Zur Präparation von hochwertigen Heterostrukturen aus Übergangsmetallperowskiten wurde eine Anlage zur metallorganischen Aerosol-Deposition mit Wachstumskontrolle durch in-situ Ellipsometrie aufgebaut. Durch numerische Anpassung der in-situ Ellipsometrie kann man den beim Wachstum stattfindenden Transfer der $ e_{g} $-Elektronen zwischen unterschiedlich dotierten Perowskit-Manganaten erfassen. Im Verlauf des Wachstums von Übergittern aus $ \mathrm{LaMnO_{3}} $ (LMO) und $ \mathrm{SrMnO_{3}} $ (SMO) variiert die Längenskala, über die die $ e_{g} $-Elektronen delokalisieren, in einem Bereich von $ 0.4\, \mathrm{nm} $ bis $ 1.4 \, \mathrm{nm} $. Mit der neu eingeführten Atomlagenepitaxie (ALE) kann man die Chemie von Perowskit-Grenzflächen vollständig definieren. Am Beispiel von gestapelten $ \mathrm{SrO-SrTiO_{3}} $ (STO) Ruddlesden-Popper-Strukturen und LMO/SMO-Übergittern wird dieses Verfahren erprobt. Mit der in-situ Ellipsometrie kann man Defekte in der SrO-STO-Abfolge vorhersagen, die in anschließenden strukturellen Untersuchungen mit Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) erkennbar sind. Außerdem lässt sich die Sr/Ti-Stöchiometrie mit einer Genauigkeit von $ 1.5\, \mathrm{\%} $ festlegen. In Bezug auf das Wachstum von LMO und SMO kann man über die in-situ Ellipsometrie Veränderungen der Mn-Valenzen erkennen und so auf ein zweidimensionales Wachstum jeder halben Perowskitlage schließen. Die in dieser Arbeit etablierte Depositionstechnologie erlaubt das systematische Studium der magnetischen Eigenschaften von Heterostrukturen aus verschieden dotierten Lanthan-Strontium-Manganaten ($ \mathrm{La_{1-x}Sr_{x}MnO_{3}} $ (LSMO(x)). Zunächst wird das magnetische Verhalten von Doppellagen aus dem ferromagnetischen LSMO(0.3) und verschiedenen antiferromagnetischen LSMO(x)-Lagen ($ x=0.6-1.0 $) untersucht. Für $ x>0.6 $ beobachtet man ein erhöhtes Koerzitivfeld und eine Verschiebung der Hysterese entlang der Feldachse (exchange bias (EB)). Als Funktion der Sr-Dotierung zeigen die durch das STO-Substrat verspannten LSMO(x)-Filme einen Übergang vom Antiferromagneten des G-Typs ($ x>0.95 $) zum Antiferromagneten des A-Typs ($ x \leq 0.95 $). Dieser Übergang wird von einer Halbierung der EB-Amplitude begleitet. Für LSMO(0.3)/SMO-Strukturen registriert man eine Abnahme der EB-Amplitude, wenn die epitaktischen Verzerrungen mit zunehmender Dicke der SMO-Lagen relaxieren. Bei Änderungen der tetragonalen Verzerrung der Manganat-Filme kommt es zu einer Modifikation der Balance zwischen den magnetischen Kopplungen in der Filmebene und senkrecht dazu. Dadurch verändern sich die Eigenheiten des Spin-Glases an der Grenzfläche und damit das magnetische Verhalten der Heterostruktur. LMO/SMO-Übergitter auf STO (001) zeigen eine zuvor noch nicht beobachtete Phänomenologie. Wenn die LMO/SMO-Bilagendicke $ \Lambda $ 8 Monolagen übersteigt, bemerkt man zwei separate ferromagnetische Signaturen. Die Tieftemperaturphase (LTP) hat eine Curie-Temperatur $ T_{C}^{L}=180\, \mathrm{K}-300 \, \mathrm{K} $, die mit $ \Lambda $ kontinuierlich abfällt, die Hochtemperaturphase (HTP) hat eine Curie-Temperatur $ T_{C}^{H}=345 \, \mathrm{K} \pm 10 \, \mathrm{K} $, die keine systematische Abhängigkeit von $ \Lambda $ besitzt. LTP und HTP sind magnetisch entkoppelt. Das Skalierungsverhalten des magnetischen Momentes der HTP mit der Bilagendicke und der Zahl von Wiederholungen der LMO/SMO-Einheit deutet auf einen Grenzflächencharakter der HTP. Außerdem besitzt die HTP eine große magnetische Anisotropieenergie, die Literaturwerte für dünne Manganatfilme um zwei Größenordnungen übersteigt. Beim Wachstum auf $ \mathrm{(La_{0.3}Sr_{0.7}) (Al_{0.65}Ta_{0.35})O_{3}} $ (LSAT), das eine kleinere Gitterkonstante als STO besitzt, verschwindet die HTP. Zur Erklärung der HTP stellt man ein Modell vor, bei dem die HTP an der chemisch scharfen SMO/LMO-Grenzfläche lokalisiert ist. Das STO-Substrat führt zu epitaktischen Zugspannungen, die die $ e_{g} $-Elektronen in den an den SMO/LMO-Grenzflächen befindlichen $ \mathrm{MnO_{2}} $-Lagen auf die $ d_{x^{2}−y^{2}} $-Orbitale zwingen. Dadurch ist der Austausch zu den in c-Richtung benachbarten $ \mathrm{MnO_{2}} $-Lagen sehr schwach und der magnetische Austausch findet vorwiegend in der Ebene statt. Durch den Ladungstransfer liegt in der $ \mathrm{MnO_{2}} $-Lage an der SMO/LMO-Grenzfläche ein $ \mathrm{Mn^{4+}} $-Anteil von $ x \approx 0.4 $ vor. Durch den Doppelaustausch bildet sich in dieser Ebene dann eine zweidimensionale ferromagnetische Phase, die die HTP darstellt.

