannte Möglichkeit der Abscheidung hoher Zinnanteile bei niedrigen Temperaturen. Aufgrund detaillierter elektrochemischer Untersuchungen konnte ein fundamentales Verständnis hinsichtlich der Einflüsse unterschiedlicher Additive, Konzentrationen und Temperaturen erzielt werden. Diese Ergebnisse konnten zur Interpretation der beobachteten potentialabhängigen Legierungsbildung herangezogen werden. Im Rahmen eines wesentlich fundamentalen Ansatzes erfolgte weiterhin die Charakterisierung der Legierungsbildung, ausgehend von unterschiedlicher Metallgehalte im Elektrolyten, anhand eines kürzlich publizierten kinetischen Modells zur elektrochemischen Legierungsabscheidung. Basierend auf diesen Untersuchungen konnte das vorgestellte Badsystem aufgrund einer genauen Einstellbarkeit und Nachdosierung erfolgreich zur ternären Abscheidung von Precursorschichten verwendet werden. / Cu2ZnSnS4 (CZTS) and Cu2ZnSnS(4-x)Sex (x<0.3, CZTSSe) thin film solar cell absorber materials were successfully formed by combining a one step electrochemical precursor deposition followed by a vapour phase sulfurization process. CZTS and Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) are known as promising candidates for thin film solar cell applications without using rare and thus expensive materials like In and Ga. This thesis confirmed by XRD and band gap energy data the potential to produce the kesterite type semiconductor materials CZTS (1,46eV) and CZTSSe (1,32eV) via a wet chemical precursor step. This paper presents for the first time the impact of different absorber compositions on semiconductor properties (NA, Eg, EFB) of the bulk material. Based on this data an optimum stoichiometry was identified to produce a functional absorber layer. However, sulfurization remained as the most critical process to achieve homogeneous thin films. In the most cases local pin holes and a large crystal size distribution diminished the conversion efficiency of produced solar cell samples (Al/ZnO:Al/CdS/CZTS/Mo/glass). Nevertheless an optimum performance was found for a slight excess of Zn (~Cu2Zn1.1Sn0.9S4). The electrochemical codeposition of Se (~Cu2Zn1.2Sn0.9Se0.3) at the precursor step enabled to do a partial substitution of S by Se which was identified to improve CZTS morphology into a homogeneous and dense layer. The expected impact of Se was also confirmed by detailed crystallographic and band gap energy (1.32eV) measurements. Although solar cell function was found for enlarged areas the low overall conversion efficiency could be not pushed to higher levels. Cu2ZnSn (CZT) and Cu2ZnSnSe0.3 (CZTSe) precursor layers were directly electrodeposited on Mo coated soda line glass substrates from a new developed alkaline cyanide free alloy bath system. The presented electrolyte showed high long term stability and an up to now unknown high rate of Sn codeposition at low electrolyte temperatures. Results of a detailed electrolyte characterization gave a fundamental understanding of additive, concentration and temperature effects. This knowledge was successfully linked to explain the potential depended alloy composition effects. As a more fundamental approach a new kinetic model of the electrochemical alloy deposition was used to characterize the impact of changed electrolyte metal contents on the resulting alloy composition. Based on this data the presented alloy bath system was successfully applied for precise adjustment and replenishment during the ternary precursor deposition.