Работа содержит 71 страницу, 52 рисунка, 8 таблиц, 73 наименования в списке литературы. Ключевые слова: ТВЕРДООКСИДНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, КАТОДНЫЙ МАТЕРИАЛ, СТРУКТУРА РАДДЛЕСДЕНА-ПОППЕРА, ТЕРМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ, ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ, ХИМИЧЕСКАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ. Методом пиролиза глицерин-нитратных композиций проведен синтез сложных оксидов Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4). Методом рентгеновской дифракции определен фазовый состав порошков Nd1.6Ca0.4Ni1 yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) (ДРОН-6). Методом Ритвелда при использовании программного пакета FullProf Suite уточнены кристаллоструктурные параметры Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.3) при 25 С. Проведены высокотемпературные рентгеновские исследования порошков Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0 - 0.3). Методами термогравиметрии (NETZSCH STA 449F3) и окислительно-восстановительного (потенциометрического) титрования (Аквилон АТП-02) проведено определение абсолютного содержания кислорода в образцах Nd1.6Ca0.4Ni1 yCuyO4+δ (y = 0.0-0.3) на воздухе. Методом дилатометрии (Netzsch DIL 402C) исследовано термическое расширение спеченных образцов Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.3). Из наклона экспериментальных зависимостей относительного удлинения образцов рассчитаны изобарические линейные коэффициенты термического расширения Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.3). Четырех-зондовым методом на постоянном токе на воздухе с использованием автоматической системы Zirconia-318 получены температурные зависимости проводимости спеченных образцов Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.3). Проведены исследования химической совместимости Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0; 0.2; 0.4) с оксидными материалами для традиционных электролитов ТОТЭ. На анализаторе дисперсности SALD-7101 Shimadzu методом лазерного светорассеяния выполнено определение распределения частиц по размерам в порошках Nd1.6Cа0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4). Величины удельной поверхности Nd1.6Cа0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) оценивали методом тепловой десорбции азота на автоматическом анализаторе поверхности и пористости SoftSorbi-II ver.1.0. Определение коэффициента диффузии ионов кислорода проводили методом температурно-программируемого изотопного обмена. Электрохимическая активность катодных материалов Nd1.6Cа0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0; 0.1; 0.3) исследована методом импедансной спектроскопии с помощью потенциостата SI 1260 и электрохимического интерфейса SI 1287 (Solartron Industries Inc.). На основе полученных данных сделан вывод о перспективности оксидных материалов Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0 0.4) в качестве катодных материалов для среднетемпературных ТОТЭ. / Present work contains 71 pages, 52 figures, 8 tables, 73 references in the literature list. Keywords: SOLID OXIDE FUEL CELLS, CATHODE, RUDDLESDEN-POPPER STRUCTURE, THERMAL EXPANSION, ELECTROCONDUCTIVITY, CHEMICAL COMPATIBILITY. Synthesis of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) complex oxides was carried out by the glycerol-nitrate compositions pyrolysis. Phase composition of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) powders was determined by the X-ray diffraction (DRON-6). The crystal structure parameters of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) oxides at 25 °C were refined by the Rietveld method using the FullProf Suite software package. High-temperature X-ray studies were performed on the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.3) powders. The thermogravimetry (NETZSCH STA 449F3) and redox titration (potentiometric) methods (Aquilon ATP-02) were used for the determination of an absolute oxygen content in the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) samples in air. Thermal expansion of the compact Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) samples were studied using the dilatometry (Netzsch DIL 402C) method. The isobaric linear coefficients of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) thermal expansion were calculated from linearization of the experimental dependencies of samples’ relative elongation. The temperature dependencies of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) compact samples’ conductivity were obtained using the four-probe method at direct current in air with automatic system Zirconia-318. Chemical compatibility of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0; 0.2; 0.4) with electrolytes oxide materials for solid oxide fuel cells (SOFC) has been studied. Particle size distribution in the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) powders was determined by laser light scattering using a SALD-7101 Shimadzu dispersion analyzer. The values of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) specific surface were estimated by the method of nitrogen thermal desorption on an automatic surface and porosity analyzer SoftSorbi-II ver.1.0. The oxygen ion diffusion coefficients were determined by temperature programmed isotope exchange of oxygen. Electrochemical activity of the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ (y = 0.0-0.4) cathode materials was investigated by impedance spectroscopy using a SI 1260 potentiostat and SI 1287 electrochemical interface (Solartron Industries Inc.). Based on the obtained data, it could be concluded that the Nd1.6Ca0.4Ni1-yCuyO4+δ oxide materials are promising as cathode materials for intermediate-temperature SOFC’s.

<div>The manufacturing cost of solar cells along with their efficiency and reliability define the levelized cost of electricity (LCOE). One needs to reduce LCOE to make solar cells cost competitive compared to other sources of electricity. After a sustained decrease since 2001 the manufacturing cost of the dominant photovoltaic technology based on c-Si solar cells has recently reached a plateau. Further reduction in LCOE is only possible by increasing the efficiency and/or reliability of c-Si cells. Among alternate technologies, organic photovoltaics (OPV) has reduced manufacturing cost, but they do not offer any LCOE gain because their lifetime and efficiency are significantly lower than c-Si. Recently, perovskite solar cells have showed promising results in terms of both cost and efficiency, but their reliability/stability is still a concern and the physical origin of the efficiency gain is not fully understood.</div><div><br></div>In this work, we have collaborated with scientists industry and academia to explain the origin of the increased cell efficiency of bulk solution-processed perovskite cells. We also explored the possibility of enhancing the efficiency of the c-Si and perovskite cells by using them in a tandem configuration. To improve the intrinsic reliability, we have investigated 2D-perovskite cells with slightly lower efficiency but longer lifetime. We interpreted the behavior of the 2D-perovskite cells using randomly stacked quantum wells in the absorber region. We studied the reliability issues of c-Si modules and correlated series resistance of the modules directly to the solder bond failure. We also found out that finger thinning of the contacts at cell level manifests as a fake shunt resistance but is distinguishable from real shunt resistance by exploring the reverse bias or efficiency vs. irradiance. Then we proposed a physics-based model to predict the energy yield and lifetime of a module that suffers from solder bond failure using real field data by considering the statistical nature of the failure at module level. This model is part of a more comprehensive model that can predict the lifetime of a module that suffers from more degradation mechanisms such as yellowing, potential induced degradation, corrosion, soiling, delamination, etc. simultaneously. This method is called forward modeling since we start from environmental data and initial information of the module, and then predict the lifetime and time-dependent energy yield of a solar cell technology. As the future work, we will use our experience in forward modeling to deconvolve the reliability issues of a module that is fielded since each mechanism has a different electrical signature. Then by calibrating the forward model, we can predict the remaining lifetime of the fielded module. This work opens new pathways to achieve 2030 Sunshot goals of LCOE below 3c/kWh by predicting the lifetime that the product can be guaranteed, helping financial institutions regarding the risk of their investment, or national laboratories to redefine the qualification and reliability protocols.<br>